100%低地板有轨电车动力学性能研究

陈 雷，黄运华

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

100%低地板有轨电车自20世纪80年代问世以来，以其低能耗、低污染、方便旅客上下车等优点，在很多国家都得以迅速发展。在中国发展100%低地板有轨电车，对解决中国当前城市交通拥堵、环境污染严重等问题具有积极意义［1］。本文利用SIMPACK多体动力学软件对四模块100%低地板有轨电车进行建模和动力学性能分析。

1 100%低地板有轨电车结构形式

100%低地板有轨电车根据其运量的不同，具有不同的编组形式。本文的研究对象为四模块编组的100%低地板有轨电车，由四节车体组成，两节车为一组，整列车共两组。有轨电车采用单车型结构形式，每一节车体中部正下方都安装有转向架。车辆为三动一拖的编组，其中1、4车为带有司机室的动车，2车为动车，3车为拖车。为了实现100%低地板，车辆全部采用独立旋转车轮转向架，其中动车的独立车轮转向架为纵向耦合形式，以提高车辆直线运行稳定性。车体通过不同的铰接装置使四节车的地板面贯通，整列车的地板面距轨面高为300mm。车辆的最高运行速度为80km/h。

图1为100%低地板有轨电车的铰接编组形式。1、2车为一组，3、4车为一组。组内车与车之间的下部铰接结构采用固定铰，上部采用转动铰，单过道连接，允许车与车绕z轴相对转动，B、G为固定铰，A、F为转动铰，组与组间的上部铰接结构采用纵向拉杆，以传递纵向力，下部采用双铰接结构，前后车体可以分别相对于双铰接装置绕z轴转动。E、D为双铰接结构，C为纵向拉杆。

2 动力学模型的建立

2.1 独立旋转车轮建模

传统轮对的左、右车轮与车轴是作为一个整体压装在一起的，具有相同的绕y轴旋转的角速度，用SIMPACK建模时，只需定义一个刚体，使其具有轮轨接触运动副即可。与传统轮对不同，独立车轮的两侧车轮可以以不同的角速度绕轴桥旋转，在用SIMPACK建模时，首先建立一个刚体模型代表轴桥，定义其具有轮轨接触运动副，与一系悬挂连接，然后建立两个刚体模型分别代表左、右两侧车轮，通过绕y轴旋转的运动约束装配在轴桥两端［2］。

图1 100%低地板有轨电车编组和铰接形式

2.2 转向架建模

转向架的基本组成部分有轴桥轮组、构架，弹性悬挂元件、基础制动装置等，其中轴桥为中部下凹结构以降低地板面高度，弹性悬挂元件包括橡胶簧、螺旋圆簧、横向减振器、垂向减振器等。动力转向架还包括牵引电机和齿轮传动装置。用SIMPACK建模时，首先建立轴桥轮组和构架模型，然后建立一系橡胶簧、二系钢弹簧单元和二系横向、垂向减振器。对于动力转向架建模，还需建立牵引电机和齿轮箱模型，并通过齿轮箱力元将转向架一侧前、后车轮耦合起来［3］。

2.3 车组建模

用SIMPACK建模时，将固定铰处理成x、y、z三个位移方向的大刚度弹簧力元，以限制车与车之间x、y、z三个方向的相对位移；将转动铰处理成x、y方向的大刚度弹簧力元，以传递车体间的纵向力和横向力；将纵向拉杆处理成x方向的大刚度弹簧力元，只传递纵向力［4］。整车动力学模型如图2所示。

图2 整车动力学模型

3 100%低地板有轨电车动力学性能分析

3.1 100%低地板有轨电车稳定性

本文研究的100%低地板有轨电车的动车转向架为纵向耦合独立旋转车轮转向架。相比全独立旋转车轮转向架，将同一侧前、后车轮耦合起来，可以产生纵向蠕滑力，因此纵向耦合独立旋转车轮转向架具有更好的导向性［5］。

本文采用非线性法分析100%低地板有轨电车的稳定性。首先让车组在不平顺的轨道上运行一段距离，然后去除激励，让列车在光滑无激励的轨道上运行，观察其横向位移是否收敛到零线位置。激励采用美国六级谱。图3、图4分别为车组运行速度为228km/h和229km/h时七位轮组的横向位移。从图3、图4可知：车组的运行速度为228km/h时，轮组横向位移经过一段时间振荡后能够回到零线位置；而当车组的运行速度为229km/h时，轮组横向位移已无法回到中心位置，且出现一定程度的小幅振荡。由此可知，车组的蛇行失稳临界速度为228km/h，完全能够满足100%低地板有轨电车80km/h的最高运行速度要求。

3.2 100%低地板有轨电车平稳性

本文的平稳性计算参照GB/T 5599－1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》进行。按照此标准规定，当平稳性指标W≤2.50时，车辆的平稳性等级为优；当2.50＜W≤2.75时，车辆的平稳性等级为良好。将加速度传感器安装在车体中部，即转向架正上方的车体地板面上，为了全面地反映整列车的舒适性状况，在每节车前、后两端端部的地板面上也安装加速度传感器。仿真时，先让车辆在一定距离的无激励轨道上运行，然后在足够长的不平顺轨道上运行。轨道谱采用美国六级谱。平稳性计算结果见图5～图8和表1。表1中，前端表示车体中部地板面前方4m位置，后端表示车体中部地板面后方4m位置。从图5～图8和表1的计算结果可以看出，100%低地板有轨电车在80km/h的速度范围内，其横向和垂向平稳性指标都小于2.5，平稳性等级达到优秀，满足GB/T 5599－1985的要求。

图3 228km/h速度下七位轮组的横向位移

图4 229km/h速度下七位轮组的横向位移

图5 1车地板面中部平稳性指标

图6 2车地板面中部平稳性指标

图7 3车地板面中部平稳性指标

图8 4车地板面中部平稳性指标

3.3 100%低地板有轨电车曲线通过性

100%低地板有轨电车在城市中运行，必须能够安全地通过城市中的小半径曲线。本文的曲线通过性能计算选择了3种不同半径值的圆曲线，分别为25m、36m和50m。各曲线的计算参数见表2。曲线通过速度是按曲线欠超高值为75mm计算得出。仿真时，在轨道上设置美国六级谱不平顺。

根据GB/T 5599－1985计算车辆通过曲线时的脱轨系数、轮对冲角、轮轨横向力和轮重减载率。根据标准规定，脱轨系数不得大于1.0；轮重减载率不得大于0.60；动力转向架和非动力转向架的轮轨横向力目标值分别为29.27kN、28.31kN。经仿真计算，得到各曲线通过性能指标，见表3、表4、表5。

表1 100%低地板有轨电车在不同速度等级下车体端部的平稳性指标

表2 各曲线计算参数

表3 车辆通过25m半径圆曲线时的曲线通过性能指标

表4 车辆通过36m半径圆曲线时的曲线通过性能指标

从表3、表4、表5中可以看出：车组通过小半径曲线时，脱轨系数最大值为0.516，轮轨横向力最大值为19.305kN，轮重减载率最大值为0.474，各曲线通过性能指标均在标准要求的范围以内，说明100%低地板有轨电车具有良好的曲线通过性能，能够安全地通过城市中的小半径曲线。

表5 车辆通过50m半径圆曲线时的曲线通过性能指标

4 结论

本文利用SIMPACK多体动力学软件建立了100%低地板有轨电车的动力学模型并进行了动力学性能计算。从计算结果可以得出以下结论：100%低地板有轨电车以80km/h的速度在直线轨道上运行时，具有良好的稳定性和平稳性，能够满足旅客对乘坐舒适度的要求；100%低地板有轨电车可以安全地通过城市中的小半径曲线。

［1］黄运华，傅茂海，卜继玲，等.独立轮对发展及其应用前景［J］.电力机车与城轨车辆，2003，26（4）：8-11.

［2］罗世辉.大连低地板有轨电车的动力学性能［J］.机车电传动，2001（3）：28-31.

［3］王欢.100%低地板轻轨车辆结构型式与导向原理研究［D］.成都：西南交通大学，2008：10.

［4］李明，戴焕云，丁磊.70%低地板轻轨车建模及动力学分析［J］.交通工程运输学报，2004（2）：49-52.

［5］黄运华，李芾，傅茂海.独立旋转车轮转向架横向动力学研究［J］.西南交通大学学报，2002，37（3）：254-259.