旋轉止擋結構間隙對100%低地板有軌電車動力學性能的影響

秦 舒

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，200125，上海//工程師)

城市軌道交通車輛止擋的作用越來越受關注。文獻[1]分析了二系橫向止擋對列車動力學性能的影響。為了提高有軌電車的運行舒適性和安全性，其走行部除了設置了橫向止擋外，還設置了旋轉止擋[2-3]。

本文研究了二系旋轉止擋結構的動力學參數(包括剛度和間隙)對100%低地板有軌電車車輛動力學性能的影響，有助于優(yōu)選止擋結構參數，改善車輛運行穩(wěn)定性，為轉向架設計提供參考。

1 100% 低地板有軌電車基本參數

本文研究的100% 低地板有軌電車采用5節(jié)編組(M1+F1+T1+F2+M2)，其編組順序如圖1所示。其中，M為動車，T為拖車，F(xiàn)為浮車體。車體之間采用鉸接式結構。M1及M2各裝配了1個小輪徑的傳統(tǒng)輪對轉向架，T1裝配了獨立輪對轉向架。

圖1 100%低地板有軌電車編組示意圖

有軌電車車輛的二系旋轉止擋位于構架和車體之間，主要起到緩沖車體平面晃動的作用，以防止車體發(fā)生大角度轉動。旋轉止擋高度為100 mm，位于轉向架側梁旁，如圖2所示。旋轉止擋和車體間的初始間隙對列車的動力學性能有一定影響[6]。

圖2 旋轉止擋

本文采用SIMPACK軟件對旋轉止擋建模，進行仿真分析。在X方向上，根據旋轉止擋特性曲線建立力元，如圖3所示。

圖3 X方向力元

在Y方向上， 主要存在旋轉止擋與車輛接觸而產生的摩擦力。根據F=μ·N，在軟件中設置力元測量正壓力N及摩擦系數μ，即可完成摩擦力F的計算。

仿真線路條件為直線線路，長為10 000 m, 在40～80 m段線路上有正弦激勵。仿真時間是100 s。

2 SIMPACK軟件仿真分析

在SIMPACK軟件中，根據已知的車輛參數，車體、輪對和轉向架均按剛體處理，車間鉸接用彈簧和阻尼器模擬，導入優(yōu)化設計后的踏面離散點文件和Ri59R2槽型軌文件，設置有間隙(特定數值間隙)和無間隙(設置剛度處理)的條件，建立整車模型如圖4所示。

圖4 有軌電車SIMPACK模型

通過非線性臨界速度的計算評判動車蛇行運行穩(wěn)定性。非線性臨界速度的計算將輪軌接觸非線性、結構參數非線性、間隙及止擋等非線性因素考慮進來[7]。本文采用的非線性臨界速度的計算方法為：截取一段長度為50 m的不平順時域譜作為激擾，讓有軌電車以一定的速度通過不平順線路后，在直線線路上繼續(xù)運行，通過各剛體位移的收斂和發(fā)散情況來判斷機車是否失穩(wěn)。

2.1 旋轉止擋間隙選取

為了確定合理的旋轉止擋間隙，在1.0～3.0 mm間每隔0.5 mm設置旋轉止擋間隙，并分別對其穩(wěn)定性指標進行仿真分析，結果如表1所示。

表1 旋轉止擋間隙值不同時的列車穩(wěn)定性指標

由表1可知：直線上旋轉止擋間隙的設置對車體橫移量影響不大，但對車體振動性能有很大影響；當旋轉止擋的間隙為1.0～3.0 mm時，無論是橫向振動加速度還是垂向振動加速度均呈減小趨勢；其中，當旋轉止擋間隙為2.0 mm時，橫向振動Sperling指標均小于2.5，根據GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的要求，對應評定等級為優(yōu)，車輛動力學性能最佳。因此，本文僅按旋轉止擋設置2.0 mm間隙工況和不設置間隙工況，對車體發(fā)生一次蛇行運動的情況進行分析。

2.2 車體一次蛇行運動情況分析

2.2.1 旋轉止擋設置2.0 mm間隙的工況

在SIMPACK中設置2.0 mm的止擋間隙，仿真時間為100 s。當列車速度為8～13 m/s時，該有軌電車車體發(fā)生一次蛇行前后的仿真情況如圖5所示。

2.2.2 旋轉止擋不設置間隙的工況

當旋轉止擋無間隙時，在SIMPACK中設置旋轉止擋為某一特定的剛度值，仿真時間為100 s。當列車速度為8～20 m/s時，該有軌電車車體發(fā)生一次蛇行前后的方針情況如圖6所示。

2.3 綜合分析

由圖5～6知：旋轉止擋設置間隙與否影響了車體一次蛇行運動臨界速度。經分析，由于中間拖車轉向架采用了獨立輪對，不存在縱向蠕滑力產生的回轉力矩，降低了輪對的導向能力，因而拖車導向輪在仿真開始時就產生偏離。

圖5 旋轉止擋間隙為2.0 mm時的有軌電車車體一次蛇行情況

圖6 旋轉止擋無間隙時的有軌電車車體一次蛇行情況

圖5表明，如旋轉止擋間隙按2.0 mm設置，則當列車速度為13 m/s(約47 km/h)時，車體運動發(fā)散，其橫向位移明顯開始增加。圖6表明，如旋轉止擋無間隙，則當列車速度為9 m/s(約32 km/h)時，車體運動發(fā)散，其橫向位移開始明顯增加。

可見，同等條件下，與旋轉止擋無間隙工況相比，旋轉止擋間隙按2.0 mm設置的有軌電車穩(wěn)定性更好。

3 結論

1) 同等條件下，相比旋轉止擋無間隙的情況，旋轉止擋有間隙的有軌電車車體一次蛇行發(fā)生更晚，其車體穩(wěn)定性更好。

2) 在設計有軌電車車輛轉向架時，考慮二系旋轉止擋的作用，將旋轉止擋間隙設置為2.0 mm可降低車體橫向振動，改善車體一次蛇行狀況，有助于提高車體舒適性。