某新型低地板有軌電車運行穩定性的研究

李子嘉，黃楨國，戴煥云

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

近幾年隨著中國經濟飛速發展，人們的出行方式變得多種多樣。有軌電車自1879年誕生之日起便倍受人類親睞，近些年更是發展迅猛，在某些政府財政不足以支持地鐵發展的地區，成為了城市公共交通的主力軍。有軌電車雖然具有低投入、大運量、無排放等諸多優勢，但是由于其運行區域大多處于人流密集區域的馬路中央，與公路交通不可避免會產生干擾，一旦出現問題，會給公共交通帶來很大的危害，故國內外學者對其運行安全性和平穩性進行了研究。賈璐等[1]采用極限環法、構架加速度幅值法以及構架和輪對加速度方均根值法對軌道車輛系統的橫向運動穩定性進行了評判。李玉青[2]基于simpack軟件，著重研究了懸掛參數對100%低地板有軌電車的運動穩定性以及曲線通過性能的影響。曹志禮[3]總結分析了我國鐵道車輛振動性能評定方法 , 指出了“平均最大加速度評定法”是一種能定量評定車輛最大振動的簡單而可行的方法 , 并以此為基礎提出了自動數據處理方法。徐士恒等[4]針對貨運動車組的特點,在傳統多剛體仿真模型的基礎上,綜合考慮集裝器的結構、布置和安裝方式，研究運行速度250 km/h以上貨運動車組的動力學性能以及對所運送貨物的完整性、安全性進行評估時需要考慮車體和集裝器的耦合關系。 MA Y W等[5]采用顯式有限元模型研究了車輪在鋼軌上滾動時的“接觸穩定性”現象。POLACH O[6]論證了接觸非線性對鐵路車輛穩定極限性能的影響，并用兩個參數描述了輪軌接觸幾何關系。WILSON N等[7]研究車輛懸架參數和車體慣性參數加上不良的輪軌接觸模式，對車輛橫向穩定性性能的影響。周勁松等[8]將最優化理論運用于鐵道車輛蛇行運動穩定性研究領域 , 建立了轉向架軸箱定位參數最優化設計的數學模型。KO E S等[9]在Saemaul-ho研究經驗的基礎上，利用相似律對KTX-Sancheon的1/5小型轉向架設計進行了研究，并對1/5小型轉向架的運行穩定性進行了試驗。

不同于獨立路權的軌道交通體系，有軌電車運行在人流車流密集的公共區域，通過平交道口、小曲線半徑較多，故對其安全性和平穩性要求更為嚴苛。本文通過型式試驗的數據進行處理分析后得到列車運行時的安全性指標包括脫軌系數、輪重減載率以及輪軸橫向力等，舒適性指標即車體sperling平穩性指數[10]，從而對車輛的運行品質進行全面的評估。

1 研究對象

研究對象為一組新型低地板有軌電車，包含有3臺動力轉向架和1臺拖車轉向架，車輛編組依次為Mc1—T—M—Mc2，列車最高試驗速度選取為70 km/h。本次試驗選取整列車，在車體和轉向架上布置測點進行動力學測試。車輛的示意圖如圖1所示。

圖1 被測列車示意圖

2 研究內容

2.1 對列車安全性的研究方法

試驗采用了輪軌作用力間接測量方法進行輪軌力測試，輪軌力間接測量方法旨在基于輪對受力狀態，建立輪對力和力矩平衡方程，通過輪對慣性力和懸掛受力，可間接求得輪軸橫向力和兩側輪軌垂向力，而慣性力和懸掛力可結合輪對固有參數和實測振動信號確定。其中懸掛受力計算時對其進行線性化處理，利用位移傳感器測得懸掛件行程乘以剛度可得懸掛力大小，慣性力計算時利用軸箱處采得振動加速度進行處理后與質量相乘可得。

根據GB5599—1985[11]以及UIC518—2009[12]規定，各指標的具體要求如下。

脫軌系數Y/Q≤1.2。試驗過程中，當Y/Q達到1.2時停止提速。

輪軸橫向力H≤0.85×(10+P0/3)，其中P0為左右車輪靜載荷之和，單位為kN。

輪重減載率ΔP/P≤0.65。

傾覆系數D=Pd/Pst<0.8。其中：Pd為車輛或轉向架同一側車輪的動載荷；Pst為相應車輪靜載荷。

2.2 列車安全性試驗結果

表1、表2分別為AW0(空車)以及AW3(重車)載重下各轉向架運行安全性指標試驗結果。在R40m、R50m和R180m等多個典型曲線線路下，Mc1車(動力轉向架)和T車(拖車轉向架)的輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數最大值均小于對應的限值，滿足標準規定的要求；表3、表4分別是AW0(空車)以及AW3(重車)載重工況，各類線路下Mc1車、T車、M車、Mc2車和整車傾覆系數的試驗結果，結果表明車輛的傾覆系數小于相應限值，滿足標準要求。

表1 轉向架運行安全性指標最大值(AW0)

表2 轉向架運行安全性指標最大值(AW3)

表3 車輛傾覆系數最大值(AW0)

表4 車輛傾覆系數最大值(AW3)

由此可見，在空車工況下，動車轉向架的各項參數均大于拖車，而且頭尾車的指標要大于中間車。對比列車在AW0和AW3兩種工況下的安全性指標可以發現，除了輪軸橫向力之外，其他安全性指標在載重增大后均有所降低，也就是說列車整體的安全性較空車時有了很大的提升。

2.3 對列車運行平穩性的研究方法

在對列車運行平穩性研究時，著重關注車體的運行質量，故在兩個轉向架中心上方車體地板附近1 m處布置加速度傳感器用來檢測車體地板的振動加速度，后期由此計算車體的橫向平穩性指標即sperling指數。具體的限制要求如表5所示。

表5 評定標準及項目

2.4 列車運行平穩性研究結果

1)AW0工況下平穩性試驗結果

如圖2所示，隨著速度的提高，列車車體的橫向平穩性指標是不斷上升的，也就是車體的橫向穩定性逐漸變差。其中Mc2車的變化較為明顯，在45 km/h的速度之后，Mc2車的橫向平穩性指標是最高的，幾乎呈線性增長，其次是T車。T車在高速區段的平穩性略好于Mc2車，但相對于其他兩節車要差一些。從中可見，同屬中間車輛，在AW0條件下的T車穩定性要差于M車，所以電機以及齒輪箱產生的轉矩對中間車運行穩定性的提升有所幫助。頭尾車的變化較為復雜，在不同的速度范圍內接近兩個極端表現，在45 km/h以下的速度運行時Mc2車的穩定性是最差的，在45 km/h往上的區域則剛好相反。列車垂向平穩性指標有著和橫向類似的變化規律，隨著列車運行速度的提升而近乎于線性增長，如圖3所示。綜合考慮兩個方向的平穩性指標以及運營成本的因素，確定列車在人流量少地區的運營速度。

圖2 列車運行橫向平穩性指標(AW0)

圖3 列車運行垂向平穩性指標(AW0)

2)AW3工況下平穩性試驗結果

如圖4所示，列車在AW3工況下的橫向平穩性指標隨著車速的提高一直上升。此處T車的變化較為明顯，全速度段內保持較高的橫向平穩性指標，這和AW0時的表現有所不同。雖說相比空車時，車輛的穩定性有所提升，但是T車的變化顯然沒有其他M車大，也就是說，對工況變化的不敏感使得T車在滿載情況下的運行穩定性較其他車差。頭尾兩個Mc車還保持著分速度區間的變化規律，但是正好與空車時候相反，在高速區域內Mc2車平穩性差一些。從圖5可以看出，T車的垂向平穩性在全速度段都保持著較低值，Mc2車的垂向平穩性較差。

圖4 列車運行橫向平穩性指標(AW3)

圖5 列車運行垂向平穩性指標(AW3)

由于Mc1車屬于頭車，而且變化規律較為明顯，故將其前中后拆開分析。由圖6可知，該車前端的平穩性指標較大，后端次之，中段最小，故司機室位置以及靠近風擋鉸接處的平穩性較差，后期新車設計要考慮司機室穩定性的控制，保障列車安全運行。

圖6 Mc1運行平穩性指標

2.5 列車運動穩定性的研究

圖7-圖8為被試車輛在AW0以及AW3載重條件下車輛的運動穩定性。對轉向架的構架端部測點數據進行0.5 Hz～10 Hz帶通濾波，可以得到以下結果：Mc1車和T車在最高試驗速度70 km/h下，構架橫向振動加速度幅值小于標準規定的限值，轉向架未出現失穩現象，滿足標準要求。

圖7 轉向架的構架端部振動加速度(AW0)

圖8 轉向架的構架端部振動加速度(AW3)

3 結語

該型有軌電車在運行時頭尾車和中間車的動力學指標是存在差異的，即中間車的運行品質高于頭尾車。在中間車當中，動車的運行品質優于拖車。加載之后，車輛的穩定性得到明顯的提升，除輪軸橫向力有所上升外，其他指標均下降，車輛運行更加安全穩定。Mc1車前端以及后端穩定性較差，中段車體較為穩定。新車設計時雖然要考慮車體輕量化，但不可使車體過輕造成相應動力學指征惡化，影響行車品質。