双动力地铁打磨车动态包络线计算研究

吴广丰，雷张文，方继武，向鹏霖

(宝鸡中车时代工程机械有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

随着国内轨道交通工程维护装备技术能力的提升，越来越多的维护装备核心技术被国内企业掌握，甚至部分技术分支开始引领技术发展。以前国内维护装备技术重心主要针对国铁市场，随着国内地铁建设蓬勃发展，地铁线路运营里程不断增加，对维护装备的需求加大，国内轨道工程维护装备企业开始进军地铁市场。

国铁线路是通用线路，为了尽可能地包容更多的车型，限界预留间隙相对较大，采用了GB 146.1及GB 146.2规定的静态限界体系；而作为专用线路的地铁线路，为了优化建设成本，限界预留间隙较小，采用了CJJ 96规定的动态限界体系。国铁轨道工程维护车辆移植到地铁线路中，不能简单地缩减车辆断面尺寸，而是需要进行精确的计算，通过限界计算数据指导车辆设计，确保安全的前提下尽可能地利用尽空尺寸。CJJ96限界体系提出了地铁车辆动态包络线计算方法，但由于工程车车辆结构、转向架型式、维护方式、运营方式均与通用地铁车辆不同，标准中的计算公式不能直接照搬。研究工程车动态包络线计算方法，掌握整车系统集成的限界核心技术，无论对眼前地铁工程车研发，还是对将来工程车走向世界，均有重要意义。

1 车辆结构介绍

1.1 车辆总体参数

我公司研发的双动力地铁打磨车主要用于地铁线路的钢轨打磨维护，车辆由A、B两节车固定编组，列车通过永久牵引杆链接。其中A车为动力车，为车辆提供动力，车下设置2台电传动动力转向架，车辆运行所需电能可由柴油发电机组提供，也可以通过车载受电弓，由接触网提供；B车为作业车，车下安装2台作业小车用于钢轨打磨作业，作业装置采用电驱动，电源由A车提供。列车主要结构示意，详见图1。

图1 双动力钢轨打磨车编组图

A车车下设置了1套最大油量为3 t的油箱，采用柴油发电机组供电时，柴油重量将逐渐减小。B车车上设置2套集尘系统wj，每套集尘系统最大集尘能力为500 kg，车辆作业时集尘系统收集粉尘后重量逐渐增加。B车车内配置消防用水3 t，用于在特殊情况下进行防火灭火。作业小车每套重量为5.5 t，车辆行驶工况下，作业小车固定在车体底架上，作业工况下，2套小车下放到轨道上与钢轨接触，车体仅提供小车作业时的纵向牵引力，不承受小车重力带来的垂向载荷。不含转向架的车辆重量参数及质心位置，详见表1；车辆主要总体技术参数，详见表2。

表1 重量计算参数表

表2 车辆主要总体技术参数

1.2 转向架结构

A车与B车的转向架采用相同的设计，A车转向架相比B车转向架多了传动装置，构架接口一致，其他主要部件可互换。A车转向架三维模型，详见图2。

图2 动力转向架结构示意图

转向架采用整体碾钢车轮，轮对内侧距1 353±2 mm，踏面采用LM型踏面，轮径φ770-φ840，车轮旋修周期轮径差不大于12 mm，旋轮后不对悬挂高度进行补偿。轴箱采用转臂式定位，一系垂向减震器采用钢弹簧，最大垂向位移40 mm。二系采用方形截面橡胶簧，牵引座采用单拉杆结构，牵引座与构架间设置横向减震器，牵引座与构架间隙为15 mm(自由间隙)+25 mm(弹性间隙)。转向架主要技术参数，详见表3。

2 动态包络线计算方法

2.1 计算原则

车辆限界的计算以列车在平直线上，并以额定速度在轨道上运行为基本条件。根据线路环境不同分为隧道内车辆限界和高架线(或地面线)车辆限界两种基本类型。

车辆限界的计算参数，按其概率性质分成两大类：随机因素和非随机因素。对非随机因素按线性相加合成；对按高斯概率分布的随机因素采取均方根合成，将两大类相加形成车辆的偏移量。

车辆限界的偏移量计算按车体、转向架、受电弓三部分计算，其中转向架又细分为构架、簧下、轮缘、踏面四部分。

用于计算车辆限界计算因素包括下列要素。

1)车辆的制造误差值。

2)车辆的维修限度。

3)转向架轮对处于轨道上的最不利运行位置。

4)转向架构架相对于轮对的横向及竖向位移量。

5)车体相对于转向架构架的横向及竖向位移量。

6)车体相对于轨道线路的最不利倾斜位置。

7)车辆的空重车挠度差及竖向位移量。

8)因车辆制造、载荷不对称等引起的偏斜。

9)车辆一系悬挂及二系悬挂侧滚位移量。

10)轨道线路的垂向及横向几何偏差、磨耗、维修限度及弹性变形量。

表3 转向架主要技术参数

2.2 计算工况

根据线路条件不同，限界计算工况可区分为：直线地面、直线隧道状态下车辆满足车辆限界和曲线地面、曲线隧道车辆满足设备限界，其中不同曲线半径需分别计算；根据车辆重量状态，限界计算工况可区分为：最大重量及最小重量车辆限界；根据车辆状态需校核的状态不同，限界计算工况可区分为：正常工况满足车辆限界或曲线设备限界、一系故障工况下满足设备限界、二系故障满足设备限界。作业车在打磨作业状态下，打磨小车被下放到钢轨上，小车与母车分别独立走行，其限界应分别校核。A车与B车结构尺寸、重量参数也不相同，其车辆限界应分别校核。因此打磨车限界校核工况需根据各参数进行组合排列，详见表4。

表4 工况汇总表

以上合计72个工况。注：①不同曲线半径应分别计算。②应分别计算AW0与AW3工况限界。③作业小车作业状态下限界，在车辆走行包络线内可不单独另算。④故障工况下，车辆不进行作业，不需要校核故障作业工况。

2.3 动态包络线计算方法

2.3.1 运输工况-直线计算方法

2.3.1.1 车体部分

1)车体横向平移和车体倾角产生的横向偏移方向相同时。

(1)车体横向：

(1)

(2)车体垂向向上：

(2)

(3)车体垂向向下：

(3)

2)车体横向平移和车体倾角产生的横向偏移方向相反时。

(1)车体横向：

(4)

(2)车体垂向向上：

(5)

(3)车体垂向向下：

(6)

2.3.1.2 转向架部分

1)构架。

(1)构架横向：

(7)

(2)构架垂向向上：

(8)

(3)构架垂向向下：

(9)

2)簧下。

(1)簧下横向：

(10)

(2)簧下垂向：

(11)

3)轮缘垂向。

(12)

4)踏面垂向。

(13)

2.3.1.3 受电弓部分

1)横向：

受电弓横向公式采用式1进行计算。

2)垂向向上：

ΔYgu=ΔJvd+ΔJvw+ΔSvw

(14)

2.3.2 作业工况-直线计算方法

打磨车作业工况下，A车状态与走行工况一致，计算方法同2.3.1公式；B车下放打磨小车后，车体载重减轻，车体、构架上浮，计算方法在2.3.1公式基础上，应考虑车体和转向架上浮量。

2.3.3 曲线及故障计算方法

曲线工况下，车辆动态包络线应在2.3.1的基础上，增加考虑以下增加量。

1)水平曲线几何偏移量给车体、转向架带来的横向加宽量。

2)线路超高与超高引起的车体横向和竖向增加量。由于最大作业速度为16 km/h，作业通过曲线速度远小于通过曲线的平衡速度，故作业工况下不考虑前超高。

3)曲线轨道参数及车辆在曲线上参数变化，带来的加宽和加高量。

表5 轨道参数表

一系为钢弹簧，最恶劣的故障工况为钢簧折断，钢簧折断后自由高度降低1个节距，同时该钢簧由两截钢簧串联，刚度减半。因此构架垂向向下位移应多考虑向下1个节距，车体垂直向下位移应多考虑半个节距，横向应考虑侧滚增加量。二系为橡胶堆，最恶劣的故障工况为刚度失效，故障工况考虑刚度降低到设计值70%，车体垂向向下位移应考虑刚度变化增加的垂向量，车体横向位移应考虑单个二系故障带来的侧滚量。

3 双动力地铁打磨车限界校核

3.1 计算参数

根据以下轨道参数，依据2.3的计算方法进行各工况下车辆动态包络线计算，并校核该工况下的车辆限界或设备限界。

3.2 计算结果校核

通过校核由线路(隧道与地面、直线与各种曲线)、车辆状态(空重车、正常及故障、作业及走行)、车型(A&B车)组合的各个工况(见表4)，逐个校核车辆动态包络线满足A型&B2型限界要求。以下为部分校核结果，图3为直线隧道限界校核结果，图4为直线地面限界校核结果。

图3 直线隧道限界校核结果

图4 直线地面限界校核结果

4 结语

本文通过分析车辆和转向架结构，提出了某型号双动力钢轨打磨车的限界计算方法，并验证了该车辆同时满足A型和B2型限界要求。根据计算数据表现，后续类似车辆研发或该车辆改进设计时，建议关注车体肩部区域的限界；B车作业状态下上部限界较恶劣，应重点关注；车体侧墙可考虑设置为斜面，车体断面为上窄下宽的梯形，同时车体地板面处宽度可做到2 700 mm以上2 800 mm以内。