低地板列車車體減振技術研究

林昊

（福州職業技術學院，福建 福州 350000）

隨著城市化進程的發展，城市擁堵給市民的生活品質帶來了極大的負面影響，一個有效的措施是建設城市快速軌道交通設施，包括地鐵、跨坐式單軌等，其中，低地板列車由于對人口密度要求低、建設成本低等優越性，成為大中型城市發展快速軌道交通裝備的首選。本文主要分析100%低地板列車,該類型的車輛一般采用獨立輪對的形式，車廂地板距離軌道面垂向距離最低可達350mm左右，可以停靠在路面，無需建設高站臺，極大方便了乘客的上下車。

但是，低地板列車為了適應城市內的小曲線半徑線路，很難保證車體的重心處于轉向架正上方，此時，車體的重心會超過或者后于轉向架中心，形成轉動力矩，這樣的承載方式會加劇車體的點頭作用。這種現象對于低地板列車來說普遍存在，但是，在傳統車輛上是較難遇見，成為研究低地板車輛動力學問題的研究重點之一。

目前，廣泛采用的傳統轉向架，為了能夠降低地板高度，采用了浮車，五模塊編組。國內的相關研究主要集中在傳統客車和地鐵車輛，對于新型軌道交通裝備來說鮮有研究。本文基于線路試驗，測試分析100%低地板列車的車體振動特性，使用動力吸振原理對車體減振進行研究。

1 車體振動線路試驗

本文建立了國內常見的某低地板車輛的剛柔耦合車輛動力學模型，該模型中車體為彈性體，其他結構考慮成剛體。包括2個構架、4條輪對和8個轉臂軸箱還有車下懸掛裝置，構架、輪對和撤下懸掛各有6個自由度，軸箱轉臂只有一個點頭自由度。為了突出本文的重點，僅設計考慮了一個車下懸掛裝置。車輛系統振動方程可以表示如下：

方程中C、K和M分別為車輛系統的阻尼矩陣、剛度矩陣和質量矩陣；x為系統的坐標向量；為系統的非線性力，例如非線性的懸掛力和輪軌力，e為軌道不平順，T為軌道輸入的分布矩陣。

2 動力吸振器減振原理

本文針對低地板列車的運行情況，在一個試驗周期內，使用車輪踏面測試儀對車輪在一個璇修周期內的踏面外形變化進行測量，即在0km（即新車輪）、5萬km、10.8萬km、15.4萬km以及19.1萬km的運行情況下，對車輪踏面外形進行掃描測試。用等效錐度描述輪軌接觸幾何關系被鐵道車輛所廣泛應用，故將其作為本文重點研究的輪軌接觸線性化指標。當列車在軌道上運動時，其自由輪對的運動方程可以如下表示：

方程中，y、b、R分別為輪對的橫移量、輪軌接觸點的橫向跨距、車輪滾動圓名義半徑；v為輪對運行速度；?r為左右車輪的輪徑差。

對于錐形踏面，假設錐形踏面在橫移量為y處有傾斜角γ，那么存在以下關系：

對于非錐形踏面，可對其進行線性化處理后應用Klingel公式，計算可得等效錐度為：

在標準軌距且輪對內側距為1353mm情況下，將不同運營里程下的五種車輪踏面外形和CN60踏面進行匹配，可以計算等效錐度的變化趨勢。

對比結果可知，車輪的磨耗集中于踏面磨耗和輪緣磨耗這兩個部分。踏面磨耗是影響輪軌接觸幾何關系的重要因素，隨著運營里程的增加，踏面磨耗隨之增加，從而導致了等效錐度明顯增加。在運營里程為5萬km時，等效錐度增加了0.08，而當運營里程達到10萬km時，等效錐度卻僅僅增加了0.06，這表明在運營初期等效錐度變化迅速，之后增速降低。

隨著低地板列車運營里程的增加，輪緣會更加頻繁地貼靠鋼軌，此外，在運營初期，輪緣磨耗比較嚴重，而后輪緣磨耗速率降低。相比于踏面磨耗，輪緣磨耗的情況更加嚴重。

3 車體減振模型的建立

本節針對低地板列車的車下懸掛系統在一個鏇輪周期內車體和懸掛設備的耦合振動進行研究分析，尋找兩者間的規律。當列車以250km/h的速度運行時，車體中部和懸掛設備在隨機激擾下的振動加速度變化趨勢如圖1、2所示。

圖1 車體中部橫向振動加速度頻譜分析

從圖中可以看到，對于不同的運營里程，車體橫向振動加速度幅值在各個振動主頻下相差較大。列車從0km運營到19.1萬km時，車體中部在22Hz的主頻下加速度幅值分別為：0.013、0.016、0.025、0.029、0.031m/s2。從圖中不難發現，在運營里程為5萬km時，加速度增大了0.003m/s2，而在隨后的運營中，振動加速度明顯加大。

振動加速度幅值在運營里程為10.8萬km時達到了新輪時的2倍，而在15.4萬km和19.1萬km時，橫向加速度的增速變緩。同理對垂向振動加速度進行分析，其變化規律與橫向加速度相似。

從圖中可以看到，對于多個振動主頻，車體橫向振動加速度幅值在不同運營里程下相差較大。以10Hz的振動主頻為例，橫向加速度在0、5萬、10.8萬、15.4萬以及19.1萬運營里程下的幅值分別為：0.007、0.008、0.012、0.013和0.014m/s2。

從圖中不難發現，在5萬km時，設備的橫向振動差異很小，但是，隨著運營里程數的增加，橫向振動會隨之加劇。

圖2 懸掛設備振動加速度頻譜分析

4 最優匹配參數的選擇

在第3節的分析中可知，車輪磨耗會惡化車體和設備的橫向振動，所以本節對不同懸掛參數進行合理選擇，以降低車體和設備間的耦合振動。

如圖3所示，車輛的橫向平穩性指標隨著車輛運營將明顯變差，在列車從0km運營到19.1萬km的過程中，懸掛設備橫向剛度分別取0.3、0.5、0.7、0.9和1.1MN/m可有效改善車輛的橫向平穩性。綜合考慮其他因素的影響，將懸掛系統的橫向剛度控制在0.7～1.5MN/m比較合理。

圖3 懸掛參數對平穩性的影響

5 結語

（1）在運營的前5萬km內，車輪磨耗劇烈，隨后磨耗減緩。此外，相比踏面磨耗，輪緣磨耗的情況更加嚴重。

（2）車輪磨耗主要影響車下懸掛系統的橫向振動，對垂向振動影響較小。

（3）合理選擇懸掛參數可以有效抑制車輪磨耗對懸掛系統的影響，合理的橫向剛度取值范圍是0.7～1.5MN/m。