轻轨列车用缓冲器动态阻抗特性研究

王玉梅， 揭长安， 张艳杰， 马卫华

(1.天津机辆轨道交通装备公司，天津300232;2.西南交通大学机车车辆研究所，四川成都610031)

0 前言

车辆动力仿真在设计阶段可以预测车辆运行性能，进行方案筛选和优化参数，同样可以研究所采用的零部件对车辆各项运行性能的影响和优化车辆性能，现利用车辆纵向动力学方法分析缓冲器的动态阻抗特性对车体纵向冲动的影响［1］。

缓冲器的容量决定于冲击车和被冲击车的质量以及和冲击时两车的相对运动速度，车辆质量愈大，冲击速度愈高，则要求缓冲器的容量也愈大［1］。国外密接式车钩缓冲装置的缓冲器容量都比较小，沙库自动密接式车钩缓冲装置的缓冲器容量为17～22 kJ，而日本高速列车车钩缓冲装置的缓冲器容量却不超过10 kJ［2］，然而，目前国内没有理论方法准确计算轻轨车辆所需的缓冲器容量，而是参考铁道客车的标准提出了轻轨车辆用缓冲器的性能指标为≤30 kJ。与国外车钩缓冲装置相比，在确定合理的缓冲器容量与恰当的刚度曲线，改善钩缓装置缓和列车冲击的性能方面还要进一步完善和提高。

城轨车辆采用了动力分散的模式，且编组数量较少，在正常工况下，钩缓装置受力较小，所以利用动力学分析方法，计算缓冲器动态阻抗特性改变前后的列车纵向冲动，在满足性能和安全要求的前提下，轻轨用缓冲器的动态阻抗力和容量可以适当减小。

1 车辆动力学模型建立

根据密接式钩缓装置的结构参数，结合天津地铁车辆，建立了详细的列车动力学模型。天津地铁一般采用4节或6节编组，对于4节编组来说，采用两动两拖的组合方式。一节动车和一节拖车组成一个基本单元，中间通过半永久车钩连接，两个单元之间通过半自动车钩连接在一起，半主动车钩具有缓冲器和车钩自动复位装置，而相连接的两个半永久钩缓系统，仅有一个缓冲器，无自动复位装置。对于6节编组的列车模型，采用3动、3拖的方式组成。在本次分析中，为了研究钩缓系统对列车纵向冲动的影响，采用6节编组列车模型，应用SIMPACK建立列车模型［3-4］。

2 缓冲器动态阻抗特性对列车纵向冲动的影响

2.1 纵向冲击响应

对于城轨车辆来说，由于采用了动力分散模式，同时，列车编组数量较小，一般采用4节编组或6节编组，因而，在正常运行工况下，钩缓系统受力较小，因而从这个角度考虑，缓冲器的动态阻抗力和缓冲器容量可以适当降低。图1、图2为实际缓冲器阻抗特性及改进后的阻抗特性曲线。

图1 实际缓冲器阻抗特性

图2 改进后缓冲器阻抗特性

图1中显示缓冲器的最大阻抗力为680 kN，图2中显示改进后的最大阻抗力为500 kN。

由于列车采用动力分散模式，因而3个动车都提供启动牵引力，通过计算，每辆车所受的车钩力如图3所示，最大车钩力小于50 kN，所以在以下计算工况中取纵向冲击力的极限值为50 kN。

由城轨列车的设计参数可知，缓冲器的初压力≤30 kN，对于动力分散的城轨列车来说，缓冲器的初压力越小越有利于降低列车启动时的纵向冲动以及改善列车对纵向冲击，尤其是小冲击的缓冲。

图3 动力分散模式启动工况下的车钩力

因此，选择最恶劣的工况进行分析，即分析30 kN初压力时，在50 kN的纵向冲击力作用下，动态阻抗特性改进前后各车的纵向加速度的响应情况如图4、图5。

图4 改进前车体二纵向加速度

图5 改进后车体二纵向加速度

显然，缓冲器动态阻抗特性改进前后，对车体纵向冲击的加速度响应没有明显变化，但是车体在受到冲击后的响应值有所减小，有利于改善列车的纵向冲击现象。适当降低缓冲器动态阻抗特性能够满足列车运行要求。

2.2 仅有动车制动时的纵向冲击响应

由于轻轨列车采用动力分散式，在制动工况下，动车、拖车均制动时，车钩力比采用动力集中式的最大车钩力要小的多。但是仅动车提供制动力时所受车钩力比所有车辆均提供制动力的情况下要大，以动力分散式仅动车提供制动力时的工况进行计算。

首先给出既有缓冲器特性下的计算结果，如图6、图7所示。

采用改进缓冲器阻抗特性方案时的结果如图8、图9。

图6 各车钩所受车钩力

图7 车体纵向振动加速度(车体六为例)

图8 改进后各车钩所受车钩力

图9 改进后车体纵向振动加速度(以车体六为例)

在制动工况下，缓冲器动态阻抗特性改进前后，各车体所受车钩力及纵向冲击的加速度没有明显变化，因此适当降低缓冲器动态阻抗特性能够满足列车运行要求。

3 结论

通过建立6编组轻轨车辆的动力学模型，分析了动态阻抗特性改进前后各车的纵向冲动和仅有动车制动时车钩力和纵向振动加速度，结果表明，改变后的动态阻抗特性使车体受到冲击后的响应有所减小，有利于改善列车的纵向冲击现象，改善钩缓装置的受力情况，为以后缓冲器动态阻抗特性的选择提供了一种思路，在满足要求的前提下，可以降低缓冲器的动态阻抗力和容量，不仅可以改善列车的纵向冲动，提高缓冲器的使用寿命，而且能够降低制造成本。

［1］蒋有绪，傅茂海.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［2］李瑞淳.高速列车及提速列车车钩缓冲装置研究［J］.铁道机车车辆，2004，24(6):15.

［3］缪炳荣.Simpack动力学分析基础教程［M］.成都:西南交通大学出版社，2007.

［4］Mohle N.Performance study of polymer spring for faiveily automatic coupler draft gear［R］.Datong:NCR Datong Electric Locomotive Co.，LTD.，2008.