四模块单车型低地板防折弯系统横向减振性能研究

李小燕，刘少帅，李茂春，张建全

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

四模块单车型低地板有轨列车在每节车中部正下方布置一个转向架，两个相邻车体模块通过单铰装置连接组成一个单元，单铰装置允许同单元内两相邻车体的水平旋转运动[1]。两个相邻单元之间通过双铰装置连接，双铰装置允许相邻单元之间车体的摇头、点头和侧滚运动。四模块单车型低地板布置见图1所示。

由图1可见，与每节车体两个转向架的传统车辆相比，单车型低地板车体仅中部一个转向架，相当于增加了车体额外的旋转自由度，这使得车辆进入或驶出曲线时，车体和转向架之间可产生较大的摇头角，车体会产生不希望的位移和运动。特别是当车辆发生故障被救援推车时，额外的旋转自由度将使同一单元内两个相邻车体之间发生弯折，最终导致车辆超出限界。在四模块单车型低地板车体模块之间安装防折弯系统的目的是增加低地板车体模块之间的运动约束。通过研究分析，防折弯系统对车体的运动约束表现在两方面：一是对同一单元内前、后车体模块的约束，防折弯系统通过液压控制能使同一单元内两节车的摇头角始终保持一致，进而据此确认车辆的限界，防止车辆运行超限；二是对车体和转向架相对运动的约束，防折弯系统可以为车辆提供二系减振阻尼，抑制车体相对于转向架的横向振动和转向振动，为车辆提供更好的行驶舒适性。

本文主要对防折弯系统结构原理进行介绍，主要对其横向减振性能进行了分析，通过研究防折弯系统缓冲阀组的相关性能参数，得出不同参数设置对横向减振性能的影响，并通过线路试验进行减振效果验证。

图1 四模块单车型低地板的布置

1 系统结构原理

四模块单车型低地板每个单元安装一套防折弯系统，每套抗折弯系统由4个液压控制缸、2个缓冲阀块、缓冲缸、主控阀块、辅助阀块、蓄能器和控制器等部件组成，各部件之间通过液压管路相互连通，液压原理图见图2所示。每套防折弯系统是一个独立封闭的液压系统，其中主要决定系统功能特性的部件是液压控制缸、缓冲缸，缓冲阀块，其他部件起辅助作用，用于完成工作模式的切换、系统运行监控、系统压力补充等功能。

控制液压缸安装于转向架与车体之间，是整个系统的执行部件，当由轨道几何形状引起的前车车体和转向架发生相对转动位移时，前车控制液压缸活塞杆被迫伸缩动作，促使单元内前、后两个车体模块液压控制缸的油液进行交换，从而实现前面车辆对后面车辆转动角度的控制。缓冲缸用于缓冲系统内的液压峰值，在车辆正常行驶中限制液压控制缸的最大作用力，同时降低系统刚度。缓冲阀块可使系统具有一定的阻尼特性，实现对车体振动的抑制[2-4]。

图2 防折弯系统液压原理

2 系统横向减振特性

2.1 横向减振特性分析

低地板车辆车体和转向架发生相对横向运动时，同一节车辆内的两个液压控制油缸1和2通过管路相互连通，此时的液压简化模型如图3所示。当活塞杆向右移动时，A2、B2腔压力增大，A1、B1腔压力减小，控制液压油缸1内的液压油从A2腔依次通过缓冲阀块W1阀组节流阀和W3阀组的单向阀流入控制液压油缸2的B1腔内，控制液压油缸2内的液压油从B2腔依次通过缓冲阀块W4阀组节流阀和W2阀组的单向阀流入控制液压油缸1的A1腔内，反之亦然。由此可见，在车体横向振动时，单节车体模块的两个控制液压油缸连通独立工作，通过缓冲阀块中各阀组的作用为车辆提供横向减振阻尼，使列车具备更好的横向舒适性和平稳性。

图3 防折弯系横向减振简化模型

2.2 缓冲阀块相关参数分析

防折弯系统缓冲阀块由节流阀、限压阀以及单向阀等部件组成。经初步分析：其中节流阀为系统提供减振阻尼力，阻尼力大小随速度变化而变化；限压阀用于限制系统最大阻尼作用力，防止液压系统产生过高的内部压力。

为研究缓冲阀块中节流阀对系统横向减振性能的影响，将节流阀孔径分别设置成0.5mm、0.6mm，1.0mm、1.6mm ，其他参数设置相同，通过计算并绘制不同孔径下阻尼力与速度的关系曲线。如图4所示，孔径为0.5mm时达到最大阻尼力所对应的响应速度最小，且阻尼力峰值最大；孔径为1.6mm时达到最大阻尼力所对应的响应速度最大，阻尼力峰值最小。因此可以得出：节流阀孔径是影响横向阻尼力的重要因素，节流阀孔径大小与系统横向振动时产生的阻尼力峰值和阻尼力响应速度直接相关，当节流孔直径取值越小，阻尼力曲线越陡，系统产生的阻尼力峰值越大，达到最大阻尼力所需的临界响应速度越小[5-6]。

图4 不同节流阀孔径对阻尼力的影响

为研究缓冲阀块中限压阀对系统横向减振性能的影响，将限压阀的开启压力分别设置成10bar、12bar、16bar、20bar，其他参数设置相同，通过计算并绘制不同限压阀开启压力下阻尼力与速度的关系曲线。如图5所示，限压阀开启压力为20bar时，系统的阻尼力峰值最大，限压阀开启压力为10bar时，系统的阻尼力峰值最小。由此可得，限压阀的开启压力对阻尼力峰值有影响，限压阀开启压力设定值越大，系统允许的阻尼力峰值也越大。

图5 不同限压阀开启压力对阻尼力的影响

通过以上研究，缓冲阀块对横向减振特性的影响有两方面：临界响应速度的大小和阻尼力峰值，如图6所示，A代表阻尼力峰值响应速度，通过调节节流阀的孔径大小进行调节。B代表阻尼力峰值大小，可以通过调整限压阀开启压力的大小改变。

图6 防折弯系统阻尼特性

3 线路试验验证

为研究防折弯系统的横向减振阻尼性能，对四模块单车型低地板C车和D车防折弯系统缓冲阀块设置两组不同的阻尼参数，车辆地板上布置加速度传感器，以速度为60Km/h运行，测量各车体在某线路上运行时的横向振动加速度信号，以对车辆运行平稳性进行粗略评估，两组参数的测试结果如下：

（1）测试1中，C车和D车防折弯系统缓冲阀块的节流阀孔径设置为1.5mm，限压阀开启压力设置为10bar，车体的横向振动加速度测试结果见图7，横向振动加速度幅值最大达到0.7g，人站在车上可感受到低频的横向晃动，乘坐舒适性受到明显影响。

（2）测试2中，C车和D车防折弯系统缓冲阀块的节流阀孔径设置为0.5mm，限压阀压开启力值设置成16bar，车体的横向振动加速度测试结果见图8，横向振动加速度最大约0.3g，幅值下降近60%，平稳性和乘坐舒适性显著提高。

图7 测试1横向振动加速度

图8 测试2横向振动加速度

4 结语

本文介绍了单车型低地板防折弯系统的结构，对横向减振性能原理进行了研究，通过理论分析和线路试验得出防折弯系统相关参数对横向阻尼特性的影响，结果表明：

（1）防折弯系统中缓冲阀块的节流阀、限压阀参数与系统的横向减性能密切相关。

（2）节流阀孔径大小对系统产生的阻尼力峰值及临界响应速度有明显影响，孔径越小，系统产生的阻尼力峰值越大且临界响应速度越小；限压阀的开启压力对系统阻尼力峰值有影响，限压阀开启压力设定值越大，则系统产生的阻尼力峰值越大。

低地板有轨电车与机动车共用线路混跑，轨道曲线段分布多且曲线半径小，这对车辆的曲线通过能力造成较大影响。在某些较差的线路上速度大于60km/h运行时，车体甚至会出现较明显的横向晃动问题。要解决这种横向晃动问题，除了对车辆本身结构进行优化外，可通过调整防折弯系统缓冲阀块中节流阀孔径与限压阀开启压力等参数，对车辆二系横向减振阻尼性能进行调整，以得到与具体线路相匹配的横向减振性能。