低地板列车车体减振技术研究

2020-11-25林昊

中国设备工程 2020年22期

林昊

（福州职业技术学院，福建福州 350000）

随着城市化进程的发展，城市拥堵给市民的生活品质带来了极大的负面影响，一个有效的措施是建设城市快速轨道交通设施，包括地铁、跨坐式单轨等，其中，低地板列车由于对人口密度要求低、建设成本低等优越性，成为大中型城市发展快速轨道交通装备的首选。本文主要分析100%低地板列车,该类型的车辆一般采用独立轮对的形式，车厢地板距离轨道面垂向距离最低可达350mm左右，可以停靠在路面，无需建设高站台，极大方便了乘客的上下车。

但是，低地板列车为了适应城市内的小曲线半径线路，很难保证车体的重心处于转向架正上方，此时，车体的重心会超过或者后于转向架中心，形成转动力矩，这样的承载方式会加剧车体的点头作用。这种现象对于低地板列车来说普遍存在，但是，在传统车辆上是较难遇见，成为研究低地板车辆动力学问题的研究重点之一。

目前，广泛采用的传统转向架，为了能够降低地板高度，采用了浮车，五模块编组。国内的相关研究主要集中在传统客车和地铁车辆，对于新型轨道交通装备来说鲜有研究。本文基于线路试验，测试分析100%低地板列车的车体振动特性，使用动力吸振原理对车体减振进行研究。

1 车体振动线路试验

本文建立了国内常见的某低地板车辆的刚柔耦合车辆动力学模型，该模型中车体为弹性体，其他结构考虑成刚体。包括2个构架、4条轮对和8个转臂轴箱还有车下悬挂装置，构架、轮对和撤下悬挂各有6个自由度，轴箱转臂只有一个点头自由度。为了突出本文的重点，仅设计考虑了一个车下悬挂装置。车辆系统振动方程可以表示如下：

方程中C、K和M分别为车辆系统的阻尼矩阵、刚度矩阵和质量矩阵；x为系统的坐标向量；为系统的非线性力，例如非线性的悬挂力和轮轨力，e为轨道不平顺，T为轨道输入的分布矩阵。

2 动力吸振器减振原理

本文针对低地板列车的运行情况，在一个试验周期内，使用车轮踏面测试仪对车轮在一个璇修周期内的踏面外形变化进行测量，即在0km（即新车轮）、5万km、10.8万km、15.4万km以及19.1万km的运行情况下，对车轮踏面外形进行扫描测试。用等效锥度描述轮轨接触几何关系被铁道车辆所广泛应用，故将其作为本文重点研究的轮轨接触线性化指标。当列车在轨道上运动时，其自由轮对的运动方程可以如下表示：

方程中，y、b、R分别为轮对的横移量、轮轨接触点的横向跨距、车轮滚动圆名义半径；v为轮对运行速度；∆r为左右车轮的轮径差。

对于锥形踏面，假设锥形踏面在横移量为y处有倾斜角γ，那么存在以下关系：

对于非锥形踏面，可对其进行线性化处理后应用Klingel公式，计算可得等效锥度为：

在标准轨距且轮对内侧距为1353mm情况下，将不同运营里程下的五种车轮踏面外形和CN60踏面进行匹配，可以计算等效锥度的变化趋势。

对比结果可知，车轮的磨耗集中于踏面磨耗和轮缘磨耗这两个部分。踏面磨耗是影响轮轨接触几何关系的重要因素，随着运营里程的增加，踏面磨耗随之增加，从而导致了等效锥度明显增加。在运营里程为5万km时，等效锥度增加了0.08，而当运营里程达到10万km时，等效锥度却仅仅增加了0.06，这表明在运营初期等效锥度变化迅速，之后增速降低。

随着低地板列车运营里程的增加，轮缘会更加频繁地贴靠钢轨，此外，在运营初期，轮缘磨耗比较严重，而后轮缘磨耗速率降低。相比于踏面磨耗，轮缘磨耗的情况更加严重。

3 车体减振模型的建立

本节针对低地板列车的车下悬挂系统在一个镟轮周期内车体和悬挂设备的耦合振动进行研究分析，寻找两者间的规律。当列车以250km/h的速度运行时，车体中部和悬挂设备在随机激扰下的振动加速度变化趋势如图1、2所示。

图1 车体中部横向振动加速度频谱分析

从图中可以看到，对于不同的运营里程，车体横向振动加速度幅值在各个振动主频下相差较大。列车从0km运营到19.1万km时，车体中部在22Hz的主频下加速度幅值分别为：0.013、0.016、0.025、0.029、0.031m/s2。从图中不难发现，在运营里程为5万km时，加速度增大了0.003m/s2，而在随后的运营中，振动加速度明显加大。

振动加速度幅值在运营里程为10.8万km时达到了新轮时的2倍，而在15.4万km和19.1万km时，横向加速度的增速变缓。同理对垂向振动加速度进行分析，其变化规律与横向加速度相似。

从图中可以看到，对于多个振动主频，车体横向振动加速度幅值在不同运营里程下相差较大。以10Hz的振动主频为例，横向加速度在0、5万、10.8万、15.4万以及19.1万运营里程下的幅值分别为：0.007、0.008、0.012、0.013和0.014m/s2。

从图中不难发现，在5万km时，设备的横向振动差异很小，但是，随着运营里程数的增加，横向振动会随之加剧。