膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部滾振試驗臺設(shè)計

徐存寶，王雪梅，倪文波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

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膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部滾振試驗臺設(shè)計

徐存寶，王雪梅，倪文波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

分析膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部的導(dǎo)向機(jī)理、脫軌機(jī)理，介紹電車3種類型的動力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。為研究導(dǎo)軌電車的輪軌關(guān)系，對其動力走行部的脫軌機(jī)理展開試驗研究，設(shè)計動力走行部滾振試驗臺。試驗臺可以模擬電車空載和滿載條件，以及直線、曲線通過工況。通過測量導(dǎo)向輪的橫向力、垂向力和垂向位移3個參數(shù)，研究分析導(dǎo)軌電車導(dǎo)向、脫軌機(jī)理，并建立相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)。試驗臺為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化及電車運(yùn)行安全的提升提供保障。

膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車；滾動振動試驗臺；動力走行部；設(shè)計

隨著城市化的發(fā)展、人類環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng),以及對出行舒適性和便捷性要求的提高，現(xiàn)代有軌電車又重新得到了應(yīng)用。現(xiàn)代有軌電車主要分為鋼輪鋼軌式有軌電車和膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車兩種類型[1]，其中膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車采用膠輪驅(qū)動，只需要一根中央導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，電車的重力由走行膠輪承載，因此導(dǎo)向輪對鋼軌路基的受力要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼輪鋼軌式有軌電車，大大降低了線路建設(shè)周期和成本。目前膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車的主要生產(chǎn)廠家是法國的LOHR公司和加拿大的Bombardier公司[2]。世界首輛膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車在2001年2月在法國南錫市(Nancy)投入運(yùn)行后便得到了社會的密切關(guān)注。

動力走行部是膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車最為關(guān)鍵的部件，其導(dǎo)向性能決定了電車的曲線通過性能與安全性能。動力走行部上的導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌接觸，導(dǎo)向輪在導(dǎo)向軌上不脫軌是電車安全運(yùn)行的基本要求。膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車脫軌機(jī)理與傳統(tǒng)輪軌形式的電車不同，目前尚無公開的關(guān)于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車脫軌機(jī)理的研究文獻(xiàn)，因此在對其展開研究的過程中，試驗研究必不可少。本文將通過分析其導(dǎo)向機(jī)理，對其試驗臺試驗技術(shù)展開研究。

1 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部導(dǎo)向原理及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的類型

膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部導(dǎo)向原理如圖1所示。電車運(yùn)行時，走行部上的前導(dǎo)向輪鎖定滑塊鎖定前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪鎖定滑塊解鎖后導(dǎo)向輪。當(dāng)電車需要轉(zhuǎn)向時，與線路曲率一致的導(dǎo)向軌通過與前導(dǎo)向輪輪緣之間的擠壓產(chǎn)生導(dǎo)向力，使前導(dǎo)向輪帶動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)向桿控制動力走行部上的走行膠輪轉(zhuǎn)向，使電車沿導(dǎo)向軌設(shè)定的路線行駛。

圖1 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)原理

如何保證導(dǎo)向輪不脫離導(dǎo)向軌是電車導(dǎo)向的關(guān)鍵。因此世界上的膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車的動力走行部都設(shè)計了獨(dú)特的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖2所示的分別是LOHR公司的Translohr型(a)和Bombardier公司的TVR型(b)，以及中車四方車輛有限公司提出的一種帶有鉤形裝置保護(hù)的雙輪緣新型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(c)。導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌的接觸方式是3種結(jié)構(gòu)的主要差別。Translohr型有軌電車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使用了2個導(dǎo)向輪，且導(dǎo)向軌的截面與傳統(tǒng)導(dǎo)向軌不同，2個導(dǎo)向輪成V字形排布,在導(dǎo)向軌兩側(cè)完成對動力走行部的導(dǎo)向功能；TVR型導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌的接觸方式類似于傳統(tǒng)輪軌關(guān)系，導(dǎo)向輪通過加高的雙輪緣結(jié)構(gòu)使其不易脫離導(dǎo)向軌；新型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在TVR型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了鉤形保護(hù)裝置，鉤形保護(hù)裝置在導(dǎo)向輪跳離導(dǎo)向軌時通過鉤住導(dǎo)向軌軌頭阻止導(dǎo)向輪進(jìn)一步跳離導(dǎo)向軌，從而提高動力走行部運(yùn)行時的安全性能。

圖2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意

2 導(dǎo)向輪脫軌機(jī)理分析

電車運(yùn)行過程中，動力走行部上的導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌直接接觸，在導(dǎo)向軌上滾動運(yùn)行。導(dǎo)向輪不脫離導(dǎo)向軌是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本要求。目前尚無關(guān)于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車脫軌的標(biāo)準(zhǔn)，因此可借鑒軌道交通車輛關(guān)于脫軌的標(biāo)準(zhǔn)，判斷軌道車輛脫軌的主要參數(shù)是輪對的橫向力Q和垂向力P的比值。國際鐵路聯(lián)盟UIC規(guī)定用Q/P作為脫軌安全性標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Q/P≤1.2時認(rèn)為車輛運(yùn)行是安全的[3]。同樣導(dǎo)向輪的橫向力與垂向力的比值也可作為判斷獨(dú)軌電車脫軌的參數(shù)，導(dǎo)向輪的橫向力與垂向力的比值越大越容易脫軌。膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車導(dǎo)向輪的垂向力主要由走行部上的壓緊彈簧提供，增大導(dǎo)向輪壓緊彈簧的壓緊力，對防止脫軌、增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安全性是有利的，但是壓緊力過大會加快導(dǎo)向輪和導(dǎo)向軌之間的磨耗。文獻(xiàn)[4]提出了一種新的判斷車輛脫軌安全裕度的方法，也就是導(dǎo)向輪相對于導(dǎo)向軌的垂向位置變化，該理論指出當(dāng)導(dǎo)向輪的抬升量超過輪緣高度時，即使很小的橫向擾動也會導(dǎo)致脫軌?；谏鲜龅睦碚摵图僭O(shè)，導(dǎo)向輪的橫向力、垂向力及其垂向位移是研究膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部的輪軌關(guān)系的重要參數(shù)。由于導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)、尺寸、受力情況與列車輪對不同，因此要通過試驗測試膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車不脫軌時的最大橫向力與垂向力的比值(脫軌系數(shù))、導(dǎo)向輪最大垂向抬升量。目前尚無測試以上指標(biāo)的試驗臺，通過動力學(xué)建模仿真分析，在理想軌道上導(dǎo)向輪最大導(dǎo)向力≤5 kN，導(dǎo)向輪壓緊力為20 kN，若考慮軌道不平順等因素，此類型電車的脫軌系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于0.4，。另外，當(dāng)導(dǎo)向輪抬升量小于導(dǎo)向輪輪緣高度20 mm時，認(rèn)為電車沒有脫軌。

3 試驗臺方案

基于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部導(dǎo)向機(jī)理以及導(dǎo)向輪脫軌機(jī)理的分析，與中車四方車輛有限公司一起設(shè)計了電車動力走行部試驗臺。試驗臺能夠?qū)恿ψ咝胁康倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，包括不同速度、不同荷載、以及運(yùn)行過程中不同軌道不平順的工況，尤其是電車曲線通過導(dǎo)向軌時的工況。整個試驗臺由機(jī)械系統(tǒng)、計算機(jī)測控系統(tǒng)兩部分組成。

3.1 試驗臺機(jī)械系統(tǒng)

膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部滾振試驗臺機(jī)械部分如圖3所示。試驗臺采用地坑式設(shè)計，地坑內(nèi)是試驗臺主體，地上放置龍門架和被測試動力走行部。試驗臺主體結(jié)構(gòu)從上到下依次是軌道輪安裝底座、轉(zhuǎn)動器、垂向激振液壓缸安裝支架和曲線導(dǎo)軌安裝底座。

圖3 動力走行部滾振試驗臺

軌道輪安裝底座用于安裝軌道輪和三相交流變頻電機(jī)。為了模擬導(dǎo)向輪在導(dǎo)向軌上的運(yùn)動，用與導(dǎo)向軌相同軌頭輪廓的軌道輪代替導(dǎo)向軌，通過導(dǎo)向輪在軌道輪上的轉(zhuǎn)動模擬在無限長導(dǎo)向軌上的滾動。三相交流變頻電機(jī)通過聯(lián)軸器與軌道輪連接在一起，可以模擬電車0～100 km/h的運(yùn)行速度。

轉(zhuǎn)動器上端通過豎直放置的4個滑塊導(dǎo)軌與軌道輪安裝底座連接在一起，底端與垂向激振液壓缸安裝支架頂端固定在一起，不僅可以實現(xiàn)軌道輪安裝底座與垂向激振液壓缸安裝支架之間的相對轉(zhuǎn)動，而且可以實現(xiàn)兩者之間的垂向相對移動。地坑內(nèi)的垂向激振液壓缸推動轉(zhuǎn)動器及以上部分作垂向振動，與軌道譜保持同樣的振幅和頻率，模擬電車運(yùn)行時的軌道不平順。軌道輪安裝底座和垂向激振液壓缸安裝支架之間裝有電動推桿，通過控制軌道輪安裝底座和垂向激振液壓缸安裝支架之間的相對角度，實現(xiàn)導(dǎo)向輪與軌道輪之間的相對角度的控制，模擬電車轉(zhuǎn)向時導(dǎo)向輪和導(dǎo)向軌之間的沖角變化。

垂向激振液壓缸安裝支架通過曲線滑塊安裝在曲線導(dǎo)軌安裝底座上，實現(xiàn)試驗臺主體沿一定曲率的曲線導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動?？刂妻D(zhuǎn)向角的電動推桿與垂向激振液壓缸安裝支架通過耳環(huán)式連接，可以推動垂向激振液壓缸安裝支架和軌道輪安裝底座一起沿曲線導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，模擬動力走行部轉(zhuǎn)向的工況。

曲線導(dǎo)軌安裝底座與地基之間通過調(diào)整墊鐵和地腳螺栓完成水平調(diào)整和固定。龍門架上裝有2個液壓缸，液壓缸通過假枕梁作用在被測試動力走行部上的空氣彈簧上，通過控制液壓缸的加載力可以模擬電車空載和滿載的工況。

3.2 試驗臺計算機(jī)測控系統(tǒng)

計算機(jī)測控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。在控制系統(tǒng)中，上位機(jī)通過通信電纜把控制信號傳輸給伺服液壓系統(tǒng)控制器、電動推桿控制器、變頻器，從而完成對伺服液壓缸、電動推桿和三相交流變頻電機(jī)的控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對導(dǎo)向輪的垂向力、橫向力和垂向位移等信號的采集。導(dǎo)向輪的垂向位移、垂向力可以由位移傳感器、力傳感器測得，導(dǎo)向輪的橫向力一般很難直接測得，可通過在動力走行部上的轉(zhuǎn)向臂上貼應(yīng)變片的方法換算得到，動力走行部轉(zhuǎn)向臂上測量得到的力與導(dǎo)向輪橫向力之間的關(guān)系如式(1)所示。采集到的信號經(jīng)過信號調(diào)理器調(diào)理后由DAQ數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，之后傳輸給上位機(jī)。膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部滾振試驗臺測控方案如圖4所示。

圖4 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部滾振試驗臺測控方案

式中F橫——導(dǎo)向輪橫向力，N；

F右——右轉(zhuǎn)向桿上的力，N；

F左——左轉(zhuǎn)向桿上的力，N；

α——導(dǎo)向輪與右轉(zhuǎn)向桿之間的夾角，rad；

ρ——導(dǎo)向輪與左轉(zhuǎn)向桿之間的夾角，rad；

L1——轉(zhuǎn)向桿與轉(zhuǎn)軸之間的距離，mm；

L2——轉(zhuǎn)向桿與導(dǎo)向輪之間的距離，mm。

4 試驗臺的主要參數(shù)及試驗項目介紹

由于膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計的滾振試驗臺要與被試驗的動力走行部相匹配。試驗臺的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

試驗臺通過模擬運(yùn)行時導(dǎo)向輪在線路激擾下的性能分析動力走行部的性能。對被測試動力走行部可以

表1 膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部滾振試驗臺的主要技術(shù)指標(biāo)

完成的試驗包括：(1)0～100 km/h無沖角直線行駛性能測試；(2)0～100 km/h某一沖角工況下直線行駛性能測試；(3)某一速度工況下直線行駛最大沖角的測定；(4)無沖角不同速度工況下最大轉(zhuǎn)向角的測定；(5)某一沖角不同速度工況下最大轉(zhuǎn)向角的測定；(6)0～50 km/h無沖角不同轉(zhuǎn)向角工況下曲線通過性能測試；(7)0～50 km/h某一沖角不同轉(zhuǎn)向角工況下曲線通過性能測試。通過以上試驗及采集到的試驗數(shù)據(jù)，可以研究導(dǎo)向輪脫軌時的橫向力和垂向力的比值和導(dǎo)向輪垂向位移量之間的關(guān)系，從而為研究膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部脫軌機(jī)理提供試驗基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

通過對膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車動力走行部導(dǎo)向機(jī)理的分析，完成了動力走行部滾振試驗臺的方案設(shè)計。試驗臺可以模擬電車直線和曲線通過時的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠采集該狀態(tài)下動力走行部上導(dǎo)向輪的橫向力、垂向力和垂向位移等信息，分析其導(dǎo)向性能。試驗臺不僅為電車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了試驗條件，而且為今后設(shè)計膠輪+導(dǎo)軌式有軌電車整車試驗臺提供了理論和實踐基礎(chǔ)。

在試驗臺上進(jìn)一步通過改變激振液壓缸的激振譜，可以反向研究電車的導(dǎo)向軌鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；通過更換電車走行膠輪與試驗臺之間的接觸材料，還可以研究不同路面材料與走行膠輪之間的磨耗關(guān)系。

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Rolling Vibration Test-rig Designed for Power Running Gear of Rubber-tired Tram

XU Cun-bao， WANG Xue-mei， NI Wen-bo

(School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The paper analyzes the steering mechanism and derailment mechanism of the power running gear of rubber-tired tram， and introduces three kinds of guiding structures of the power running gear. The rolling vibration test-rig is designed to understand the wheel-rail relationship of the steering mechanism. The rolling vibration test-rig is designed to simulate the no-load and full load conditions running on straight and curve lines. The working steering mechanism and derailment mechanism of the power running gear are studied and analyzed by the measurement of the guiding rollers’ lateral force， vertical force and vertical displacements， and relevant evaluation criteria are then established. This test-rig helps improving guiding structures and operational safety of the tram．

Rubber-tired tram; Rolling vibration test-rig; Power running gear; Design

2016-04-23；

2016-05-10

中車四方車輛有限公司科研課題(SFC2 015KF-JK-005)

徐存寶(1990—)，男，碩士研究生，主要從事軌道車輛走行部及整車滾振試驗臺設(shè)計技術(shù)研究，E-mail：xucunbao904@163.com。

1004-2954(2016)12-0149-04

U482.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.033