单铰接式100%低地板有轨电车列车动力学仿真分析

皮国瑞 张立鹏 崔 蕾

(中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000)

0 概况

低地板列车的编组方式主要分为铰接式(雅各比式)有轨电车(见图1)、单铰接式有轨电车(见图2)、多铰接式有轨电车(见图3)三类，三种形式的低地板列车在国内均有制造商在生产。

图1 铰接式(雅各比式)有轨电车

图2 单铰接式有轨电车

图3 多铰接式有轨电车

单铰接车型采用近似等长车体的模块化设计，可实现连续扩编。采用转向架中置布置，车辆重心与旋转中心一致，列车通过水平曲线时侧向力小，轮轨磨耗亦相对较小。

1 列车编组方案及转向架方案

1.1 列车总体方案

列车采用模块化组装，由4个模块组成。模块之间由铰接装置相连，其中2个模块装有动力转向架，2个模块装有非动力转向架。每个模块中央配置一台转向架。编组方式为：-Mc+T*T+Mc-，其中：Mc为安装动力转向架和司机室的动车模块；T为安装非动力转向架的拖车模块；+为风挡铰接结构；*为风挡双铰结构；-为前端车钩。

1.2 列车主要结构尺寸

列车长度(含两端车钩连接面)：38 340 mm；Mc车车体长度：7 395 mm；T车长度：7 800 mm；车辆宽度：2 650 mm；车辆高度：3 500 mm；地板面到轨面高度：350 mm；车辆定距(单铰)：8 720 mm；车辆定距(双铰)：9 500 mm；列车两端车钩中心高度：460 mm；车轮直径：600 mm(新轮)/540 mm(磨耗到限)。

1.3 转向架方案

转向架分为动车转向架和拖车转向架。动力转向架由构架、轮对与一系悬挂、二系悬挂、基础制动装置、磁轨制动装置、中央牵引装置、电机驱动装置和附件组成。非动力转向架没有电机驱动装置和附件组成。转向架构架为焊接构架，横、侧梁均为钢板焊接箱型结构。

转向架设有两条独立轮对组成。独立轮对组成的两片车轮相对独立旋转，轴桥为中部凹下去的“U”形结构，降低了列车底板面高度。

独立轮对组成和构架之间安装有一系悬挂系统，每个车轮处安装两个一系橡胶弹簧。一系橡胶弹簧采用圆锥橡胶弹簧结构，轮轨作用力通过一系橡胶弹簧传递到构架。

转向架和车体之间安装有二系悬挂系统，二系悬挂由组合式橡胶弹簧、横向油压减振器、垂向油压减振器、抗侧滚扭杆、横向以及旋转止挡组成。

牵引驱动装置采用架悬式，固定在转向架构架上。车体与转向架之间的纵向力通过车体底架中部的牵引拉杆传递。动车转向架与拖车转向架结构图如图4和图5所示。

图5 拖车转向架总体结构图

2 列车动力学模型建立

2.1 列车系统数学模型

Simpack是一款多体动力学分析软件，在轨道车辆的动力学仿真领域拥有广泛应用业绩。列车是一个复杂的多体系统，各部件之间具有相互作用力和相对运动以及轮轨之间的相互作用关系。因此，对于列车动力学性能影响较大的主要因素，尽可能作出符合实际情况的模拟理论计算分析模型，而对一些次要因素进行相应地假定或简化。建立列车系统数学模型过程中，作出如下假定：

(1)车体、转向架构架均为刚体, 不计这些部件本身的弹性变形；

(2)车体、转向架结构对称；

(3)转向架构架与车体间的垂向刚度和阻尼由二系弹簧和垂向减振器提供；

(4)转向架构架与车体间的横向刚度和阻尼由二系弹簧和横向减振器提供；

(5)转向架构架与车体间的纵向刚度和阻尼由二系弹簧和牵引拉杆提供。

坐标系的定义：车辆的前进方向为x轴；y轴平行于轨道平面指向右方；z轴垂直轨道平面向下。

列车系统主要由4节车体、4个转向架构架、8条轴桥、16片独立车轮和4台牵引电机构成，各刚体的自由度数如表1所示。单铰接式100%低地板有轨电车动力学模型如图6所示。

表1 安全性计算工况表

图6 单铰接式100%低地板有轨电车动力学模型

在计算该车蛇行运动稳定性、横向及垂向运行平稳性及曲线通过时取整车模型，车体、构架、轴桥取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；独立车轮取1个旋转点自由度，电机固结于构架；整个车辆系统共计58个自由度, 垂向、横向运动耦合在一起。

2.2 计算工况

根据两种典型列车状态(空车新轮、重车新轮)，预测分析单铰接式100%低地板有轨电车的动力学性能。

(1) 运行品质计算

线路工况：直线线路(美国五级线路谱)

仿真速度：20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h、100 km/h。

考察指标：横向平稳性指标、垂向平稳性指标、乘坐舒适度、车体振动加速度最大值和均方根值。

(2) 安全性计算

线路工况：直线线路以及R25 m、R50 m、R80 m、R180 m曲线线路(美国五级线路谱)

仿真速度：如表1所示。

考察指标：轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率与倾覆系数。

3 列车动力学仿真分析

3.1 曲线通过安全性预测分析

两种典型车辆状态以不同车速通过不同直线与曲线时，评价单铰接式100%低地板有轨电车的曲线通过安全性。根据目前有轨电车的运营管理情况，有轨电车在车场内的脱轨几率最高，因此本文仅阐述半径R25 m曲线的列车通过安全性。根据UIC 518规定，脱轨系数应不大于0.8，仿真结果表明，列车以15 km/h的速度通过R25 m曲线时的脱轨系数均小于0.65。

倾覆系数用于鉴定试验车辆在侧向风力、离心力、横向振动惯性力的同时作用下是否会导致车辆倾覆，根据GB 5599标准的规定，试验鉴定车辆的倾覆系数应小于0.8，仿真结果表明，列车以15 km/h的速度通过R25 m曲线时的倾覆系数均小于0.2。

根据GB 5599规定，轮重减载率应不大于0.8，仿真结果表明，列车以15 km/h的速度通过R25 m曲线时的轮重减载率均小于0.35。

综上分析，列车以15 km/h速度通过R25 m曲线时的各项安全性评价指标均满足标准要求。

3.2 运行品质预测分析

考虑两种典型车辆状态(空车新轮、重车新轮)以不同车速(20～100 km/h)通过直线，来计算单铰接式100%低地板有轨电车的运行品质。

(1)垂向平稳性指标在车辆最高运营速度70 km/h范围内不大于2.5，满足列车运行要求。只有在车速大于90 km/h时，超过GB 5599规定的限度值2.5。列车垂向平稳性仿真结果如图7所示。

图7 列车垂向平稳性仿真结果

(2)按照EN 12299进行评定，舒适度指标在计算速度范围内没有超过良好(2.5)的限度值；而按照UIC 513评定，车速大于90 km/h 时，舒适度指标超过了规定的良好(2.0)限度值，但仍满足中等限度值的要求；列车舒适度仿真结果如图8所示。

图8 列车舒适度仿真结果

(3)除垂向平稳性和舒适度指标以外，横向平稳性、横向最大加速度、垂向最大加速度、横向均方根加速度等指标在计算速度范围内处于标准规定的良好限度值范围以内。

4 结论

以上介绍了一种单铰接式100%低地板有轨电车的列车总体布局以及主要结构参数，并对转向架方案做了详细介绍。利用Simpack软件建立了整车动力学模型，并对列车的运行品质以及曲线通过的安全性进行了评价。根据仿真结果与理论分析结果，得出如下结论：

(1) 单铰接式100%低地板有轨电车以不同车速通过直线线路。车速不高于90 km/h时，各项运行品质均满足相关标准规定的限值要求；

(2) 单铰接式100%低地板有轨电车在计算速度内通过直线线路与不同曲线线路时，安全性各项指标均在相关标准规定的限度值范围以内。□