三模塊編組有軌電車抗折彎裝置設計

皮國瑞，白利碩

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山064000）

傳統有軌電車曾經是城市公共交通的骨干，為城市公交化做出了重要貢獻。隨著汽車技術的發展，傳統有軌電車因其速度低、車輛性能差、舒適性差、與道路交通矛盾嚴重而逐漸遭到淘汰。20世紀末以來，隨著城市交通擁堵、環境污染、能源短缺等問題日益突出，為了提高公共交通服務質量，減少對私家車交通模式的過度依賴，需要發展軌道交通[1]。采用轉向架中置式現代有軌電車，通過應用抗折彎系統在現代有軌電車上，可更好地保持車輛限界，并提高列車的動力學性能，解決城市交通問題。

1 三模塊編組有軌電車概述

2016年4月27日，國家“十二五”科技支撐計劃的重要成果，世界首列商用型燃料電池/超級電容混合動力100%低地板現代有軌電車，在中車唐山公司下線。該列車由三個車體模塊編組，每個模塊中央配置一臺轉向架，其中端部兩個車體模塊為動力轉向架，中間車體模塊為非動力轉向架。編組方式：-Mc+T+Mc-，如圖1所示。動力轉向架和非動力轉向架均為獨立旋轉車輪轉向架，兩車輪通過軸橋連接。

圖1 三模塊編組車輛布置

三模塊編組的車體鉸接裝置的布置如圖2所示。三車體中的B、C車體之間需要設置一個固定鉸和一個轉動鉸，這使得車體B、C在垂向上是剛性的，僅能繞z軸轉動，形成垂向靜定結構。在車體A、B之間則設置一個固定鉸和一個點頭自由鉸，車體A、B繞y軸可以轉動，以適應豎曲線。

圖2 三模塊車體鉸接裝置布置

2 液壓抗折彎裝置原理說明

對于采用轉向架中置式現代有軌電車，由于鉸接點到轉向架中心的距離較長，且兩個轉向架之間只有一個鉸接點，因此車輛通過小曲線時明顯受到轉向架與車體之間回轉約束的限制。同樣，當列車故障需要救援時，在曲線上或者軌道狀態不良的狀況下牽引車輛容易發生脫軌。基于上述原因，轉向架中置式有軌電車，需安裝液壓抗折彎系統。

一套液壓抗折彎系統包含有很多部件，其中有決定其工作特性的功能性元件如控制液壓缸、緩沖液壓缸、緩沖閥門組等，也有相當多的輔助元件，如壓力檢測、電子控制等，將抗折彎系統的原理圖簡化如圖3所示。

圖3 液壓抗折彎系統簡化原理圖

3 抗折彎系統其功能介紹

三個車體之間的液壓缸通過油路相連組成一個液壓抗折彎系統，現定義車體相對轉向架的位移角分別為a1、a2、a3.在不考慮油液壓縮性的情況下，當車體與轉向架之間有相對轉角α1，α2，α3時，所有彎曲角度αi滿足α2=α1+α3.當車體相對于轉向架發生橫擺與搖頭運動時，液壓抗折彎系統中控制液壓缸的缸筒與活塞桿就會發生相對運動，此時會有液壓油經過緩沖閥門組流入或者流出液壓缸，起到緩沖減振的作用。抗折彎裝置在車輛進入曲線時的油路狀態如圖4所示。

圖4 抗折彎裝置在車輛進入曲線時的油路狀態

軌道的幾何形狀產生力使得轉向架運動，這個運動通過控制油缸傳遞到車體，并使得車體和轉向架之間產生偏轉角度。同時，由于相鄰兩個轉向架的控制油缸相連，兩列車（每列車包括一個轉向架和對應的車體）的偏轉角度相互影響，使得偏轉角度縮小到最小。

抗折彎系統可防止單個車體模塊在車輛行駛于直線和曲線以及駛入和駛出曲線時不需要的位移和運動，有效控制了兩個方向自由度：折彎和轉向架反轉，保證動態偏移位置清晰明確。同時提高了列車的運動穩定性，運行平穩性和曲線通過性能。

4 建立抗折彎系統情況下曲線通過安全性分析

4.1 評判標準

曲線通過的安全性采用脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力和輪軌垂向力評價，符合EN 14363標準要求。

4.2 計算曲線

根據城鎮建設產品行業標準《低地板有軌電車車輛通用技術條件》，低地板有軌電車的正線最小半徑為50 m，困難情況下不低于25 m，結合實際情況，本項目中最小半徑為19 m，且在計算過程中，加入美國四級譜。

4.3 抗折彎系統的SIMPACK建模

三模塊抗折彎系統原理與兩模塊相似，可以看做兩個兩模塊系統。在Simpack建模中，抗折彎系統在A、B、C車車體與轉向架間產生的回轉力矩分別為：

A車：Ma1=-ka[（θc1-θb1）-（θc2-θb2）]

B車：Ma2=-ka[（θc2-θb2）-（θc1-θb1）]-ka[（θc2-θb2）-（θc3-θb3）]

C車：Ma3=-ka[（θc3-θb3）-（θc2-θb2）]

4.4 建立抗折彎系統前后車體偏轉角分析

計算工況為AW0工況，速度為10 km/h，曲線為半徑19 m的S曲線。計算結果如下圖。圖5和圖6為建立抗折彎前后，車輛通過半徑為19 m的S曲線時，車體與轉向架間偏轉角度。

圖5 未建立時，車體與轉向架間偏轉角

圖6 建立時，車體與轉向架間偏轉角

通過對比建立抗折彎前后，車體與轉向架間偏轉角度，結果表明，抗折彎建立后，車輛行駛過程中對A車轉角有一定的減小，但對總體最大值沒有減小；對B車轉角有明顯的減小作用，最大值從3.8°減小到2.75°；對C車的轉角有增大作用，最大轉角從2.58°增大到了 3.38°.

5 結束語

本文對抗折彎系統在現代有軌電車上的應用進行了詳細的闡述，在保持車輛限界的前提下，提高了列車的運動穩定性、運行平穩性和曲線通過性能。同時實現了轉向架中置式有軌電車兩模塊以上的編組擴容，滿足不同線路運載量需求。

參考文獻：

[1]付穩超，黃烈威，孫加平，等．100%低地板現代有軌電車的總體設計[J].城市軌道交通研究，2013（增刊）：33.