雙動力地鐵打磨車動態包絡線計算研究

吳廣豐，雷張文，方繼武，向鵬霖

(寶雞中車時代工程機械有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

隨著國內軌道交通工程維護裝備技術能力的提升，越來越多的維護裝備核心技術被國內企業掌握，甚至部分技術分支開始引領技術發展。以前國內維護裝備技術重心主要針對國鐵市場，隨著國內地鐵建設蓬勃發展，地鐵線路運營里程不斷增加，對維護裝備的需求加大，國內軌道工程維護裝備企業開始進軍地鐵市場。

國鐵線路是通用線路，為了盡可能地包容更多的車型，限界預留間隙相對較大，采用了GB 146.1及GB 146.2規定的靜態限界體系；而作為專用線路的地鐵線路，為了優化建設成本，限界預留間隙較小，采用了CJJ 96規定的動態限界體系。國鐵軌道工程維護車輛移植到地鐵線路中，不能簡單地縮減車輛斷面尺寸，而是需要進行精確的計算，通過限界計算數據指導車輛設計，確保安全的前提下盡可能地利用盡空尺寸。CJJ96限界體系提出了地鐵車輛動態包絡線計算方法，但由于工程車車輛結構、轉向架型式、維護方式、運營方式均與通用地鐵車輛不同，標準中的計算公式不能直接照搬。研究工程車動態包絡線計算方法，掌握整車系統集成的限界核心技術，無論對眼前地鐵工程車研發，還是對將來工程車走向世界，均有重要意義。

1 車輛結構介紹

1.1 車輛總體參數

我公司研發的雙動力地鐵打磨車主要用于地鐵線路的鋼軌打磨維護，車輛由A、B兩節車固定編組，列車通過永久牽引桿鏈接。其中A車為動力車，為車輛提供動力，車下設置2臺電傳動動力轉向架，車輛運行所需電能可由柴油發電機組提供，也可以通過車載受電弓，由接觸網提供；B車為作業車，車下安裝2臺作業小車用于鋼軌打磨作業，作業裝置采用電驅動，電源由A車提供。列車主要結構示意，詳見圖1。

圖1 雙動力鋼軌打磨車編組圖

A車車下設置了1套最大油量為3 t的油箱，采用柴油發電機組供電時，柴油重量將逐漸減小。B車車上設置2套集塵系統wj，每套集塵系統最大集塵能力為500 kg，車輛作業時集塵系統收集粉塵后重量逐漸增加。B車車內配置消防用水3 t，用于在特殊情況下進行防火滅火。作業小車每套重量為5.5 t，車輛行駛工況下，作業小車固定在車體底架上，作業工況下，2套小車下放到軌道上與鋼軌接觸，車體僅提供小車作業時的縱向牽引力，不承受小車重力帶來的垂向載荷。不含轉向架的車輛重量參數及質心位置，詳見表1；車輛主要總體技術參數，詳見表2。

表1 重量計算參數表

表2 車輛主要總體技術參數

1.2 轉向架結構

A車與B車的轉向架采用相同的設計，A車轉向架相比B車轉向架多了傳動裝置，構架接口一致，其他主要部件可互換。A車轉向架三維模型，詳見圖2。

圖2 動力轉向架結構示意圖

轉向架采用整體碾鋼車輪，輪對內側距1 353±2 mm，踏面采用LM型踏面，輪徑φ770-φ840，車輪旋修周期輪徑差不大于12 mm，旋輪后不對懸掛高度進行補償。軸箱采用轉臂式定位，一系垂向減震器采用鋼彈簧，最大垂向位移40 mm。二系采用方形截面橡膠簧，牽引座采用單拉桿結構，牽引座與構架間設置橫向減震器，牽引座與構架間隙為15 mm(自由間隙)+25 mm(彈性間隙)。轉向架主要技術參數，詳見表3。

2 動態包絡線計算方法

2.1 計算原則

車輛限界的計算以列車在平直線上，并以額定速度在軌道上運行為基本條件。根據線路環境不同分為隧道內車輛限界和高架線(或地面線)車輛限界兩種基本類型。

車輛限界的計算參數，按其概率性質分成兩大類：隨機因素和非隨機因素。對非隨機因素按線性相加合成；對按高斯概率分布的隨機因素采取均方根合成，將兩大類相加形成車輛的偏移量。

車輛限界的偏移量計算按車體、轉向架、受電弓三部分計算，其中轉向架又細分為構架、簧下、輪緣、踏面四部分。

用于計算車輛限界計算因素包括下列要素。

1)車輛的制造誤差值。

2)車輛的維修限度。

3)轉向架輪對處于軌道上的最不利運行位置。

4)轉向架構架相對于輪對的橫向及豎向位移量。

5)車體相對于轉向架構架的橫向及豎向位移量。

6)車體相對于軌道線路的最不利傾斜位置。

7)車輛的空重車撓度差及豎向位移量。

8)因車輛制造、載荷不對稱等引起的偏斜。

9)車輛一系懸掛及二系懸掛側滾位移量。

10)軌道線路的垂向及橫向幾何偏差、磨耗、維修限度及彈性變形量。

表3 轉向架主要技術參數

2.2 計算工況

根據線路條件不同，限界計算工況可區分為：直線地面、直線隧道狀態下車輛滿足車輛限界和曲線地面、曲線隧道車輛滿足設備限界，其中不同曲線半徑需分別計算；根據車輛重量狀態，限界計算工況可區分為：最大重量及最小重量車輛限界；根據車輛狀態需校核的狀態不同，限界計算工況可區分為：正常工況滿足車輛限界或曲線設備限界、一系故障工況下滿足設備限界、二系故障滿足設備限界。作業車在打磨作業狀態下，打磨小車被下放到鋼軌上，小車與母車分別獨立走行，其限界應分別校核。A車與B車結構尺寸、重量參數也不相同，其車輛限界應分別校核。因此打磨車限界校核工況需根據各參數進行組合排列，詳見表4。

表4 工況匯總表

以上合計72個工況。注：①不同曲線半徑應分別計算。②應分別計算AW0與AW3工況限界。③作業小車作業狀態下限界，在車輛走行包絡線內可不單獨另算。④故障工況下，車輛不進行作業，不需要校核故障作業工況。

2.3 動態包絡線計算方法

2.3.1 運輸工況-直線計算方法

2.3.1.1 車體部分

1)車體橫向平移和車體傾角產生的橫向偏移方向相同時。

(1)車體橫向：

(1)

(2)車體垂向向上：

(2)

(3)車體垂向向下：

(3)

2)車體橫向平移和車體傾角產生的橫向偏移方向相反時。

(1)車體橫向：

(4)

(2)車體垂向向上：

(5)

(3)車體垂向向下：

(6)

2.3.1.2 轉向架部分

1)構架。

(1)構架橫向：

(7)

(2)構架垂向向上：

(8)

(3)構架垂向向下：

(9)

2)簧下。

(1)簧下橫向：

(10)

(2)簧下垂向：

(11)

3)輪緣垂向。

(12)

4)踏面垂向。

(13)

2.3.1.3 受電弓部分

1)橫向：

受電弓橫向公式采用式1進行計算。

2)垂向向上：

ΔYgu=ΔJvd+ΔJvw+ΔSvw

(14)

2.3.2 作業工況-直線計算方法

打磨車作業工況下，A車狀態與走行工況一致，計算方法同2.3.1公式；B車下放打磨小車后，車體載重減輕，車體、構架上浮，計算方法在2.3.1公式基礎上，應考慮車體和轉向架上浮量。

2.3.3 曲線及故障計算方法

曲線工況下，車輛動態包絡線應在2.3.1的基礎上，增加考慮以下增加量。

1)水平曲線幾何偏移量給車體、轉向架帶來的橫向加寬量。

2)線路超高與超高引起的車體橫向和豎向增加量。由于最大作業速度為16 km/h，作業通過曲線速度遠小于通過曲線的平衡速度，故作業工況下不考慮前超高。

3)曲線軌道參數及車輛在曲線上參數變化，帶來的加寬和加高量。

表5 軌道參數表

一系為鋼彈簧，最惡劣的故障工況為鋼簧折斷，鋼簧折斷后自由高度降低1個節距，同時該鋼簧由兩截鋼簧串聯，剛度減半。因此構架垂向向下位移應多考慮向下1個節距，車體垂直向下位移應多考慮半個節距，橫向應考慮側滾增加量。二系為橡膠堆，最惡劣的故障工況為剛度失效，故障工況考慮剛度降低到設計值70%，車體垂向向下位移應考慮剛度變化增加的垂向量，車體橫向位移應考慮單個二系故障帶來的側滾量。

3 雙動力地鐵打磨車限界校核

3.1 計算參數

根據以下軌道參數，依據2.3的計算方法進行各工況下車輛動態包絡線計算，并校核該工況下的車輛限界或設備限界。

3.2 計算結果校核

通過校核由線路(隧道與地面、直線與各種曲線)、車輛狀態(空重車、正常及故障、作業及走行)、車型(A&B車)組合的各個工況(見表4)，逐個校核車輛動態包絡線滿足A型&B2型限界要求。以下為部分校核結果，圖3為直線隧道限界校核結果，圖4為直線地面限界校核結果。

圖3 直線隧道限界校核結果

圖4 直線地面限界校核結果

4 結語

本文通過分析車輛和轉向架結構，提出了某型號雙動力鋼軌打磨車的限界計算方法，并驗證了該車輛同時滿足A型和B2型限界要求。根據計算數據表現，后續類似車輛研發或該車輛改進設計時，建議關注車體肩部區域的限界；B車作業狀態下上部限界較惡劣，應重點關注；車體側墻可考慮設置為斜面，車體斷面為上窄下寬的梯形，同時車體地板面處寬度可做到2 700 mm以上2 800 mm以內。