导轨式胶轮电车排障装置的设计及研究★

李 茜

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

导轨式胶轮电车，简称“胶轮电车”,是中车研制的一种集公共汽车和轻量轨道交通优势于一体的新型现代有轨电车，具有转弯半径小和爬坡能力强的特点，有效填补了国内城市公共交通的空白。胶轮电车一般和汽车公用一条马路，不设专用路权[1]，路面上不可避免的存在一些砖块、碎石等障碍物。为排除规定内侧的这些障碍物[2]，保证列车运行的安全性，在列车司机室前端底部设有排障装置如图1所示。本文建立了车辆坡道曲线通过数学模型、车辆动力学模型和排障装置有限元模型，对排障装置的设计参数进行了详细地校验，对提升车辆运行安全性有着非常重要的意义。

图1 胶轮电车结构组成示意图

1 排障装置结构设计

胶轮电车排障装置，通过螺栓固定于司机室前端底部，用于排除车辆运行线路上的砖块、碎石等小型障碍物，以保障车辆运行的安全性。

1.1 结构设计

胶轮电车排障装置主要有排障板组件、吊装臂、橡胶板及钢丝绳吊具组成，犁头状外形设计，有利于排除车辆运行线路上的障碍物[3]。排障板组件由外围板和内筋板组成，组焊成型，通过吊装臂和钢丝绳吊具固定在司机室前端底部，是排障装置的主要组成部件，在排除障碍物过程中吸收大部分的碰撞能。排障装置主承载结构见图2（橡胶板与钢丝绳吊具图中未示）。

图2 胶轮电车排障装置主承载结构

1.2 主要技术参数

为了排除列车运行线路上的小型障碍物以保障车辆运行安全性，并满足车辆坡道通过性能要求，排障装置通过螺栓安装固定后，排障板下沿离地高度40 mm，排障板最前端面距离头车与中间车铰接中心的距离8 930 mm。排障装置在车体上固定牢固后，排障板前端板能够承受相当于25 kN静压力的冲击力。排障装置主要技术参数见表1。

表1 排障装置主要技术参数

2 坡道通过运动分析

胶轮电车最小转弯半径为15 m，最大爬坡坡度为13%，具有转弯半径小和爬坡能力强的特点[4]。排障装置通过螺栓固定在司机室前端底部后，列车在平直道及弯道上运行时，排障装置下沿离地高度面始终保持在40 mm左右，排障装置安装与否并不影响车辆的曲线通过性能。列车通过坡道时，随着头车逐渐驶入坡道过渡曲线，排障装置前端底部离地高度逐渐减小，直至头车后轮驶入坡道过渡曲线，离地高度减至最小值并维持不变。上述过程可分解为如下三个子过程。

2.1 子过程（一）

如图3所示，头车前端包括排障装置已经驶过水平直道与坡道过渡曲线分解线但前端车轮尚未驶入坡道过渡曲线过程。该过程中，由于头车前后端车轮均行驶在水平道路上，从而头车始终保持水平姿态不变；但是由于头车前端包括排障装置已经进入坡道过渡曲线，该过程显而易见地会导致排障装置离地高度逐渐减小。该子过程可理想化为图4所示的数学模型。

图3 头车前轮驶向但未驶入坡道曲线过程

图4 头车前轮驶向但未驶入坡道曲线过程的理想化数学模型

2.2 子过程（二）

如图5所示，头车前轮已经驶入坡道曲线且后轮尚未驶入坡道曲线过程。该过程，由于头车前后端车轮分别行驶在坡道曲线和水平直道路线上，头车处于不断变化的坡道攀升姿态，头车前端及其底部的排障装置被逐渐地抬升。该子过程可理想化为附图6所示的数学模型。

图5 头车前轮驶入坡道曲线但后轮尚未驶入过程

图6 头车前轮驶入坡道曲线但后轮尚未驶入过程的理想化数学模型

方程（1）中，（x1，y1）为排障装置前端底部坐标值，θ为头车爬升过程中的爬升角度；方程（2）中，（x0，0.04）为头车与中间车铰接连接点坐标值；方程（4）中，D为点（x1，y1）至点（0，200）的直线距离。

求解方程组（1）和（2）可得x1和y1如下：

求解方程组（3）和（4）可得：

根据（5）、（6）、（7），可求得点（x1，y1）到点（0，200）的距离为：

此过程中，排障装置离地高度为（200-D）m。因此可推断出，在头车前轮已经驶入坡道曲线且后轮尚未驶入坡道曲线过程中，排障装置离地高度仍然在逐渐减小。

2.3 子过程（三）

如98页图7所示，头车前后端车轮均行驶在坡道曲线上。该过程中，由于头车和中间车是通过铰接连接的相对独立的两个个体，既相互铰接连接，又相互独立存在；因而，通过分析可显而易见地得出“头车处于既非直线又非爬升的固化行驶姿态”，进而得出该过程中“排障装置距离轨面高度维持不变”的结论。

图7 头车前后车轮均驶入坡道曲线数学模型

3 结论

通过上述运动分析，可以得出如下结论：胶轮导轨电车按照既定设计参数配置排障装置后，车辆从头车前端驶入坡道曲线开始，排障装置距离轨面的高度一直在减小，直至头车后轮驶入坡道曲线，高度降到最小并保持不变，可顺利通过R为200m过渡曲线的13%坡道，排障装置可以满足设计所需的排障能力，对提升车辆运行安全性有着非常重要的意义。