智軌電車軸重分配與調(diào)節(jié)方法的研究與應(yīng)用

崔世齊,肖 磊,楊 勇,劉 彪,閭志明,周承明

1.湖南中車智行科技有限公司,湖南 長沙 410006

2.湖南省多鉸接膠輪運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410006

0 引言

輪載分布是車輛穩(wěn)定性和安全性的一個重要參數(shù),輪重、軸重偏差會使得車輪與路面接觸的面積和壓力分布發(fā)生變化,導(dǎo)致車輛加速性能不穩(wěn)定;使制動力分布不均,導(dǎo)致車輛的制動性能不均衡;對車輛的懸架系統(tǒng)產(chǎn)生不均勻的負(fù)荷,影響懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命;使得車輛輪胎的磨損不均勻,縮短輪胎的使用壽命,增加車輛運(yùn)營成本;使車輛的重心發(fā)生偏移,車輛在行駛過程中容易發(fā)生側(cè)翻或失控。因此,新造車輛必須滿足我國對城市軌道車輛的軸重、輪重偏差的規(guī)定。

文獻(xiàn)[1]針對五模塊鉸接式浮車型有軌電車重量計算和設(shè)備布局優(yōu)化方法開展研究,實現(xiàn)設(shè)備布置優(yōu)化效率大幅提高,整備狀態(tài)下的軸重偏差與輪重偏差優(yōu)化到0,實現(xiàn)滿座、額載和超重工況下輪重偏差均小于1.5%;文獻(xiàn)[2]以鉸接式動車組為計算模型,詳細(xì)闡述了鉸接式軌道車輛軸重、輪重的計算方法和過程;文獻(xiàn)[3]根據(jù)儲能式現(xiàn)代有軌電車的結(jié)構(gòu)特性,推導(dǎo)了車輛軸重和輪重計算方法,運(yùn)用此方法編寫相關(guān)計算文件并對車輛進(jìn)行了軸重和輪重計算;文獻(xiàn)[4]基于分析力學(xué),開發(fā)了位移彈簧、重力力元,編寫了多體系統(tǒng)動力學(xué)靜平衡程序,分析了車體重心偏移和一系彈簧加墊量對機(jī)車軸重分配的影響;文獻(xiàn)[5]針對車輛的同軸輪重偏差問題,在 SIMPACK 中建立了具有不同輪重偏差情況的地鐵車輛動力學(xué)模型,研究輪重偏差與其脫軌系數(shù)和輪重減載率的關(guān)系;文獻(xiàn)[6]研究了多鉸接五模塊低地板車的軸重均衡化方法,提出了一種全新的軸重均衡化方法,即鉸鏈調(diào)整法。

在以上基礎(chǔ)上,本文以三編組智軌電車為計算模型,詳細(xì)闡述智軌電車軸重、輪重的計算方法和過程,通過增加電子控制空氣懸架系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輪重和軸重偏差,優(yōu)化智軌電車輪重和軸重偏差問題,使其結(jié)果明顯優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 智軌電車車軸分布

三模塊智軌電車采用“=Mc1+Tp(M)+Mc2=”編組(見圖1),分為Mc1車、Tp(M)車和Mc2車3個模塊,整車配置6個單軸膠輪轉(zhuǎn)向架,該型車輛每個模塊配置2 個膠輪轉(zhuǎn)向架,車輛共包含2(4)個動力轉(zhuǎn)向架和4(2)個非動力轉(zhuǎn)向架,轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪型式。各模塊間通過雙鉸接盤連接,主要允許車輛模塊在一定范圍內(nèi)繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動。

圖1 三模塊智軌電車編組形式

2 智軌電車軸重計算方法

2.1 車輛重量計算模型簡化

考慮到雙鉸接裝置處承受的附加垂向力可忽略不計,將車輛從雙鉸接通道處斷開,分為Mc1車、Tp(M)車和Mc2車3個模塊。將單模塊車輛分成2部分進(jìn)行計算,如圖2所示:單模塊簧上部分作為一個剛體,每個單軸轉(zhuǎn)向架的2 個空氣彈簧對車輛模塊的支持力簡化為2個中心支持力處理。

圖2 單模塊車輛簧上和簧下部分

2.1.1 符號和含義

模型計算過程中所使用的符號和含義如表1所示。

表1 計算用參數(shù)與符號

2.1.2 力的傳遞路徑

智軌電車每個模塊(Mc1車、Tp(M)車和Mc2車)的受力傳遞路徑為:車體安裝設(shè)備—車體—空簧— 懸架—車輪—地面。簧上和簧下設(shè)備受力分析如圖3和圖4所示。

圖3 簧上部分設(shè)備受力分析

圖4 簧下部分設(shè)備受力分析

2.1.3 坐標(biāo)系規(guī)定

以轉(zhuǎn)向架1軸幾何對稱中心在地面的投影為原點(diǎn),建立坐標(biāo)系。 坐標(biāo)系的x軸為車輛的縱向中心線,x軸正向指向司機(jī)室方向。站在車輛內(nèi)部面向司機(jī)室方向,左手邊為y軸正向,z軸為垂向中心線,向上為正方向,坐標(biāo)系符合右手定則。坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 智軌車輛模型計算坐標(biāo)系

圖6 智軌電車車頂設(shè)備布置

2.2 簧上總成重量和重心計算

簧上總成(車體以及車體上所有安裝的設(shè)備)的重量和重心為各系統(tǒng)重量和重心的加權(quán)平均值(以下討論若是沒有特殊說明,都是對Mc1模塊進(jìn)行分析)。簧上總成重量和重心計算如下。

(1)

2.3 軸重及輪重計算方法

Mc1車輛模塊平行力系方程如下。

(2)

(3)

Mc1車輛模塊簧上總成受力分析如下。

(4)

Mc1車輛模塊簧下總成受力分析如下。

(5)

(6)

2.4 輪重的不平衡率計算

根據(jù)《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》對我國的城市軌道車輛的輪、軸重偏差的規(guī)定,同一動車的每根動軸上所測得的軸重與該車各動軸實際平均軸重之差應(yīng)為實際平均軸重的±2%;每個車輪的實際輪重與該軸2輪平均輪重之差為該軸2輪平均輪重的±4%。動軸偏差(Rz)和輪重偏差(Rw)計算如下。

動軸偏差(Rz):

{Rz={FZn-(Fz(2i-1)-Fz(2i))/2)/((Fs(2i-1)+Fz(2i))/2)×100%

(7)

式中:i為模塊,例如i=1表示計算的是模塊1動軸偏差,i的取值范圍與智軌車輛編組有關(guān),本文模型以三遍組智軌車輛進(jìn)行計算,因此i的取值范圍是i=1、2、3。

輪重偏差(Rw):

(8)

2.5 設(shè)備布局與軸重計算結(jié)果

根據(jù)上述模型,分別求解出4個膠輪所受的支持力FL1、FL2、FL3、FL4,以及車輪輪重平均值的偏差(Rw)。同理,可分別求解出M車和Mc2車2個模塊膠輪所受的支持力。

以某個編組形式為“=Mc1+Tp+Mc2=”項目中的智軌電車為例進(jìn)行計算,此車輛共包含2個動力轉(zhuǎn)向架(軸1和軸6)和4個非動力轉(zhuǎn)向架。根據(jù)式(1)計算出簧上總成(車體以及車體上所有安裝的設(shè)備)的重量和重心坐標(biāo),為減小輪重的不平衡,設(shè)備布局應(yīng)盡量對稱布置,優(yōu)化后的智軌電車車頂設(shè)備布置結(jié)果如圖 6所示 (其他位置設(shè)備布局優(yōu)先對稱布置,智軌電車Mc1車和Mc2設(shè)備布局中心對稱)。

根據(jù)式(2)～(6)計算出智軌電車各膠輪理論載荷。編組型式為“=Mc1+Tp+Mc2=”項目中的智軌電車,模塊1和模塊3均有且只有1個軸為動軸,因此式(7)不再適用,計算動軸偏差沒有意義。根據(jù)式(8)計算出智軌電車各軸輪重的偏差,如圖7所示。車輛過檢測線實際稱重計算出各軸實際輪重偏差數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各軸實際輪重偏差

圖7 各軸左右輪重偏差

根據(jù)圖7與表2,可得出車輛在不同工況下輪重偏差的實際與理論計算偏差數(shù)據(jù),如圖8～10所示。

圖8 AW0工況下輪重偏差的實際值與理論計算值

圖9 AW2工況下輪重偏差的實際值與理論計算值

圖10 AW3工況下輪重偏差的實際值與理論計算值

理論與實際數(shù)據(jù)計算結(jié)果表明:某個編組型式為“=Mc1+Tp+Mc2=”項目中的智軌電車左右輪重偏差控制在4.1%以內(nèi),非常接近《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》對我國的城市軌道車輛的輪重偏差的規(guī)定;帶司機(jī)端車軸(軸1和軸6)相比其他車軸明顯受到壓力更大。由于在建立模型時對模型進(jìn)行了簡化處理,計算簧上總成的重量和重心坐標(biāo)時采用加權(quán)平均值也會存在一定誤差,最終導(dǎo)致輪重偏差的實際值與理論計算值有較大偏差,在AW0工況下偏差最大為3.34%。隨著載客量增加,車輛工況由AW0到AW3,輪重偏差的實際值與理論計算值偏差越來越小。

3 電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化輪重和軸重偏差

通過第2節(jié)的模型計算與實際校核,發(fā)現(xiàn)AW0工況下軸2和軸5的輪重偏差為6.03%,已經(jīng)不再滿足《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》要求,因此采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)來優(yōu)化輪重和軸重偏差。

智軌電車電子控制空氣懸架系統(tǒng)(electronically coutrolled suspension,ECAS)可保證車輛在不同工況下,通過調(diào)整懸架氣囊內(nèi)部氣壓,以充放氣的方式保證氣囊高度在設(shè)置范圍內(nèi),懸架系統(tǒng)和ECAS系統(tǒng)如圖11和圖12所示。ECAS系統(tǒng)可以兩點(diǎn)和單點(diǎn)(雙閥和單閥)2種形式控制車軸高度。兩點(diǎn)控制高度的車軸:單側(cè)氣囊氣壓較大的情況下,電磁閥打開閥門嘗試對氣囊補(bǔ)氣提升側(cè)簧下高度;單點(diǎn)控制高度的車軸:當(dāng)單側(cè)充氣和放氣時,另一側(cè)同步進(jìn)行。兩點(diǎn)和單點(diǎn)控制對氣囊進(jìn)行充氣和放氣時,要保證兩側(cè)高度、氣壓值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。ECAS系統(tǒng)控制形式和原理如圖13和圖14所示。

圖11 懸架系統(tǒng)

圖12 ECAS系統(tǒng)

圖13 ECAS系統(tǒng)控制形式

圖14 ECAS系統(tǒng)控制原理

在車輛設(shè)備布局與第2節(jié)描述差異很小的情況下,以某個編組型式為“=Mc1+M+Mc2=”項目中的智軌電車為例進(jìn)行計算分析,車輛共包含4個動力轉(zhuǎn)向架和2個非動力轉(zhuǎn)向架(軸1和軸6)。車輛過檢測線實際稱重計算出輪重偏差數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 優(yōu)化后各軸實際輪重偏差

電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后,不同工況下各軸左右輪重偏差值實際數(shù)據(jù)如圖15所示;電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后,不同工況下各動軸偏差值數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖15 ECAS系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后各軸左右輪重偏差值實際數(shù)據(jù)

圖16 ECAS系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后各動軸偏差值數(shù)據(jù)

模塊2(M車)動軸偏差如表5所示。實際數(shù)據(jù)計算結(jié)果表明,某個編組型式為“=Mc1+M+Mc2=”項目中的智軌電車采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)可以很好地優(yōu)化智軌電車輪重和軸重偏差;采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化后的輪重偏差控制在3.25%以內(nèi);采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化后的動軸偏差控制在1.36%以內(nèi);采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化后滿足《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》對我國城市軌道車輛輪重偏差的規(guī)定。

表5 模塊2(M車)動軸偏差

4 結(jié)論

本文提出了三模塊智軌電車輪重與動軸重計算方法,并基于此方法,通過電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化輪重和軸重偏差,使其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,最終實物通過驗證,形成如下結(jié)論。

1)通過簡化智軌電車受力建立的剛體計算模型,具有簡單可用的優(yōu)點(diǎn),能用于智軌電車三編組和多編車輛的輪重、軸重分布計算,能夠為整車結(jié)構(gòu)設(shè)計和檢修維護(hù)提供較為精確的參考。

2)智軌電車采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)對輪重、軸重分布進(jìn)行優(yōu)化,使得在AW0、AW2和AW3實際工況下輪重和軸重偏差均分別小于3.52%和1.36%,低于IEC 61133:2006標(biāo)準(zhǔn)輪重差許用值4%和2%。