三模塊編組有軌電車抗折彎裝置設(shè)計

皮國瑞，白利碩

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山064000）

傳統(tǒng)有軌電車曾經(jīng)是城市公共交通的骨干，為城市公交化做出了重要貢獻。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)有軌電車因其速度低、車輛性能差、舒適性差、與道路交通矛盾嚴(yán)重而逐漸遭到淘汰。20世紀(jì)末以來，隨著城市交通擁堵、環(huán)境污染、能源短缺等問題日益突出，為了提高公共交通服務(wù)質(zhì)量，減少對私家車交通模式的過度依賴，需要發(fā)展軌道交通[1]。采用轉(zhuǎn)向架中置式現(xiàn)代有軌電車，通過應(yīng)用抗折彎系統(tǒng)在現(xiàn)代有軌電車上，可更好地保持車輛限界，并提高列車的動力學(xué)性能，解決城市交通問題。

1 三模塊編組有軌電車概述

2016年4月27日，國家“十二五”科技支撐計劃的重要成果，世界首列商用型燃料電池/超級電容混合動力100%低地板現(xiàn)代有軌電車，在中車唐山公司下線。該列車由三個車體模塊編組，每個模塊中央配置一臺轉(zhuǎn)向架，其中端部兩個車體模塊為動力轉(zhuǎn)向架，中間車體模塊為非動力轉(zhuǎn)向架。編組方式：-Mc+T+Mc-，如圖1所示。動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架均為獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架，兩車輪通過軸橋連接。

圖1 三模塊編組車輛布置

三模塊編組的車體鉸接裝置的布置如圖2所示。三車體中的B、C車體之間需要設(shè)置一個固定鉸和一個轉(zhuǎn)動鉸，這使得車體B、C在垂向上是剛性的，僅能繞z軸轉(zhuǎn)動，形成垂向靜定結(jié)構(gòu)。在車體A、B之間則設(shè)置一個固定鉸和一個點頭自由鉸，車體A、B繞y軸可以轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)豎曲線。

圖2 三模塊車體鉸接裝置布置

2 液壓抗折彎裝置原理說明

對于采用轉(zhuǎn)向架中置式現(xiàn)代有軌電車，由于鉸接點到轉(zhuǎn)向架中心的距離較長，且兩個轉(zhuǎn)向架之間只有一個鉸接點，因此車輛通過小曲線時明顯受到轉(zhuǎn)向架與車體之間回轉(zhuǎn)約束的限制。同樣，當(dāng)列車故障需要救援時，在曲線上或者軌道狀態(tài)不良的狀況下牽引車輛容易發(fā)生脫軌?；谏鲜鲈?，轉(zhuǎn)向架中置式有軌電車，需安裝液壓抗折彎系統(tǒng)。

一套液壓抗折彎系統(tǒng)包含有很多部件，其中有決定其工作特性的功能性元件如控制液壓缸、緩沖液壓缸、緩沖閥門組等，也有相當(dāng)多的輔助元件，如壓力檢測、電子控制等，將抗折彎系統(tǒng)的原理圖簡化如圖3所示。

圖3 液壓抗折彎系統(tǒng)簡化原理圖

3 抗折彎系統(tǒng)其功能介紹

三個車體之間的液壓缸通過油路相連組成一個液壓抗折彎系統(tǒng)，現(xiàn)定義車體相對轉(zhuǎn)向架的位移角分別為a1、a2、a3.在不考慮油液壓縮性的情況下，當(dāng)車體與轉(zhuǎn)向架之間有相對轉(zhuǎn)角α1，α2，α3時，所有彎曲角度αi滿足α2=α1+α3.當(dāng)車體相對于轉(zhuǎn)向架發(fā)生橫擺與搖頭運動時，液壓抗折彎系統(tǒng)中控制液壓缸的缸筒與活塞桿就會發(fā)生相對運動，此時會有液壓油經(jīng)過緩沖閥門組流入或者流出液壓缸，起到緩沖減振的作用。抗折彎裝置在車輛進入曲線時的油路狀態(tài)如圖4所示。

圖4 抗折彎裝置在車輛進入曲線時的油路狀態(tài)

軌道的幾何形狀產(chǎn)生力使得轉(zhuǎn)向架運動，這個運動通過控制油缸傳遞到車體，并使得車體和轉(zhuǎn)向架之間產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度。同時，由于相鄰兩個轉(zhuǎn)向架的控制油缸相連，兩列車（每列車包括一個轉(zhuǎn)向架和對應(yīng)的車體）的偏轉(zhuǎn)角度相互影響，使得偏轉(zhuǎn)角度縮小到最小。

抗折彎系統(tǒng)可防止單個車體模塊在車輛行駛于直線和曲線以及駛?cè)牒婉偝銮€時不需要的位移和運動，有效控制了兩個方向自由度：折彎和轉(zhuǎn)向架反轉(zhuǎn)，保證動態(tài)偏移位置清晰明確。同時提高了列車的運動穩(wěn)定性，運行平穩(wěn)性和曲線通過性能。

4 建立抗折彎系統(tǒng)情況下曲線通過安全性分析

4.1 評判標(biāo)準(zhǔn)

曲線通過的安全性采用脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力和輪軌垂向力評價，符合EN 14363標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 計算曲線

根據(jù)城鎮(zhèn)建設(shè)產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》，低地板有軌電車的正線最小半徑為50 m，困難情況下不低于25 m，結(jié)合實際情況，本項目中最小半徑為19 m，且在計算過程中，加入美國四級譜。

4.3 抗折彎系統(tǒng)的SIMPACK建模

三模塊抗折彎系統(tǒng)原理與兩模塊相似，可以看做兩個兩模塊系統(tǒng)。在Simpack建模中，抗折彎系統(tǒng)在A、B、C車車體與轉(zhuǎn)向架間產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩分別為：

A車：Ma1=-ka[（θc1-θb1）-（θc2-θb2）]

B車：Ma2=-ka[（θc2-θb2）-（θc1-θb1）]-ka[（θc2-θb2）-（θc3-θb3）]

C車：Ma3=-ka[（θc3-θb3）-（θc2-θb2）]

4.4 建立抗折彎系統(tǒng)前后車體偏轉(zhuǎn)角分析

計算工況為AW0工況，速度為10 km/h，曲線為半徑19 m的S曲線。計算結(jié)果如下圖。圖5和圖6為建立抗折彎前后，車輛通過半徑為19 m的S曲線時，車體與轉(zhuǎn)向架間偏轉(zhuǎn)角度。

圖5 未建立時，車體與轉(zhuǎn)向架間偏轉(zhuǎn)角

圖6 建立時，車體與轉(zhuǎn)向架間偏轉(zhuǎn)角

通過對比建立抗折彎前后，車體與轉(zhuǎn)向架間偏轉(zhuǎn)角度，結(jié)果表明，抗折彎建立后，車輛行駛過程中對A車轉(zhuǎn)角有一定的減小，但對總體最大值沒有減??；對B車轉(zhuǎn)角有明顯的減小作用，最大值從3.8°減小到2.75°；對C車的轉(zhuǎn)角有增大作用，最大轉(zhuǎn)角從2.58°增大到了 3.38°.

5 結(jié)束語

本文對抗折彎系統(tǒng)在現(xiàn)代有軌電車上的應(yīng)用進行了詳細(xì)的闡述，在保持車輛限界的前提下，提高了列車的運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線通過性能。同時實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架中置式有軌電車兩模塊以上的編組擴容，滿足不同線路運載量需求。

參考文獻：

[1]付穩(wěn)超，黃烈威，孫加平，等．100%低地板現(xiàn)代有軌電車的總體設(shè)計[J].城市軌道交通研究，2013（增刊）：33.