基于EN 14363:2016(E)的地鐵車輛扭曲安全性研究

郭振通 周魯寧 薛 萍

(南京中車浦鎮城軌車輛責任有限公司，210031，南京∥第一作者，高級工程師)

隨著我國“一帶一路”戰略的實施，促進了我國與世界其他各國之間的聯系，也為我國的軌道交通走出去提供了良好的契機。然而，各國不同的車輛設計標準是車輛出口面臨的重要問題。國外認可的標準主要有EN(歐洲標準)、UIC(國際鐵路聯盟)和ISO(國際標準化組織)等標準體系。其中，一部分標準是國內的參考標準，例如與車輛運行安全性相關的UIC 518：2009(E)[1-3]，與乘坐舒適性相關的EN 12299：2009(E)和ISO 2631-4：2001(E)[4-5]；但還有一些是國內涉及較少的標準，如EN 14363：2016(E)中提出的車輛在準靜態下的車輛脫軌安全性評估。此標準用于評價被試車輛在扭曲狀態下的安全性指標。

扭曲狀態下的車輛運行安全性指標是車輛靜態試驗驗收中的重要指標，因此對車輛靜態性能的研究和動力學模型的驗證具有現實意義。本文介紹了兩種實驗室內模擬車體和轉向架扭曲狀態的試驗方法(無扭曲試驗臺和有扭曲試驗臺)，基于地鐵車輛的扭曲試驗臺建立仿真模型，分析了某出口地鐵車輛的輪重減載行為，并評估了該車輛的行駛安全性。本研究可為地鐵車輛的設計、研發及靜態驗收提供一定的技術支撐。

1 無扭曲試驗臺的扭曲試驗

在實驗室條件下，由于沒有扭曲試驗臺，不能將車輪降低到軌面以下，需要將靜止的車輪提升為等效的幾何體系。一般而言，車輛處于的最不利狀態為車輛的一側車輪處于水平位置，而另一側車輪處于傾斜位置，會導致車輛以最大扭曲狀態出現。車輪抬升量示意圖如圖1所示。

根據EN 14363：2016(E)，轉向架扭曲量gb1和車體扭曲量gc1分別可以表示為：

gb1=7‰， 2ab<4 m

(1)

(2)

圖1 車輪抬升量示意圖Fig.1 Diagram of wheel vertical rise amount

式中：

2ab——測試車輛的轉向架軸距，m；

2ac——測試車輛的車輛定距，m。

本文測試車輛的車輛定距為12.6 m，轉向架軸距為2.5 m。根據式(1)和式(2)可知，轉向架扭曲量為7.00‰，車體扭曲量為3.27‰。則一位輪對、二位輪對、三位輪對和四位輪對的車輪抬升量z1—z4依次可以表示為：

根據車輪抬升量可以測試車輪載重的變化，并計算車輛的輪重減載率指標，進而用于車輛在扭曲狀態下的安全性評估。

2 有扭曲試驗臺的扭曲試驗

2.1 扭曲量計算方法

EN 14363：2016(E)中著重介紹了通過扭曲試驗臺的臺架試驗代替車輛在扭曲軌道上的線路試驗。針對車輛在扭曲試驗臺上的扭曲試驗，主要測試車輛的輪重減載情況，評估指標為輪重減載率。以EN 14363：2016(E)中規定的方法二為例，測試車輛的轉向架扭曲量gb2和車體扭曲量gc2分別為：

(3)

(4)

將測試車輛的車輛定距和轉向架軸距分別代入式(3)和式(4)，可以計算獲得車體和轉向架的扭曲量分別為2.96‰和5.00‰。

2.2 扭曲試驗臺建模

根據扭曲試驗臺特征建立扭曲試驗臺的動力學仿真模型。建立車輛系統動力學模型，車輛采用兩級懸掛，一系懸掛采用鋼彈簧和軸箱轉臂裝置，二系懸掛采用空氣彈簧[6]。在建模過程中，將車體、構架和輪對等部件考慮為剛體，車體和構架具有6個自由度，輪對具有4個自由度，每個軸箱具有1個點頭自由度，整個車輛模型具有42個自由度，車輛部分參數及其取值如表1所示。

表1 車輛部分參數及其取值Tab.1 Some parameters and their values of vehicle

在此基礎上，建立載荷施加裝置模型，由于要在垂直方向上對車輪施加載荷，所以需要一個中間過渡單元。首先，在大地坐標系下建立基于位移載荷變化規律的各載荷曲線對應的作用體A，作用體A在橫向坐標上與車軸中心相同，每條輪對下均建立一個作用體A。然后，建立具有橫向和垂向自由度的作動器單元，將作用體A與作用器單元鉸接，使得作動器具有載荷屬性，進而實現載荷的加載。扭曲試驗臺動力學仿真模型如圖2所示，其中僅標出了四位輪對的作用體A。

圖2 扭曲試驗臺動力學仿真模型Fig.2 Dynamics simulation model of twist test rig

2.3 扭曲量的載荷施加

根據被試車輛是進行車體扭曲試驗還是轉向架扭曲試驗，扭曲試驗臺對每個車輪的扭曲量載荷施加方法不同。考慮單獨車體扭曲的扭曲試驗臺加載方法參考EN 14363：2016(E)，則其實際扭曲量gc3可以表示為：

(5)

其中：Δz21=Δz11;Δz12=-Δz11;Δz22=-Δz11

式中：

Δzij——車輪抬升量；

i——輪對編號，i=1,2,3,4；

j——輪對的左、右側車輪，1表示輪對右側車輪，2表示輪對左側車輪。

同理，單獨轉向架扭曲的扭曲試驗臺加載方法參照EN 14363：2016(E)，則其實際扭曲量gb3可以表示為：

(6)

此外，EN 14363：2016(E)中還規定了車體扭曲和轉向架扭曲同時試驗的方法。在扭曲試驗臺上加載如圖3所示的位移載荷變化曲線。其中，一位輪對和二位輪對左右兩側位移載荷的施加方向是相反的，即左右兩側的位移載荷大小相同、方向相反。

圖3 扭曲試驗臺位移載荷變化曲線Fig.3 Change curve of displacement load on twist test rig

3 仿真分析

利用所建立的扭曲試驗臺模型在試驗臺上施加位移載荷變化曲線，仿真并分析車輛在空氣彈簧有氣和空氣彈簧失氣兩種狀態下的輪重減載情況，判斷車輛的輪重減載率是否滿足標準限值要求。

3.1 空氣彈簧有氣狀態

在扭曲試驗臺上，被試車輛在空氣彈簧有氣狀態下的前后轉向架輪軌垂向力變化趨勢如圖4所示。由圖4可知：在扭曲位移載荷作用下，車輪垂向力存在明顯的增載和減載交替變化趨勢，且左右兩側車輪的垂向力交替方向是相反的，這與加載的位移載荷方向一致；對于前轉向架而言，一位輪對和二位輪對施加的位移載荷變化趨勢不同，車輪垂向力變化趨勢存在明顯差異；對于后轉向架而言，由于沒有加載位移載荷，三位輪對和四位輪對的輪軌垂向力變化規律類似，差異較小；一位輪對的輪軌垂向力最大值和最小值分別位69.64 kN和25.53 kN。在空氣彈簧有氣狀態下，前轉向架一系懸掛的垂向位移變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，一系懸掛的垂向位移變化趨勢與輪軌垂向力的變化趨勢相同，一位輪對左側和右側有最大的垂向位移變化量。

圖4 空氣彈簧有氣狀態下前后轉向架的輪軌垂向力變化趨勢

圖5 空氣彈簧有氣狀態下前轉向架一系懸掛的垂向位移變化趨勢

在扭曲載荷下，根據圖4中的輪軌垂向力變化趨勢可以分析獲得相應的輪重減載率，如表2所示。由表2可知，整輛車的輪軌垂向力最小值出現在一位輪對，其大小為25.53 kN，相應的最大輪重減載率為0.46，小于標準規定限值0.60，滿足標準要求。由于輪對左右兩側施加的位移載荷大小相同，所以左右兩側車輪的輪重減載率大小基本一致。

表2 空氣彈簧有氣狀態下的輪重減載率Tab.2 Wheel weight unloading ratio with air spring inflated

3.2 空氣彈簧失氣狀態

在空氣彈簧失氣狀態下，空氣彈簧剛度由應急簧剛度提供，二系懸掛垂向剛度明顯增大，勢必會對扭曲狀態下的車輛運行安全性產生明顯的影響。因此有必要分析空氣彈簧失氣狀態下，車輛在扭曲試驗臺上的輪重減載性能。

圖6 空氣彈簧失氣狀態下前后轉向架的輪軌垂向力變化趨勢Fig.6 Wheel/rail vertical force change tendency of front and rear bogies with air spring deflated

空氣彈簧失氣狀態下，前后轉向架的輪軌垂向力變化趨勢如圖6所示。由圖6可知：空氣彈簧失氣狀態下的輪軌垂向力變化趨勢與空氣彈簧有氣狀態下的輪軌垂向力變化趨勢類似，均與扭曲試驗臺施加的位移載荷相關，與轉向架的懸掛參數無關；在空氣彈簧無氣狀態下，輪軌垂向力的增載量和減載量明顯大于空氣彈簧有氣狀態下的分析結果，輪軌垂向力最大值和最小值分別為75.57 kN和19.65 kN，說明二系懸掛參數對車輛的抗扭曲性能影響明顯。空氣彈簧失氣狀態下，前轉向架一系懸掛的垂向位移變化趨勢如圖7所示。由圖5和圖7可知，空氣彈簧失氣和有氣狀態下的垂向位移變化趨勢相同，但其幅值上存在一定差異，空氣彈簧失氣狀態下的一系懸掛垂向位移變化量更大，說明車輛存在更大的增減載狀態，與輪軌垂向力的分析結果一致。

圖7 空氣彈簧失氣狀態下前轉向架一系懸掛的垂向位移變化趨勢

空氣彈簧失氣狀態下的輪重減載率如表3所示。由表3可知，整輛車的車輪輪軌垂向力最小值出現在一位輪對，其大小為19.65 kN，相應的最大輪重減載率為0.59，小于標準規定限值0.60，滿足標準要求。由表2和表3可知，空氣彈簧失氣狀態下的車輪輪重減載率均大于空氣彈簧有氣狀態下的值。

表3 空氣彈簧失氣狀態下的輪重減載率Tab.3 Wheel weight unloading ratio with air spring deflated

4 結語

基于EN 14363：2016(E)的扭曲安全性試驗在國內車輛驗收中涉及較少的情況，本文首先基于EN 14363：2016(E)詳細闡述了實驗室內有無扭曲試驗臺情況下的兩種扭曲試驗方法，建立了扭曲試驗臺仿真模型，并分析了在空氣彈簧有氣和無氣狀態下的車輛輪重減載情況。計算結果表明，兩種狀態下的車輛輪重減載率均滿足標準要求，且二者在數值上存在明顯差異，說明空氣彈簧剛度對車輛的抗扭曲安全性有明顯的影響。