多鉸接低地板有軌電車動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析

劉春洋， 黃 龍， 呂常秀

（中鐵合肥新型交通產(chǎn)業(yè)投資有限公司， 安徽 合肥 231617）

0 引言

有軌電車是城市軌道交通的構(gòu)成系統(tǒng)之一，其載客運(yùn)輸能力介于地鐵與公共汽車之間。有軌電車的一個(gè)顯著特點(diǎn)為車廂地板面距軌面的距離?。?00%低地板有軌電車的車廂地板面與軌面的距離在400 mm以下），具有乘客上下車便捷、環(huán)保、節(jié)能和建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

有軌電車根據(jù)轉(zhuǎn)向架與車體模塊的安裝方式和匹配關(guān)系，一般可分為單車型、浮車型、鉸接型。單車型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每個(gè)車體模塊僅安裝1 個(gè)轉(zhuǎn)向架，浮車型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每間隔1 個(gè)車體模塊安裝1 個(gè)轉(zhuǎn)向架，而鉸接型有軌電車是2 個(gè)車體模塊之間通過(guò)鉸接轉(zhuǎn)向架進(jìn)行連接[3]。

1 列車編組

1.1 列車總體方案

有軌電車采用5 模塊編組，為浮車型結(jié)構(gòu)，模塊之間通過(guò)風(fēng)擋鉸接裝置連接；車輛最高運(yùn)營(yíng)速度70 km/h，構(gòu)造速度80 km/h，軸重≤12.5 t。編組形式為：=Mc1+F1+T+F2+Mc2=，其中：Mc 車輛模塊設(shè)有司機(jī)室，并在車體底架區(qū)域安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；T 車輛模塊的兩端均采用風(fēng)擋鉸接結(jié)構(gòu)，并在車體底架區(qū)域安裝非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；F 為無(wú)轉(zhuǎn)向架支撐、兩端均為風(fēng)擋鉸接結(jié)構(gòu)的車輛懸浮模塊；=為連掛車鉤；+為風(fēng)擋鉸接結(jié)構(gòu)。

1.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸

列車長(zhǎng)度（車鉤連接面之間長(zhǎng)度）為34 120 mm；車輛寬度為2 650 mm；車輛高度（車頂設(shè)備箱頂部）為3 600 mm；客室地板面高度為350 mm；貫通道可通過(guò)寬度為1 750 mm；貫通道高度為2 100 mm；車輛定距為11 420 mm；軸距為1 850 mm；車輪直徑為新輪600 mm/磨耗到限520 mm。

2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架分為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架裝置、輪對(duì)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、附件等組成。構(gòu)架裝置采用鋼板焊接箱形梁結(jié)構(gòu)；輪對(duì)裝置采用傳統(tǒng)車軸，內(nèi)置式軸箱；牽引電機(jī)和齒輪箱為架懸結(jié)構(gòu)，固定在構(gòu)架上；一系懸掛裝置采用金屬圓錐橡膠彈簧，二系懸掛裝置采用沙漏簧承載結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用液壓制動(dòng)單元及磁軌制動(dòng)器；動(dòng)力轉(zhuǎn)向架前端設(shè)置掃石器、撒砂及輪緣潤(rùn)滑裝置。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置，并在取消齒輪箱的一側(cè)增加一套液壓制動(dòng)單元。

構(gòu)架采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，由側(cè)梁、橫梁、端梁及各安裝座組焊而成。構(gòu)架主要鋼板的材料為Q355NE。

輪對(duì)裝置主要由車軸、彈性車輪、軸箱體、軸箱軸承、軸承端蓋等構(gòu)成。車軸材料為EA1N，其結(jié)構(gòu)包含輪座、軸承座、軸承定位結(jié)構(gòu)和制動(dòng)盤安裝接口。彈性車輪包括輪芯、彈性體、輪箍和擋圈等；采用彈性車輪可降低車輛運(yùn)行噪音，并緩和車輛振動(dòng)，減小車輛輪軌動(dòng)態(tài)作用力。

牽引電機(jī)采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式；齒輪箱采用一級(jí)螺旋錐齒輪和一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)方式，其輸入端通過(guò)膜片聯(lián)軸節(jié)與牽引電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力傳遞，通過(guò)法蘭與電機(jī)外殼形成剛性連接；其輸出端通過(guò)鼓型齒和楔形橡膠塊聯(lián)軸節(jié)與輪芯連接，傳遞牽引力和電制動(dòng)力。

一系懸掛采用金屬圓錐橡膠彈簧，上部與構(gòu)架通過(guò)螺栓連接，下部通過(guò)銷軸與軸箱彈簧座連接；金屬圓錐橡膠彈簧緩和來(lái)自軌道的沖擊，并傳遞縱向力和橫向力。二系懸掛采用4 個(gè)沙漏簧承載車體，沙漏簧與構(gòu)架、車體分別通過(guò)銷軸進(jìn)行定位。在車體與轉(zhuǎn)向架之間設(shè)置垂向、橫向油壓減振器，用于衰減車體的垂向、橫向振動(dòng)。

車體和轉(zhuǎn)向架之間的縱向作用力的傳遞通過(guò)單拉桿牽引裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。牽引拉桿兩端設(shè)有彈性橡膠節(jié)點(diǎn)，在加速和減速時(shí)能良好地緩和沖擊。

3 建立有軌電車動(dòng)力學(xué)模型

3.1 動(dòng)力學(xué)模型

該有軌電車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為浮車型鉸接結(jié)構(gòu)，因此在建立模型時(shí)將其視為整體建模。在SIMPACK 軟件環(huán)境下建立的動(dòng)力學(xué)模型如圖1 所示。有軌電車系統(tǒng)包含5 個(gè)車體、3 個(gè)構(gòu)架、6 個(gè)輪對(duì)、12 個(gè)軸箱、4 個(gè)牽引電機(jī)，共計(jì)30 個(gè)剛體、70 個(gè)自由度。軸箱與構(gòu)架之間、構(gòu)架與車體之間通過(guò)彈性阻尼力元連接，金屬圓錐橡膠彈簧、沙漏簧、油壓減振器及彈性止擋元件設(shè)置為非線性力元。在本次計(jì)算中，有軌電車轉(zhuǎn)向架的車輪踏面是特殊型踏面，鋼軌外形為60R2 槽型軌。

圖1 有軌電車動(dòng)力學(xué)模型

3.2 計(jì)算工況

采用SIMPACK 軟件計(jì)算分析有軌電車的動(dòng)力學(xué)性能，分析計(jì)算工況包括：列車AW0（空載）工況、新輪狀態(tài)；列車AW3（重載）工況、新輪狀態(tài)。

3.2.1 直線運(yùn)行品質(zhì)

線路條件：直線線路，美國(guó)5 級(jí)線路普。

仿真速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h。評(píng)價(jià)指標(biāo)有橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、乘坐舒適度、橫向加速度、垂向加速度。

3.2.2 曲線通過(guò)安全性

線路工況：R30 m、R100 m、R200 m、R300 m 曲線線路，美國(guó)5 級(jí)線路普。

仿真速度如表1 所示。評(píng)價(jià)指標(biāo)有脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力。

表1 曲線參數(shù)

4 列車動(dòng)力學(xué)性能分析

4.1 直線運(yùn)行品質(zhì)分析

1）有軌電車AW0、AW3 工況在直線線路上運(yùn)行時(shí)，各車廂的橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性仿真結(jié)果如圖2、圖3 所示。從圖中可以得知：在80 km/h 速度范圍內(nèi)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2.5，達(dá)到GB 5599 標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)級(jí)指標(biāo)要求。另外在這2 種計(jì)算工況下，由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架承受的軌道沖擊較非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架較大，加之牽引力和制動(dòng)力的影響，導(dǎo)致Mc1車和Mc2 車的平穩(wěn)性數(shù)值較其他3 個(gè)車廂要稍大。

圖2 列車AW0工況平衡性指標(biāo)

圖3 列車AW3 工況平穩(wěn)性指標(biāo)

2）有軌電車AW0、AW3 工況下各車廂的舒適度仿真結(jié)果如圖4、圖5 所示。有軌電車乘坐舒適度指標(biāo)按照GB 5599 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。從圖中可以得知：在80 km/h 速度范圍內(nèi)，均能達(dá)到“舒適”指標(biāo)。同樣受限于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的影響，Mc1 車和Mc2 車的舒適度數(shù)值較其他3 個(gè)車廂要稍大。

圖4 列車AW0工況舒適度指標(biāo)

圖5 列車AW3 工況舒適度指標(biāo)

3）根據(jù)GB 5599 標(biāo)準(zhǔn)，客車最大橫向加速度和垂向加速度不能超過(guò)2.5 m/s2。從有軌電車AW0、AW3工況的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可知：有軌電車各車廂最大橫向加速度和垂向加速度未超過(guò)限值。

4.2 曲線通過(guò)安全性分析

在不同的曲線線路條件和運(yùn)行速度下，分析了有軌電車脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力，以此評(píng)價(jià)列車通過(guò)曲線的安全性。

4.2.1 脫軌系數(shù)

有軌電車以不同速度通過(guò)不同的曲線線路時(shí)，AW0 和AW3 工況下的脫軌系數(shù)均小于0.68，有軌電車在AW3 工況下的脫軌系數(shù)值見表2。因此，有軌電車在AW0 和AW3 工況下，各車輪的脫軌系數(shù)均小于GB 5599 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.8 限值，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 AW3 工況下的脫軌系數(shù)

4.2.2 輪重減載率

依據(jù)GB5599 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輪重減載率應(yīng)不大于0.8。有軌電車在AW3 工況下的輪重減載率數(shù)值見表3。可知列車以不同速度通過(guò)不同的曲線線路時(shí)，AW0和AW3 工況下的輪重減載率均小于0.8，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 AW3 工況下的輪重減載率

4.2.3 輪軸橫向力

依據(jù)GB 5599 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最大輪軸橫向力按下述公式評(píng)定：

式中：H為最大輪軸橫向力；Pst1為左側(cè)車輪靜載重；Pst2為右側(cè)車輪靜載重。從動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果可知，有軌電車通過(guò)不同的曲線線路時(shí)，AW0 和AW3 工況下的輪軸橫向力均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

5 結(jié)論

1）有軌電車在80 km/h 速度范圍內(nèi)行駛于直線線路時(shí)，橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2.5，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)級(jí)指標(biāo)要求；乘坐舒適度達(dá)到“舒適”指標(biāo)要求；最大橫向加速度、最大垂向加速度均未超過(guò)2.5 m/s2限值。

2）有軌電車在計(jì)算速度內(nèi)通過(guò)不同曲線線路時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等安全性指標(biāo)均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。