付 彬，羅世輝，馬衛(wèi)華，唐 陽

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 峨眉校區(qū) 機械工程系，四川 峨眉 614200）

1 引言

目前我國各大城市的地鐵車輛最高運用的速度通常在（70～80）km/h。然而隨著城市地域規(guī)模的擴大，城市生活節(jié)奏的加快，人們對城市軌道交通的運用速度提出更高的要求。深圳最新建成的地鐵11號線最高速度已經(jīng)達到120km/h。此外，市域列車作為一種新型的交通模式也提出了（120～140）km/h的運用目標速度[1]。因此探究滿足地鐵車輛提速要求的轉(zhuǎn)向架設(shè)計方法具有重要的研究價值。從動力學角度對地鐵車輛提速方案進行研究應關(guān)注車輛的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、曲線通過性能三個方面。車輛的穩(wěn)定性在一定程度通過車輛的臨界速度來表征，一旦車輛運營速度超過臨界速度，車輛產(chǎn)生蛇行運動，車輛失穩(wěn)造成平穩(wěn)性明顯下降[2]。對地鐵車輛提速的轉(zhuǎn)向架設(shè)計應以提高車輛臨界速度為首要目標，同時保證車輛的平穩(wěn)定和曲線通過性能，最終提出滿足動力學要求的車輛提速轉(zhuǎn)向架建議方案，為提速地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架設(shè)計提供依據(jù)。

2 轉(zhuǎn)向架參數(shù)對地鐵車輛提速的分析

機車提速問題的研究起步相對較早，國內(nèi)外學者圍繞提高機車橫向穩(wěn)定性問題展開研究，指出機車定距、軸距、一系軸箱定位剛度、車輪踏面斜率、輪軌蠕滑系數(shù)、減振器阻尼等參數(shù)均對機車穩(wěn)定性有顯著影響[3-5]。地鐵車輛和機車因不同的運用特點，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和參數(shù)存在一定的差異，所以對地鐵車輛提速問題進行研究可借鑒兩軸機車提速的有關(guān)研究，同時也須考慮地鐵車輛軸重輕、曲線半徑小等特點。從轉(zhuǎn)向架參數(shù)設(shè)計角度出發(fā)，以各參數(shù)變化對車輛穩(wěn)定性影響的靈敏度為依據(jù)，選擇了車輛軸距、一系定位剛度，二系橫向減振器阻尼、二系水平剛度四組重要參數(shù)，分析該參數(shù)對地鐵車輛提速的動力學影響。

3 模型介紹

以國內(nèi)某地鐵車輛為參照進行建模分析。該車輛最高運營速度為80km/h，軸距為2.1m，電機剛性固定于構(gòu)架，抱軸齒輪箱懸吊于構(gòu)架上。轉(zhuǎn)向架一系懸掛由兩個圓錐橡膠件來實現(xiàn)，每個軸箱的三向剛度均由兩個橡膠件合成剛度構(gòu)成。二系懸掛采用空氣彈簧及高度調(diào)整閥，每個空氣彈簧有獨立的垂向減振器，每個轉(zhuǎn)向架中間布置有一個橫向減振器。為模型不失一般性，選擇S1002踏面和UIC 60鋼軌。在SIMPACK軟件中建立上述動力學仿真模型，如圖1所示。

高孟平要求，下一步各單位要著眼長遠，系統(tǒng)性推進全員安全能力和企業(yè)安全文化建設(shè)，一是持續(xù)鞏固“三種人”管理成效，抓實一線人員基本技能提升;二是深化安全教育培訓，全面提升員工安全能力;三是嚴管厚愛，確?；疽?guī)章制度剛性執(zhí)行;四是加強組織領(lǐng)導，系統(tǒng)性推進公司安全文化建設(shè)。

4 轉(zhuǎn)向架參數(shù)對提速車輛動力學影響

4.1 軸距對提速地鐵車輛的動力學影響

采用該模型推算乘客上車信息，因為乘客同車次同站點的性質(zhì)，其刷卡時間相近，因此可以對數(shù)據(jù)進行聚類，得到公交站點?？繒r間段，然后與公交GPS數(shù)據(jù)的時間字段進行對比分析，配對后得到公交上車站點.

圖2 轉(zhuǎn)向架蛇行振動根軌跡圖Fig.2 Root Loci of Bogie Hunting Vibration

3．瘤組織凋亡相關(guān)分子Bcl-xl、Survivin、Bax、caspase3 mRNA表達的檢測：提取各組移植瘤組織總RNA，檢測RNA純度及濃度，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄后PCR擴增，以β-actin為內(nèi)參。引物序列見表1，由金唯智公司合成。擴增產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳分離，紫外成像系統(tǒng)觀察、拍照并分析圖像。

從圖2可看出，軸距不變時，轉(zhuǎn)向架蛇行振動的阻尼比隨著速度增大而增大，越過0點后車輛失穩(wěn)。而軸距增大時，不同速度下的根軌跡曲線向左邊平移，這表明隨著軸距增大，轉(zhuǎn)向架蛇行振動的穩(wěn)定性得到顯著提高。采用先給車輛一個很高的速度讓其失穩(wěn)，再逐漸降速觀察車輛輪對橫移量能否收斂的方法可以進一步得到準確的車輛非線性臨界速度，軸距與車輛非線性臨界速度的關(guān)系，如圖3所示。當軸距從（2.0～2.6）m時，車輛的非線性臨界速度從（115～145）km/h。軸距的增大雖然有效提高了地鐵車輛的穩(wěn)定性，但不易于地鐵車輛通過小半徑曲線[6]，輪對在小半徑曲線上將產(chǎn)生更大的沖角從而加劇車輪磨耗。不同軸距下車輛通過小半徑R200m曲線時導向輪對磨耗功率，如圖4所示。軸距的增加通常意味著軸重的增加，進一步造成輪軌間作用力的增加，這對于軸重較輕的城市軌道交通車輛運營和線路維護是不利的，在綜合上述分析并結(jié)合我國多款地鐵車輛軸距參數(shù)[7]之后，建議軸距在（2.3～2.5）m進行選擇，這里取2.3m軸距完成后續(xù)階段的分析。

圖3 軸距與車輛非線性臨界速度關(guān)系Fig.3 Relation Between Nonlinear Critical Speed and Wheelbase

圖4 不同軸距下導向輪對通過曲線時的磨耗功率Fig.4 Wear Power of Guide Wheelset Passing Curve with Different Wheelbase

當前常見的數(shù)據(jù)集成方法主要有中間件集成、導航集成和數(shù)據(jù)倉庫集成三種[2]。隨著生物信息量的增長和研究需求的擴大，提供集成服務(wù)中間件軟件的發(fā)展遠遠落后于序列數(shù)據(jù)量的增長和研究需求。導航集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索幾乎全部都在檢索界面上通過點擊完成，具有較大的實用價值，但其缺點是不具備良好的可擴展性。

地鐵車輛中使用最普遍的軸箱定位方式是八字橡膠堆定位、層疊圓錐橡膠定位和轉(zhuǎn)臂式定位。前兩種定位方式從動力學建模角度分析幾乎沒有差異。文獻[8-9]給出了轉(zhuǎn)臂式定位方式到橡膠堆式定位方式的三向剛度等效換算方法。因此，雖然此處動力學模型針對圓錐橡膠堆定位方式進行建模，但研究得到的結(jié)論對不同軸箱定位方式都具有指導意義。以1MN/m為步長，計算一系縱向剛度和橫向剛度變化時車輛的非線性臨界速度，并采用三次樣條插值方法得到更精細的一系定位剛度與非線性臨界速度三維網(wǎng)格圖，如圖5所示。由圖5可知隨著一系橫向定位剛度和縱向定位剛度的增大，非線性臨界速度呈現(xiàn)明顯上升趨勢，在圖5的基礎(chǔ)上繪制出一系定位剛度與非線性臨界速度等高線圖，如圖6所示。等高線圖更直觀的反應出縱向定位剛度對非線性臨界速度的影響更為顯著。等高線圖也直觀的顯示出車輛臨界速度在達到某要求速度時，一系縱向、橫向剛度的取值范圍。在軌道上疊加美國AAR6級軌道鋪，計算車輛在120km/h速度運行時，一系定位剛度對車輛平穩(wěn)性指標的影響，如圖7、圖8所示。圖7表明橫向平穩(wěn)性指標隨一系橫向定位剛度的增大而改善，但改善的變化率隨定位剛度的增大而減緩。而不同橫向剛度水平下，縱向定位剛度對橫向平穩(wěn)性的影響呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。在橫向定位剛度較大時，橫向平穩(wěn)性指標在縱向剛度達到10MN/m之后呈現(xiàn)惡化的趨勢。圖8表明對于垂向平穩(wěn)性指標，一系水平定位剛度越大，垂向平穩(wěn)性指標越優(yōu)。因車輛在通過小半徑曲線時輪對與構(gòu)架會發(fā)生一定的相對橫移，所以較大的橫向定位剛度不利于車輛通過曲線。結(jié)合上述仿真計算，建議該車輛一系橫向定位剛度?。?～7）MN/m，縱向定位剛度?。?0～12）MN/m。這里取橫向、縱向剛度分別為5MN/m，10MN/m完成后續(xù)階段的分析。

4.2 一系懸掛剛度對提速地鐵車輛的動力學影響

圖5 一系定位剛度與非線性臨界速度網(wǎng)格圖Fig.5 Grid Graph of Stiffness of Primary Suspension and Nonlinear Critical Velocity

圖6 一系定位剛度與非線性臨界速度等高線圖Fig.6 Contour Map of Stiffness of Primary Suspension and Nonlinear Critical Velocity

圖7 一系定位剛度對車輛橫向平穩(wěn)性指標的影響Fig.7 Effect of Stiffness of Primary Suspension to Lateral Ride Index

圖8 一系定位剛度對車輛垂向平穩(wěn)性指標的影響Fig.8 Effect of Stiffness of Primary Suspension to Vertical Ride Index

二系橫向減振器阻尼參數(shù)對車輛穩(wěn)定性的分析方法與4.1節(jié)中軸距相同。仿真結(jié)果表明，當橫向減振器參數(shù)從（10～80）kNs/m時，車輛的非線性臨界速度從（170～190）km/h。因此橫向減振器阻尼參數(shù)的增加益于車輛穩(wěn)定性的提高。做出橫向減振器阻尼參數(shù)變化對車輛平穩(wěn)性指標的影響曲線，如圖9所示。從圖9中可以看出橫向減振器對車輛橫向平穩(wěn)性的影響十分顯著，當橫向減振器阻尼超過30kNs/m時車輛橫向平穩(wěn)性指標惡化。因為此時車輛非線性臨界速度已經(jīng)滿足最高運營速度120km/h的要求，故橫向減振器阻尼的設(shè)計應重點考慮車輛的平穩(wěn)性指標，建議選取20kNs/m為橫向減振器阻尼最優(yōu)值。采用與之前相同的方法研究空氣彈簧水平剛度對車輛穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明空氣彈簧水平剛度從（0.1～0.5）MN/m時，車輛的非線性臨界速度穩(wěn)定地從（170～200）km/h，所以在一定范圍內(nèi)二系水平剛度的增加益于車輛穩(wěn)定性提高。但二系空簧水平剛度對平穩(wěn)性影響也十分顯著，隨著水平剛度的增大，二系橫向平穩(wěn)性指標急劇惡化，所以在車輛穩(wěn)定性滿足要求的前提下，建議二系空氣彈簧水平剛度在較小數(shù)值范圍內(nèi)選取。此處取0.15MN/m，完成后續(xù)曲線通過性能的檢驗。因二系垂向減振器和二系垂向剛度一般對車輛穩(wěn)定性影響并不顯著，所以在轉(zhuǎn)向架設(shè)計中可僅從車輛平穩(wěn)性角度對其優(yōu)化，此處不再贅述。

根軌跡法是評價車輛穩(wěn)定性的常用方法，使用SIMPACK軟件可得到車輛各振型的根軌跡圖。圖中：橫坐標—振動的阻尼比；縱坐標—振動的頻率。根軌跡圖中，阻尼比越大表示系統(tǒng)中該振型越不穩(wěn)定，當阻尼比超過0時，判定該振型失穩(wěn)。分別做出軸距為2.1m，2.3m，2.5m條件下，速度從50km/h到200km/h變化時的轉(zhuǎn)向架蛇行振動根軌跡圖，如圖2所示。

4.3 二系懸掛參數(shù)對提速地鐵車輛的動力學影響

圖9 橫向減振器阻尼對車輛平穩(wěn)性指標影響Fig.9 Effect from Damper of Secondary Lateral Shock Absorber to Ride Index

圖10 空氣彈簧水平剛度對車輛平穩(wěn)性指標影響Fig.10 Effect from Stiffness of Air Spring Absorber to Ride Index

4.4 車輛曲線通過性能檢驗

在以提高車輛穩(wěn)定性為目標，保證車輛平穩(wěn)性的前提下，探究了軸距、一系水平剛度、二系水平剛度，二系橫向減振器阻尼的影響作用，得到了滿足提速車輛穩(wěn)定性和平穩(wěn)性要求的參數(shù)指標，按前述得到參數(shù)進行設(shè)置并檢驗車輛的曲線通過性能。城市軌道交通車輛須具備較好的小曲線通過性能，設(shè)置仿真曲線半徑R=250m，曲線超高0.12m，緩和曲線長度為50m，車輛通過曲線時未平衡離心加速從（0～0.8）m/s2變化時的各項指標，如表1所示。按UIC518標準進行評估，輪重減載率限制值為0.6，脫軌系數(shù)限制值為0.8，車軸橫向力限制是45kN。由表中數(shù)據(jù)可知車輛通過曲線時的各項指標均為超標，車輛具備良好的曲線通過性能。

表1 曲線通過性能指標Tab.1 Property Index of Curve Passing

5 結(jié)論

以國內(nèi)某地鐵車輛為對象進行研究，研究表明在一定范圍內(nèi)車輛軸距、一系定位剛度、二系橫向減振器阻尼、二系水平剛度的增大均對車輛非線性臨界速度的提高產(chǎn)生顯著的影響作用。

在地鐵車輛提速的研究背景下，提出了以提高車輛穩(wěn)定性為目標，保證車輛平穩(wěn)性和曲線通過性能的參數(shù)設(shè)計方法，并以國內(nèi)某地鐵車輛提速120km/h為例進行計算分析：在確保非線性臨界速度滿足運用要求的前提下，軸距和一系定位剛度的設(shè)計應考慮曲線通過性能，二系水平剛度和二系橫向減振器的設(shè)計應充分保證車輛的平穩(wěn)性指標，最終檢驗車輛的曲線通過性能。

［1］張學斌，彭朋.市域鐵路速度目標值研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2014，58（3）：10-14.（Zhang Xue-bin，Peng Peng.Research on speed target value of urban regional railway［J］.Rail Way Standard Design，2014，58（3）：10-14.）

［2］池茂儒，張衛(wèi)華，曾京.蛇行運動對鐵道車輛平穩(wěn)性的影響［J］.振動工程學報，2008，21（6）：639-643.（Chi Mao-ru，Zhang Wei-hua，Zeng Jing.Influence of hunting motion on ride quality of railway vehicle［J］.Journal of Vibration Engineering，2008，21（6）：639-643.）

［3］Vijay K.Garg，Rao V.Dukkipati.Dynamic of Railway Vehicle System［M］.Toronto：Academic Press，1984：225-262.

［4］王福天.車輛系統(tǒng)動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1994：63-80.（Wang Fu-tian.Vehicle System Dynamics［M］.Beijing：China Railway Publishing House，1994：63-80.）

［5］孟宏.提速機車車輛橫向運動穩(wěn)定性研究及應用［D］.成都：西南交通大學，2009：49-63.（Meng Hong.Research on Lateral Stability of Speed-Raising Railway Vehicles and its Application［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2009：49-63.）

［6］王晨，馬衛(wèi)華，羅世輝.大軸距電動平車曲線通過性能研究［J］.機械設(shè)計與制造，2014（8）：140-142.（Wang Chen，Ma Wei-hua，Luo Shi-hui.Study on Curve-Passing Performance of the Electric Flatcar［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2014（8）：140-142.）

［7］王伯銘.城市軌道交通車輛總體及轉(zhuǎn)向架［M］.北京：科學出版社，2013：324-336.（Wang Bo-ming.Overall and Bogie of Urban Rail Vehicle［M］.Beijing：Science Publishing House，2013：324-336.）

［8］呂永鑫，王伯銘，曲文強.轉(zhuǎn)臂式軸箱定位裝置等效剛度計算與分析［J］.鐵道車輛，2008，46（9）：5-9.（Lv Yong-xin，Wang Bo-ming，Qu Wen-qiang.Calculation and Analysis of Equivalent Stiffness of Rotary Arm Type Axle Box Guidance［J］.Rolling Stock，2008，46（9）：5-9.）

［9］趙遠強，王自力.轉(zhuǎn)臂式軸箱轉(zhuǎn)向架一系懸掛等效定位剛度的分析［J］.電力機車與城軌車輛，2013，36（4）：39-43.（Zhao Yuan-qiang，Wang Zi-li.Analysis of primary suspension equivalent positioning stiffness of rotary arm type axle box bogie［J］.Electric Locomotives ＆ Mass Transit Vehicles，2013，36（4）：39-43.）