采用國產化一二系簧城軌車輛柔度系數特性分析

薛源

摘要：為進一步了解采用國產化一、二系簧的轉向架車輛在運行時其動態限界、車輛與沿線固定設備和移動設備是否相碰，以其判定車輛運行的安全性，特在不同工況下對某安裝有國產化一、二系簧轉向架的一輛動車和一輛拖車分別進行了柔度系數試驗。結果表明：空氣彈簧在充氣狀態情況下，該車輛均滿足UIC505規定的柔度系數小于0.4的要求，具有很好的安全性和平穩性。

關鍵詞：國產化；安全性；柔度系數

1.概述

對于中國城市的軌道交通建設，城軌裝備的國產化率是制約其發展的主要因素之一。城軌車輛的國產化可以提高城市軌道交通設備的技術水平，降低建設投資，促進軌道交通產業發展。近些年來，中國城市軌道車輛制造業在自身的不斷努力下和與國外成熟的軌道交通裝備制造商的合作基礎上，車輛設計制造能力取得了跨越式發展，實現的國產化率高于70%，設備價格和運行維護費用也大幅度的降低。我國的城軌制造已逐步達到世界領先水平，車輛的安全性和舒適性也得到提升。

通過國內技術人員的刻苦攻關，我國城軌部分產品實現了自主生產，技術指標和質量甚至已優于發達國家水平，但在牽引、傳動和控制等領域，大部分技術仍掌握在西門子、阿爾斯通、龐巴迪等手中，克諾爾與NABCO則在制動領域優勢明顯，以上公司的相關產品在國內仍占有很大的市場份額。國外的產品和技術普遍存在著采購周期長、產品及維修價格高、技術復雜、貿易爭端等多種弊端，因此，我國的城軌技術仍要堅持全面國產化，統一技術標準，實現專業化生產，在借鑒國外先進技術的同時搞好國內配套廠家的分工協作。

城軌車輛的各類產品中，國產化的一系簧與二系簧有其重要的意義，它們是緩和軌道對機車的沖擊振動，改善車輛各部件工作可靠性和車輛舒適度的重要部件，其參數作為轉向架的懸掛參數，更是直接影響著車輛的運行穩定性、安全性和舒適性。在眾多評價車輛的運行指標中，車輛的柔度系數是整車參數優化后的校驗參數，是確定車輛動態限界范圍的重要指標，關系到車輛在曲線上傾覆的安全性和線路運行適應性。本文對某采用國產化一、二系簧轉向架的地鐵車輛進行了柔度系數試驗，進一步了解該車輛在運行時其動態限界、車輛與沿線固定設備和移動設備是否相碰，以其判定車輛運行的安全性。

2.柔度系數原理及試驗方法

車輛柔度系數是軌道車輛的重要參數，國際鐵路聯盟（UIC）以及歐洲（EN）標準規定車輛需提供柔度系數來明確車輛的動態限界，避免車輛行進過程中與線路旁的固定設備或移動設備相互碰撞導致行車安全受到影響。伴隨著軌道車輛出口項目的增多、國內標準與國際標準的對接以及國際標準的需求，測量車輛柔度系數顯得尤為重要。當一個靜止的車輛停在一個左右軌高不一致的軌道（超高線路）上時，軌道走行面與水平面之間有一個夾角δ，在懸掛上傾斜的車體重心線與軌道中心線之間形成一個夾角η，二者之比s稱為柔度系數，即：

附圖為車輛柔度系數示意圖，圖中h為車輛高度，δ為走行面與水平面之間的夾角，η為車體重心線與軌道中心線的夾角。

UIC標準中要求車輛的柔度系數一般不能超過0，4，柔度過大易使人出現不舒適的傾斜感。在計算或測量柔度系數的過程中，車輛需要考慮運行狀態以及滿載狀態，以及去掉不列稱、彈簧摩擦和減振器的影響。柔度系數試驗方法有重錘法、傾角法和加速傳感器測量法等。通常試驗在試驗臺上進行，首先需將車輛靜止放置于水平軌道上，在車輛地板面中心放置角度儀并調零。隨后抬高軸箱使車輪離開軌道接觸點達到所需要的位移，測量不同條件下的柔度系數，由于影響因素較多，結果離散性較大，通常取多次測量的最大值為最終結果，試驗也可在不同超高的線路上進行。

3.懸掛參數對柔度系數的影響

彈簧懸掛裝置的作用主要體現在將車輛質量與載荷較均衡地傳遞到各個輪軸，以確保車輛能夠正常連掛：緩和車輛因輪對問題導致的振動和沖擊：提高車輛運行的平穩性和舒適性；延長車輛零部件和鋼軌的使用壽命。

一系懸掛裝置中常用的有橡膠彈簧，其內阻隨變形速度的提高而增大，因而有良好的隔聲效果，有吸收沖擊和高頻振動的能力，可以同時承受幾個方向的載荷。二系懸掛裝置中常用的有空氣彈簧，利用空氣壓縮的非線性恢復力來實現隔振和緩沖作用，具有優良的非線性硬特性，能夠有效限制振幅，避開共振，防止沖擊。

通過對以往仿真計算及試驗結果的分析，柔度系數會隨著一、二系懸掛剛度的增大而減小，并呈指數衰減的形式，即懸掛系統的橫向、垂向剛度越小，懸掛系統的柔度系數隨著剛度變化越顯著，車輛的抗傾覆性能也越差。此外，車輛柔度系數會隨著車體以及構架的重心高度的增加而增大，但通常這項指標不能隨意更改。因此，在設計時，針對柔度系數的影響需要重點考慮各個懸掛參數的設置。對于柔度系數指標，通常國內外采用降低二系垂向和橫向剛度來滿足舒適度要求。

4.試驗內容對某采用國產化一、二系簧的一輛動車和一輛拖車分別進行了柔度系數試驗，試驗如下：

4.1試驗條件

整車停放在平直軌道上，AW0載荷狀態：

試驗車輛為一輛動車M1和一輛拖車Tel：

空氣簧處于正常充氣狀態：

抬升超高試驗過程中關閉空簧充排氣截氣閥，防止充排氣：

車輛運行線路的最大超高120mm。

4.2試驗儀器和設備及試驗方法

城軌車輛整車稱重試驗臺，要求（距軌面）最大抬升量120mm；數字式角度儀2個。

4.3試驗方法

通過稱重臺位的抬升將車輛同一側的四個車輪同步抬升120mm，而另一側車輪保持不動，從而模擬形成軌道超高。設抬升側至靜止側橫向間距（稱重臺位結構尺寸）為D（mm），則超高角δ=120/D。

4.4試驗步驟

（1）將待測車輛置于試驗臺上，載荷條件為AW0，且不與其它車輛聯掛。

（2）檢查所有的空氣彈簧在充氣狀態下處于正常高度。

（3）通過使用傾斜計確認車輛位置停放恰當，通過測量工具確認中心位置朝向軌道中心且處于轉向架中心。

（4）抬升兩臺轉向架的A側車輪至最大外軌超高120mm，如圖2、圖3所示，車輪抬升過程中要保持勻速緩慢，始終保持車體不能晃動，并對車輛增加側翻防護措施。

（5）測量車體的傾斜角度，并將結果記錄在記錄表上。

（6）同時落下A側車輪。

（7）在回歸到原始位置后，驗證沒有殘余位移。如果有，進行更正。

（8）抬升兩臺轉向架的B側車輪至最大外軌超高120mm，車輪抬升過程中要保持勻速緩慢，始終保持車體不能晃動，并對車輛增加側翻防護措施。

（9）測量車體的傾斜角度，并將結果記錄在記錄表上。

（10）同時落下B側車輪。

4.5試驗判定條件

在任何載荷狀態下，S<0.4。

4.6試驗記錄

詳見表1、表2。

4.7試驗結果

經過對某國產化地鐵車輛M1車和TCl車2種車型進行柔度系數測試，兩種車型的柔度系數s均遠小于0.4，試驗結果表明裝有國產化一、二系簧的轉向架車輛完全可以滿足國家標準要求，車輛具有很好的安全性和平穩性。

5.結論

國產化的一系簧與二系簧直接影響著我國城軌車輛的運行穩定性、安全性和舒適性。本文在不同工況下對安裝有國產化一、二系簧轉向架的某地鐵車輛的一輛動車和一輛拖車分別進行得柔度系數試驗結果表明：空氣彈簧在充氣狀態情況下，均滿足UIC505規定的柔度系數小于0.4的要求，國產化一、二系簧的轉向架車輛在運行時其動態限界符合國家標準要求，具有良好的車輛運行安全性。