王玉梅， 揭長安， 張艷杰， 馬衛(wèi)華

(1.天津機輛軌道交通裝備公司，天津300232;2.西南交通大學機車車輛研究所，四川成都610031)

0 前言

車輛動力仿真在設(shè)計階段可以預測車輛運行性能，進行方案篩選和優(yōu)化參數(shù)，同樣可以研究所采用的零部件對車輛各項運行性能的影響和優(yōu)化車輛性能，現(xiàn)利用車輛縱向動力學方法分析緩沖器的動態(tài)阻抗特性對車體縱向沖動的影響［1］。

緩沖器的容量決定于沖擊車和被沖擊車的質(zhì)量以及和沖擊時兩車的相對運動速度，車輛質(zhì)量愈大，沖擊速度愈高，則要求緩沖器的容量也愈大［1］。國外密接式車鉤緩沖裝置的緩沖器容量都比較小，沙庫自動密接式車鉤緩沖裝置的緩沖器容量為17～22 kJ，而日本高速列車車鉤緩沖裝置的緩沖器容量卻不超過10 kJ［2］，然而，目前國內(nèi)沒有理論方法準確計算輕軌車輛所需的緩沖器容量，而是參考鐵道客車的標準提出了輕軌車輛用緩沖器的性能指標為≤30 kJ。與國外車鉤緩沖裝置相比，在確定合理的緩沖器容量與恰當?shù)膭偠惹€，改善鉤緩裝置緩和列車沖擊的性能方面還要進一步完善和提高。

城軌車輛采用了動力分散的模式，且編組數(shù)量較少，在正常工況下，鉤緩裝置受力較小，所以利用動力學分析方法，計算緩沖器動態(tài)阻抗特性改變前后的列車縱向沖動，在滿足性能和安全要求的前提下，輕軌用緩沖器的動態(tài)阻抗力和容量可以適當減小。

1 車輛動力學模型建立

根據(jù)密接式鉤緩裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合天津地鐵車輛，建立了詳細的列車動力學模型。天津地鐵一般采用4節(jié)或6節(jié)編組，對于4節(jié)編組來說，采用兩動兩拖的組合方式。一節(jié)動車和一節(jié)拖車組成一個基本單元，中間通過半永久車鉤連接，兩個單元之間通過半自動車鉤連接在一起，半主動車鉤具有緩沖器和車鉤自動復位裝置，而相連接的兩個半永久鉤緩系統(tǒng)，僅有一個緩沖器，無自動復位裝置。對于6節(jié)編組的列車模型，采用3動、3拖的方式組成。在本次分析中，為了研究鉤緩系統(tǒng)對列車縱向沖動的影響，采用6節(jié)編組列車模型，應(yīng)用SIMPACK建立列車模型［3-4］。

2 緩沖器動態(tài)阻抗特性對列車縱向沖動的影響

2.1 縱向沖擊響應(yīng)

對于城軌車輛來說，由于采用了動力分散模式，同時，列車編組數(shù)量較小，一般采用4節(jié)編組或6節(jié)編組，因而，在正常運行工況下，鉤緩系統(tǒng)受力較小，因而從這個角度考慮，緩沖器的動態(tài)阻抗力和緩沖器容量可以適當降低。圖1、圖2為實際緩沖器阻抗特性及改進后的阻抗特性曲線。

圖1 實際緩沖器阻抗特性

圖2 改進后緩沖器阻抗特性

圖1中顯示緩沖器的最大阻抗力為680 kN，圖2中顯示改進后的最大阻抗力為500 kN。

由于列車采用動力分散模式，因而3個動車都提供啟動牽引力，通過計算，每輛車所受的車鉤力如圖3所示，最大車鉤力小于50 kN，所以在以下計算工況中取縱向沖擊力的極限值為50 kN。

由城軌列車的設(shè)計參數(shù)可知，緩沖器的初壓力≤30 kN，對于動力分散的城軌列車來說，緩沖器的初壓力越小越有利于降低列車啟動時的縱向沖動以及改善列車對縱向沖擊，尤其是小沖擊的緩沖。

圖3 動力分散模式啟動工況下的車鉤力

因此，選擇最惡劣的工況進行分析，即分析30 kN初壓力時，在50 kN的縱向沖擊力作用下，動態(tài)阻抗特性改進前后各車的縱向加速度的響應(yīng)情況如圖4、圖5。

圖4 改進前車體二縱向加速度

圖5 改進后車體二縱向加速度

顯然，緩沖器動態(tài)阻抗特性改進前后，對車體縱向沖擊的加速度響應(yīng)沒有明顯變化，但是車體在受到?jīng)_擊后的響應(yīng)值有所減小，有利于改善列車的縱向沖擊現(xiàn)象。適當降低緩沖器動態(tài)阻抗特性能夠滿足列車運行要求。

2.2 僅有動車制動時的縱向沖擊響應(yīng)

由于輕軌列車采用動力分散式，在制動工況下，動車、拖車均制動時，車鉤力比采用動力集中式的最大車鉤力要小的多。但是僅動車提供制動力時所受車鉤力比所有車輛均提供制動力的情況下要大，以動力分散式僅動車提供制動力時的工況進行計算。

首先給出既有緩沖器特性下的計算結(jié)果，如圖6、圖7所示。

采用改進緩沖器阻抗特性方案時的結(jié)果如圖8、圖9。

圖6 各車鉤所受車鉤力

圖7 車體縱向振動加速度(車體六為例)

圖8 改進后各車鉤所受車鉤力

圖9 改進后車體縱向振動加速度(以車體六為例)

在制動工況下，緩沖器動態(tài)阻抗特性改進前后，各車體所受車鉤力及縱向沖擊的加速度沒有明顯變化，因此適當降低緩沖器動態(tài)阻抗特性能夠滿足列車運行要求。

3 結(jié)論

通過建立6編組輕軌車輛的動力學模型，分析了動態(tài)阻抗特性改進前后各車的縱向沖動和僅有動車制動時車鉤力和縱向振動加速度，結(jié)果表明，改變后的動態(tài)阻抗特性使車體受到?jīng)_擊后的響應(yīng)有所減小，有利于改善列車的縱向沖擊現(xiàn)象，改善鉤緩裝置的受力情況，為以后緩沖器動態(tài)阻抗特性的選擇提供了一種思路，在滿足要求的前提下，可以降低緩沖器的動態(tài)阻抗力和容量，不僅可以改善列車的縱向沖動，提高緩沖器的使用壽命，而且能夠降低制造成本。

［1］蔣有緒，傅茂海.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］李瑞淳.高速列車及提速列車車鉤緩沖裝置研究［J］.鐵道機車車輛，2004，24(6):15.

［3］繆炳榮.Simpack動力學分析基礎(chǔ)教程［M］.成都:西南交通大學出版社，2007.

［4］Mohle N.Performance study of polymer spring for faiveily automatic coupler draft gear［R］.Datong:NCR Datong Electric Locomotive Co.，LTD.，2008.