李子嘉，黃楨國，戴煥云

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

近幾年隨著中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的出行方式變得多種多樣。有軌電車自1879年誕生之日起便倍受人類親睞，近些年更是發(fā)展迅猛，在某些政府財政不足以支持地鐵發(fā)展的地區(qū)，成為了城市公共交通的主力軍。有軌電車雖然具有低投入、大運量、無排放等諸多優(yōu)勢，但是由于其運行區(qū)域大多處于人流密集區(qū)域的馬路中央，與公路交通不可避免會產(chǎn)生干擾，一旦出現(xiàn)問題，會給公共交通帶來很大的危害，故國內(nèi)外學(xué)者對其運行安全性和平穩(wěn)性進(jìn)行了研究。賈璐等[1]采用極限環(huán)法、構(gòu)架加速度幅值法以及構(gòu)架和輪對加速度方均根值法對軌道車輛系統(tǒng)的橫向運動穩(wěn)定性進(jìn)行了評判。李玉青[2]基于simpack軟件，著重研究了懸掛參數(shù)對100%低地板有軌電車的運動穩(wěn)定性以及曲線通過性能的影響。曹志禮[3]總結(jié)分析了我國鐵道車輛振動性能評定方法 , 指出了“平均最大加速度評定法”是一種能定量評定車輛最大振動的簡單而可行的方法 , 并以此為基礎(chǔ)提出了自動數(shù)據(jù)處理方法。徐士恒等[4]針對貨運動車組的特點,在傳統(tǒng)多剛體仿真模型的基礎(chǔ)上,綜合考慮集裝器的結(jié)構(gòu)、布置和安裝方式，研究運行速度250 km/h以上貨運動車組的動力學(xué)性能以及對所運送貨物的完整性、安全性進(jìn)行評估時需要考慮車體和集裝器的耦合關(guān)系。 MA Y W等[5]采用顯式有限元模型研究了車輪在鋼軌上滾動時的“接觸穩(wěn)定性”現(xiàn)象。POLACH O[6]論證了接觸非線性對鐵路車輛穩(wěn)定極限性能的影響，并用兩個參數(shù)描述了輪軌接觸幾何關(guān)系。WILSON N等[7]研究車輛懸架參數(shù)和車體慣性參數(shù)加上不良的輪軌接觸模式，對車輛橫向穩(wěn)定性性能的影響。周勁松等[8]將最優(yōu)化理論運用于鐵道車輛蛇行運動穩(wěn)定性研究領(lǐng)域 , 建立了轉(zhuǎn)向架軸箱定位參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。KO E S等[9]在Saemaul-ho研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用相似律對KTX-Sancheon的1/5小型轉(zhuǎn)向架設(shè)計進(jìn)行了研究，并對1/5小型轉(zhuǎn)向架的運行穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗。

不同于獨立路權(quán)的軌道交通體系，有軌電車運行在人流車流密集的公共區(qū)域，通過平交道口、小曲線半徑較多，故對其安全性和平穩(wěn)性要求更為嚴(yán)苛。本文通過型式試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后得到列車運行時的安全性指標(biāo)包括脫軌系數(shù)、輪重減載率以及輪軸橫向力等，舒適性指標(biāo)即車體sperling平穩(wěn)性指數(shù)[10]，從而對車輛的運行品質(zhì)進(jìn)行全面的評估。

1 研究對象

研究對象為一組新型低地板有軌電車，包含有3臺動力轉(zhuǎn)向架和1臺拖車轉(zhuǎn)向架，車輛編組依次為Mc1—T—M—Mc2，列車最高試驗速度選取為70 km/h。本次試驗選取整列車，在車體和轉(zhuǎn)向架上布置測點進(jìn)行動力學(xué)測試。車輛的示意圖如圖1所示。

圖1 被測列車示意圖

2 研究內(nèi)容

2.1 對列車安全性的研究方法

試驗采用了輪軌作用力間接測量方法進(jìn)行輪軌力測試，輪軌力間接測量方法旨在基于輪對受力狀態(tài)，建立輪對力和力矩平衡方程，通過輪對慣性力和懸掛受力，可間接求得輪軸橫向力和兩側(cè)輪軌垂向力，而慣性力和懸掛力可結(jié)合輪對固有參數(shù)和實測振動信號確定。其中懸掛受力計算時對其進(jìn)行線性化處理，利用位移傳感器測得懸掛件行程乘以剛度可得懸掛力大小，慣性力計算時利用軸箱處采得振動加速度進(jìn)行處理后與質(zhì)量相乘可得。

根據(jù)GB5599—1985[11]以及UIC518—2009[12]規(guī)定，各指標(biāo)的具體要求如下。

脫軌系數(shù)Y/Q≤1.2。試驗過程中，當(dāng)Y/Q達(dá)到1.2時停止提速。

輪軸橫向力H≤0.85×(10+P0/3)，其中P0為左右車輪靜載荷之和，單位為kN。

輪重減載率ΔP/P≤0.65。

傾覆系數(shù)D=Pd/Pst<0.8。其中：Pd為車輛或轉(zhuǎn)向架同一側(cè)車輪的動載荷；Pst為相應(yīng)車輪靜載荷。

2.2 列車安全性試驗結(jié)果

表1、表2分別為AW0(空車)以及AW3(重車)載重下各轉(zhuǎn)向架運行安全性指標(biāo)試驗結(jié)果。在R40m、R50m和R180m等多個典型曲線線路下，Mc1車(動力轉(zhuǎn)向架)和T車(拖車轉(zhuǎn)向架)的輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)最大值均小于對應(yīng)的限值，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；表3、表4分別是AW0(空車)以及AW3(重車)載重工況，各類線路下Mc1車、T車、M車、Mc2車和整車傾覆系數(shù)的試驗結(jié)果，結(jié)果表明車輛的傾覆系數(shù)小于相應(yīng)限值，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 轉(zhuǎn)向架運行安全性指標(biāo)最大值(AW0)

表2 轉(zhuǎn)向架運行安全性指標(biāo)最大值(AW3)

表3 車輛傾覆系數(shù)最大值(AW0)

表4 車輛傾覆系數(shù)最大值(AW3)

由此可見，在空車工況下，動車轉(zhuǎn)向架的各項參數(shù)均大于拖車，而且頭尾車的指標(biāo)要大于中間車。對比列車在AW0和AW3兩種工況下的安全性指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，除了輪軸橫向力之外，其他安全性指標(biāo)在載重增大后均有所降低，也就是說列車整體的安全性較空車時有了很大的提升。

2.3 對列車運行平穩(wěn)性的研究方法

在對列車運行平穩(wěn)性研究時，著重關(guān)注車體的運行質(zhì)量，故在兩個轉(zhuǎn)向架中心上方車體地板附近1 m處布置加速度傳感器用來檢測車體地板的振動加速度，后期由此計算車體的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)即sperling指數(shù)。具體的限制要求如表5所示。

表5 評定標(biāo)準(zhǔn)及項目

2.4 列車運行平穩(wěn)性研究結(jié)果

1)AW0工況下平穩(wěn)性試驗結(jié)果

如圖2所示，隨著速度的提高，列車車體的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)是不斷上升的，也就是車體的橫向穩(wěn)定性逐漸變差。其中Mc2車的變化較為明顯，在45 km/h的速度之后，Mc2車的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)是最高的，幾乎呈線性增長，其次是T車。T車在高速區(qū)段的平穩(wěn)性略好于Mc2車，但相對于其他兩節(jié)車要差一些。從中可見，同屬中間車輛，在AW0條件下的T車穩(wěn)定性要差于M車，所以電機以及齒輪箱產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對中間車運行穩(wěn)定性的提升有所幫助。頭尾車的變化較為復(fù)雜，在不同的速度范圍內(nèi)接近兩個極端表現(xiàn)，在45 km/h以下的速度運行時Mc2車的穩(wěn)定性是最差的，在45 km/h往上的區(qū)域則剛好相反。列車垂向平穩(wěn)性指標(biāo)有著和橫向類似的變化規(guī)律，隨著列車運行速度的提升而近乎于線性增長，如圖3所示。綜合考慮兩個方向的平穩(wěn)性指標(biāo)以及運營成本的因素，確定列車在人流量少地區(qū)的運營速度。

圖2 列車運行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)(AW0)

圖3 列車運行垂向平穩(wěn)性指標(biāo)(AW0)

2)AW3工況下平穩(wěn)性試驗結(jié)果

如圖4所示，列車在AW3工況下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著車速的提高一直上升。此處T車的變化較為明顯，全速度段內(nèi)保持較高的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，這和AW0時的表現(xiàn)有所不同。雖說相比空車時，車輛的穩(wěn)定性有所提升，但是T車的變化顯然沒有其他M車大，也就是說，對工況變化的不敏感使得T車在滿載情況下的運行穩(wěn)定性較其他車差。頭尾兩個Mc車還保持著分速度區(qū)間的變化規(guī)律，但是正好與空車時候相反，在高速區(qū)域內(nèi)Mc2車平穩(wěn)性差一些。從圖5可以看出，T車的垂向平穩(wěn)性在全速度段都保持著較低值，Mc2車的垂向平穩(wěn)性較差。

圖4 列車運行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)(AW3)

圖5 列車運行垂向平穩(wěn)性指標(biāo)(AW3)

由于Mc1車屬于頭車，而且變化規(guī)律較為明顯，故將其前中后拆開分析。由圖6可知，該車前端的平穩(wěn)性指標(biāo)較大，后端次之，中段最小，故司機室位置以及靠近風(fēng)擋鉸接處的平穩(wěn)性較差，后期新車設(shè)計要考慮司機室穩(wěn)定性的控制，保障列車安全運行。

圖6 Mc1運行平穩(wěn)性指標(biāo)

2.5 列車運動穩(wěn)定性的研究

圖7-圖8為被試車輛在AW0以及AW3載重條件下車輛的運動穩(wěn)定性。對轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架端部測點數(shù)據(jù)進(jìn)行0.5 Hz～10 Hz帶通濾波，可以得到以下結(jié)果：Mc1車和T車在最高試驗速度70 km/h下，構(gòu)架橫向振動加速度幅值小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，轉(zhuǎn)向架未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架端部振動加速度(AW0)

圖8 轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架端部振動加速度(AW3)

3 結(jié)語

該型有軌電車在運行時頭尾車和中間車的動力學(xué)指標(biāo)是存在差異的，即中間車的運行品質(zhì)高于頭尾車。在中間車當(dāng)中，動車的運行品質(zhì)優(yōu)于拖車。加載之后，車輛的穩(wěn)定性得到明顯的提升，除輪軸橫向力有所上升外，其他指標(biāo)均下降，車輛運行更加安全穩(wěn)定。Mc1車前端以及后端穩(wěn)定性較差，中段車體較為穩(wěn)定。新車設(shè)計時雖然要考慮車體輕量化，但不可使車體過輕造成相應(yīng)動力學(xué)指征惡化，影響行車品質(zhì)。