多铰接低地板有轨电车动力学仿真计算分析

刘春洋， 黄 龙， 吕常秀

（中铁合肥新型交通产业投资有限公司， 安徽 合肥 231617）

0 引言

有轨电车是城市轨道交通的构成系统之一，其载客运输能力介于地铁与公共汽车之间。有轨电车的一个显著特点为车厢地板面距轨面的距离小（100%低地板有轨电车的车厢地板面与轨面的距离在400 mm以下），具有乘客上下车便捷、环保、节能和建设成本低等优点[1-2]。

有轨电车根据转向架与车体模块的安装方式和匹配关系，一般可分为单车型、浮车型、铰接型。单车型的结构特点是每个车体模块仅安装1 个转向架，浮车型的结构特点是每间隔1 个车体模块安装1 个转向架，而铰接型有轨电车是2 个车体模块之间通过铰接转向架进行连接[3]。

1 列车编组

1.1 列车总体方案

有轨电车采用5 模块编组，为浮车型结构，模块之间通过风挡铰接装置连接；车辆最高运营速度70 km/h，构造速度80 km/h，轴重≤12.5 t。编组形式为：=Mc1+F1+T+F2+Mc2=，其中：Mc 车辆模块设有司机室，并在车体底架区域安装动力转向架；T 车辆模块的两端均采用风挡铰接结构，并在车体底架区域安装非动力转向架；F 为无转向架支撑、两端均为风挡铰接结构的车辆悬浮模块；=为连挂车钩；+为风挡铰接结构。

1.2 主要结构尺寸

列车长度（车钩连接面之间长度）为34 120 mm；车辆宽度为2 650 mm；车辆高度（车顶设备箱顶部）为3 600 mm；客室地板面高度为350 mm；贯通道可通过宽度为1 750 mm；贯通道高度为2 100 mm；车辆定距为11 420 mm；轴距为1 850 mm；车轮直径为新轮600 mm/磨耗到限520 mm。

2 转向架结构

转向架分为动力转向架和非动力转向架。动力转向架主要由构架装置、轮对装置、驱动装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、基础制动装置、附件等组成。构架装置采用钢板焊接箱形梁结构；轮对装置采用传统车轴，内置式轴箱；牵引电机和齿轮箱为架悬结构，固定在构架上；一系悬挂装置采用金属圆锥橡胶弹簧，二系悬挂装置采用沙漏簧承载结构；基础制动装置采用液压制动单元及磁轨制动器；动力转向架前端设置扫石器、撒砂及轮缘润滑装置。非动力转向架无驱动装置，并在取消齿轮箱的一侧增加一套液压制动单元。

构架采用箱型焊接结构，由侧梁、横梁、端梁及各安装座组焊而成。构架主要钢板的材料为Q355NE。

轮对装置主要由车轴、弹性车轮、轴箱体、轴箱轴承、轴承端盖等构成。车轴材料为EA1N，其结构包含轮座、轴承座、轴承定位结构和制动盘安装接口。弹性车轮包括轮芯、弹性体、轮箍和挡圈等；采用弹性车轮可降低车辆运行噪音，并缓和车辆振动，减小车辆轮轨动态作用力。

牵引电机采用强迫通风冷却方式；齿轮箱采用一级螺旋锥齿轮和一级圆柱齿轮传动方式，其输入端通过膜片联轴节与牵引电机进行动力传递，通过法兰与电机外壳形成刚性连接；其输出端通过鼓型齿和楔形橡胶块联轴节与轮芯连接，传递牵引力和电制动力。

一系悬挂采用金属圆锥橡胶弹簧，上部与构架通过螺栓连接，下部通过销轴与轴箱弹簧座连接；金属圆锥橡胶弹簧缓和来自轨道的冲击，并传递纵向力和横向力。二系悬挂采用4 个沙漏簧承载车体，沙漏簧与构架、车体分别通过销轴进行定位。在车体与转向架之间设置垂向、横向油压减振器，用于衰减车体的垂向、横向振动。

车体和转向架之间的纵向作用力的传递通过单拉杆牵引装置来实现。牵引拉杆两端设有弹性橡胶节点，在加速和减速时能良好地缓和冲击。

3 建立有轨电车动力学模型

3.1 动力学模型

该有轨电车的结构特点为浮车型铰接结构，因此在建立模型时将其视为整体建模。在SIMPACK 软件环境下建立的动力学模型如图1 所示。有轨电车系统包含5 个车体、3 个构架、6 个轮对、12 个轴箱、4 个牵引电机，共计30 个刚体、70 个自由度。轴箱与构架之间、构架与车体之间通过弹性阻尼力元连接，金属圆锥橡胶弹簧、沙漏簧、油压减振器及弹性止挡元件设置为非线性力元。在本次计算中，有轨电车转向架的车轮踏面是特殊型踏面，钢轨外形为60R2 槽型轨。

图1 有轨电车动力学模型

3.2 计算工况

采用SIMPACK 软件计算分析有轨电车的动力学性能，分析计算工况包括：列车AW0（空载）工况、新轮状态；列车AW3（重载）工况、新轮状态。

3.2.1 直线运行品质

线路条件：直线线路，美国5 级线路普。

仿真速度为40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h。评价指标有横向平稳性指标、垂向平稳性指标、乘坐舒适度、横向加速度、垂向加速度。

3.2.2 曲线通过安全性

线路工况：R30 m、R100 m、R200 m、R300 m 曲线线路，美国5 级线路普。

仿真速度如表1 所示。评价指标有脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力。

表1 曲线参数

4 列车动力学性能分析

4.1 直线运行品质分析

1）有轨电车AW0、AW3 工况在直线线路上运行时，各车厢的横向平稳性和垂向平稳性仿真结果如图2、图3 所示。从图中可以得知：在80 km/h 速度范围内，横向平稳性指标和垂向平稳性指标都小于2.5，达到GB 5599 标准中的优级指标要求。另外在这2 种计算工况下，由于动力转向架承受的轨道冲击较非动力转向架较大，加之牵引力和制动力的影响，导致Mc1车和Mc2 车的平稳性数值较其他3 个车厢要稍大。

图2 列车AW0工况平衡性指标

图3 列车AW3 工况平稳性指标

2）有轨电车AW0、AW3 工况下各车厢的舒适度仿真结果如图4、图5 所示。有轨电车乘坐舒适度指标按照GB 5599 标准进行评定。从图中可以得知：在80 km/h 速度范围内，均能达到“舒适”指标。同样受限于动力转向架的影响，Mc1 车和Mc2 车的舒适度数值较其他3 个车厢要稍大。

图4 列车AW0工况舒适度指标

图5 列车AW3 工况舒适度指标

3）根据GB 5599 标准，客车最大横向加速度和垂向加速度不能超过2.5 m/s2。从有轨电车AW0、AW3工况的动力学仿真结果可知：有轨电车各车厢最大横向加速度和垂向加速度未超过限值。

4.2 曲线通过安全性分析

在不同的曲线线路条件和运行速度下，分析了有轨电车脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力，以此评价列车通过曲线的安全性。

4.2.1 脱轨系数

有轨电车以不同速度通过不同的曲线线路时，AW0 和AW3 工况下的脱轨系数均小于0.68，有轨电车在AW3 工况下的脱轨系数值见表2。因此，有轨电车在AW0 和AW3 工况下，各车轮的脱轨系数均小于GB 5599 标准规定的0.8 限值，满足标准要求。

表2 AW3 工况下的脱轨系数

4.2.2 轮重减载率

依据GB5599 标准规定，轮重减载率应不大于0.8。有轨电车在AW3 工况下的轮重减载率数值见表3。可知列车以不同速度通过不同的曲线线路时，AW0和AW3 工况下的轮重减载率均小于0.8，满足标准要求。

表3 AW3 工况下的轮重减载率

4.2.3 轮轴横向力

依据GB 5599 标准规定，最大轮轴横向力按下述公式评定：

式中：H为最大轮轴横向力；Pst1为左侧车轮静载重；Pst2为右侧车轮静载重。从动力学仿真计算结果可知，有轨电车通过不同的曲线线路时，AW0 和AW3 工况下的轮轴横向力均小于标准规定的限值。

5 结论

1）有轨电车在80 km/h 速度范围内行驶于直线线路时，横向平稳性和垂向平稳性指标都小于2.5，达到标准中的优级指标要求；乘坐舒适度达到“舒适”指标要求；最大横向加速度、最大垂向加速度均未超过2.5 m/s2限值。

2）有轨电车在计算速度内通过不同曲线线路时，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等安全性指标均未超过标准规定的限值。