某全自動(dòng)駕駛地鐵車輛頭車軸重偏差計(jì)算與優(yōu)化

侯明林,王軍民

中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

地鐵車輛軸重及偏差是關(guān)系到列車運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)劣的重要技術(shù)參數(shù)[1]。由于設(shè)計(jì)和制造原因,車輛實(shí)際軸重往往存在一定偏差,偏差過(guò)大會(huì)給車輛性能和使用壽命帶來(lái)不利影響。通過(guò)地鐵車輛軸重及偏差的計(jì)算,可以在設(shè)計(jì)階段將車輛軸重及偏差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。本文介紹了某速度等級(jí)為80 km/h的A型全自動(dòng)駕駛地鐵車輛底架設(shè)備布置方案和軸重偏差計(jì)算方法,通過(guò)對(duì)比該方案下頭車軸重偏差理論計(jì)算值與稱重?cái)?shù)據(jù)之間差異,驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,提出了頭車軸重偏差的優(yōu)化措施,為后續(xù)類似地鐵車輛頭車軸重偏差控制提供理論依據(jù)。

1 車輛底架設(shè)備布置方案

某速度等級(jí)為80 km/h的A型全自動(dòng)駕駛地鐵列車由2個(gè)單元共6輛車組成,編組方式:-A*B*C=C*B*A-(-為全自動(dòng)車鉤,=為半自動(dòng)車鉤,*為半永久牽引桿),其中A車(頭車)為拖車,B車為帶受電弓的動(dòng)車,C車為不帶受電弓的動(dòng)車。車輛底架設(shè)備布置以便于維護(hù)、平衡軸重及利于管線布置為原則,將車輛重心盡量靠近縱橫中心線,實(shí)現(xiàn)軸重均勻分配。底架設(shè)備的分配情況詳見(jiàn)表1,底架設(shè)備布置見(jiàn)圖1～3。

圖1 A車底架設(shè)備布置圖

圖2 B車底架設(shè)備布置圖

圖3 C車底架設(shè)備布置圖

表1 底架設(shè)備分配

2 車輛軸重計(jì)算方法

地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架上部車輛受力計(jì)算模型和轉(zhuǎn)向架受力計(jì)算模型[2],如圖4和圖5所示。圖4中F1為Ⅰ位轉(zhuǎn)向架二系簧的承載質(zhì)量,F2為Ⅱ位轉(zhuǎn)向架二系簧的承載質(zhì)量,Fg為轉(zhuǎn)向架上部車輛質(zhì)量,Lsx為轉(zhuǎn)向架上部車輛重心在x軸上坐標(biāo),L1為車輛定距的一半。圖5中Fwi(i=1～4)為第i根車軸軸重,Fb1為Ⅰ位轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,Fb2為Ⅱ位轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,Lac1為Ⅰ位轉(zhuǎn)向架二系簧受力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向架重心的縱向距離,Lac2為Ⅱ位轉(zhuǎn)向架二系簧受力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向架重心的縱向距離,Lw為轉(zhuǎn)向架軸距。

圖4 轉(zhuǎn)向架上部車輛受力計(jì)算模型

圖5 轉(zhuǎn)向架受力計(jì)算模型

根據(jù)空間平行力系的平衡方程[3],可推導(dǎo)出如下車輛軸重計(jì)算公式。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Fwi(i=1～4)為第i根車軸軸重,Fg為轉(zhuǎn)向架上部車輛質(zhì)量,Lsx為轉(zhuǎn)向架上部車輛重心在x軸上坐標(biāo),Fb1為Ⅰ位轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,Fb2為Ⅱ位轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,Lac1為Ⅰ位轉(zhuǎn)向架二系簧受力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向架重心的縱向距離,Lac2為Ⅱ位轉(zhuǎn)向架二系簧受力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向架重心的縱向距離。L1為車輛定距的一半,Lw為轉(zhuǎn)向架軸距。

各軸的軸重偏差RFwi按以下公式計(jì)算。

(5)

(6)

3 理論計(jì)算與稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

本項(xiàng)目頭車軸重偏差計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 軸重偏差計(jì)算參數(shù)

Ⅰ位轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量和重心與Ⅱ位轉(zhuǎn)向架不同,主要原因是Ⅰ位轉(zhuǎn)向架配備有被動(dòng)式障礙物檢測(cè)裝置和信號(hào)天線及安裝支架,Ⅰ位轉(zhuǎn)向架見(jiàn)圖6。

圖6 Ⅰ位轉(zhuǎn)向架

式(1)～(6)可得頭車的軸重與軸重偏差,同時(shí)對(duì)5節(jié)A車在AW0工況下進(jìn)行稱重,將計(jì)算數(shù)據(jù)與稱重結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表3。由此可知,計(jì)算結(jié)果與稱重結(jié)果近似,在設(shè)計(jì)階段通過(guò)理論計(jì)算能夠預(yù)估整車軸重和軸重偏差情況。

表3 AW0工況下軸重理論計(jì)算與稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

4 頭車軸重偏差的優(yōu)化

根據(jù)表3可知頭車1軸的軸重偏差最大,同時(shí)由式(1)～(6)可推導(dǎo)出1軸軸重偏差為:

可通過(guò)減小轉(zhuǎn)向架上部車輛重心在x軸上坐標(biāo)Lsx和Ⅰ位轉(zhuǎn)向架二系簧受力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向架重心的縱向距離Lac1到達(dá)減少1軸軸重偏差的目的。一般而言,可通過(guò)優(yōu)化底架設(shè)備布置減小Lsx。例如將質(zhì)量較重的設(shè)備蓄電池和輔助逆變器靠近Ⅱ端布置,但本項(xiàng)目頭車底架設(shè)備布置(見(jiàn)圖2)已無(wú)優(yōu)化空間?？紤]將本項(xiàng)目頭車Ⅰ位轉(zhuǎn)向架上的信號(hào)天線及安裝支架挪至Ⅱ位轉(zhuǎn)向架,以減少Lac1,Ⅱ位轉(zhuǎn)向架示意圖如圖7所示,此時(shí)軸重偏差計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

圖7 II位轉(zhuǎn)向架示意圖(帶信號(hào)天線)

表4 軸重偏差計(jì)算參數(shù)(信號(hào)天線布置在II位轉(zhuǎn)向架)

頭車的軸重和軸重偏差與優(yōu)化前的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5,此時(shí)頭車1軸軸重偏差由6.34%降至5.94%,且其余各軸軸重偏差均有所降低,由此驗(yàn)證了通過(guò)更改信號(hào)天線安裝位置降低1軸軸重偏差的有效性。

表5 AW0工況下軸重理論計(jì)算對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某速度等級(jí)為80 km/h的A型全自動(dòng)駕駛地鐵車輛底架設(shè)備布置方案和軸重偏差計(jì)算方法,通過(guò)對(duì)比計(jì)算值與稱重?cái)?shù)據(jù),驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,并提出了頭車軸重偏差的優(yōu)化措施,為后續(xù)類似地鐵車輛頭車軸重偏差控制提供理論依據(jù)。