四模塊單車型低地板防折彎系統橫向減振性能研究

李小燕，劉少帥，李茂春，張建全

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

四模塊單車型低地板有軌列車在每節車中部正下方布置一個轉向架，兩個相鄰車體模塊通過單鉸裝置連接組成一個單元，單鉸裝置允許同單元內兩相鄰車體的水平旋轉運動[1]。兩個相鄰單元之間通過雙鉸裝置連接，雙鉸裝置允許相鄰單元之間車體的搖頭、點頭和側滾運動。四模塊單車型低地板布置見圖1所示。

由圖1可見，與每節車體兩個轉向架的傳統車輛相比，單車型低地板車體僅中部一個轉向架，相當于增加了車體額外的旋轉自由度，這使得車輛進入或駛出曲線時，車體和轉向架之間可產生較大的搖頭角，車體會產生不希望的位移和運動。特別是當車輛發生故障被救援推車時，額外的旋轉自由度將使同一單元內兩個相鄰車體之間發生彎折，最終導致車輛超出限界。在四模塊單車型低地板車體模塊之間安裝防折彎系統的目的是增加低地板車體模塊之間的運動約束。通過研究分析，防折彎系統對車體的運動約束表現在兩方面：一是對同一單元內前、后車體模塊的約束，防折彎系統通過液壓控制能使同一單元內兩節車的搖頭角始終保持一致，進而據此確認車輛的限界，防止車輛運行超限；二是對車體和轉向架相對運動的約束，防折彎系統可以為車輛提供二系減振阻尼，抑制車體相對于轉向架的橫向振動和轉向振動，為車輛提供更好的行駛舒適性。

本文主要對防折彎系統結構原理進行介紹，主要對其橫向減振性能進行了分析，通過研究防折彎系統緩沖閥組的相關性能參數，得出不同參數設置對橫向減振性能的影響，并通過線路試驗進行減振效果驗證。

圖1 四模塊單車型低地板的布置

1 系統結構原理

四模塊單車型低地板每個單元安裝一套防折彎系統，每套抗折彎系統由4個液壓控制缸、2個緩沖閥塊、緩沖缸、主控閥塊、輔助閥塊、蓄能器和控制器等部件組成，各部件之間通過液壓管路相互連通，液壓原理圖見圖2所示。每套防折彎系統是一個獨立封閉的液壓系統，其中主要決定系統功能特性的部件是液壓控制缸、緩沖缸，緩沖閥塊，其他部件起輔助作用，用于完成工作模式的切換、系統運行監控、系統壓力補充等功能。

控制液壓缸安裝于轉向架與車體之間，是整個系統的執行部件，當由軌道幾何形狀引起的前車車體和轉向架發生相對轉動位移時，前車控制液壓缸活塞桿被迫伸縮動作，促使單元內前、后兩個車體模塊液壓控制缸的油液進行交換，從而實現前面車輛對后面車輛轉動角度的控制。緩沖缸用于緩沖系統內的液壓峰值，在車輛正常行駛中限制液壓控制缸的最大作用力，同時降低系統剛度。緩沖閥塊可使系統具有一定的阻尼特性，實現對車體振動的抑制[2-4]。

圖2 防折彎系統液壓原理

2 系統橫向減振特性

2.1 橫向減振特性分析

低地板車輛車體和轉向架發生相對橫向運動時，同一節車輛內的兩個液壓控制油缸1和2通過管路相互連通，此時的液壓簡化模型如圖3所示。當活塞桿向右移動時，A2、B2腔壓力增大，A1、B1腔壓力減小，控制液壓油缸1內的液壓油從A2腔依次通過緩沖閥塊W1閥組節流閥和W3閥組的單向閥流入控制液壓油缸2的B1腔內，控制液壓油缸2內的液壓油從B2腔依次通過緩沖閥塊W4閥組節流閥和W2閥組的單向閥流入控制液壓油缸1的A1腔內，反之亦然。由此可見，在車體橫向振動時，單節車體模塊的兩個控制液壓油缸連通獨立工作，通過緩沖閥塊中各閥組的作用為車輛提供橫向減振阻尼，使列車具備更好的橫向舒適性和平穩性。

圖3 防折彎系橫向減振簡化模型

2.2 緩沖閥塊相關參數分析

防折彎系統緩沖閥塊由節流閥、限壓閥以及單向閥等部件組成。經初步分析：其中節流閥為系統提供減振阻尼力，阻尼力大小隨速度變化而變化；限壓閥用于限制系統最大阻尼作用力，防止液壓系統產生過高的內部壓力。

為研究緩沖閥塊中節流閥對系統橫向減振性能的影響，將節流閥孔徑分別設置成0.5mm、0.6mm，1.0mm、1.6mm ，其他參數設置相同，通過計算并繪制不同孔徑下阻尼力與速度的關系曲線。如圖4所示，孔徑為0.5mm時達到最大阻尼力所對應的響應速度最小，且阻尼力峰值最大；孔徑為1.6mm時達到最大阻尼力所對應的響應速度最大，阻尼力峰值最小。因此可以得出：節流閥孔徑是影響橫向阻尼力的重要因素，節流閥孔徑大小與系統橫向振動時產生的阻尼力峰值和阻尼力響應速度直接相關，當節流孔直徑取值越小，阻尼力曲線越陡，系統產生的阻尼力峰值越大，達到最大阻尼力所需的臨界響應速度越小[5-6]。

圖4 不同節流閥孔徑對阻尼力的影響

為研究緩沖閥塊中限壓閥對系統橫向減振性能的影響，將限壓閥的開啟壓力分別設置成10bar、12bar、16bar、20bar，其他參數設置相同，通過計算并繪制不同限壓閥開啟壓力下阻尼力與速度的關系曲線。如圖5所示，限壓閥開啟壓力為20bar時，系統的阻尼力峰值最大，限壓閥開啟壓力為10bar時，系統的阻尼力峰值最小。由此可得，限壓閥的開啟壓力對阻尼力峰值有影響，限壓閥開啟壓力設定值越大，系統允許的阻尼力峰值也越大。

圖5 不同限壓閥開啟壓力對阻尼力的影響

通過以上研究，緩沖閥塊對橫向減振特性的影響有兩方面：臨界響應速度的大小和阻尼力峰值，如圖6所示，A代表阻尼力峰值響應速度，通過調節節流閥的孔徑大小進行調節。B代表阻尼力峰值大小，可以通過調整限壓閥開啟壓力的大小改變。

圖6 防折彎系統阻尼特性

3 線路試驗驗證

為研究防折彎系統的橫向減振阻尼性能，對四模塊單車型低地板C車和D車防折彎系統緩沖閥塊設置兩組不同的阻尼參數，車輛地板上布置加速度傳感器，以速度為60Km/h運行，測量各車體在某線路上運行時的橫向振動加速度信號，以對車輛運行平穩性進行粗略評估，兩組參數的測試結果如下：

（1）測試1中，C車和D車防折彎系統緩沖閥塊的節流閥孔徑設置為1.5mm，限壓閥開啟壓力設置為10bar，車體的橫向振動加速度測試結果見圖7，橫向振動加速度幅值最大達到0.7g，人站在車上可感受到低頻的橫向晃動，乘坐舒適性受到明顯影響。

（2）測試2中，C車和D車防折彎系統緩沖閥塊的節流閥孔徑設置為0.5mm，限壓閥壓開啟力值設置成16bar，車體的橫向振動加速度測試結果見圖8，橫向振動加速度最大約0.3g，幅值下降近60%，平穩性和乘坐舒適性顯著提高。

圖7 測試1橫向振動加速度

圖8 測試2橫向振動加速度

4 結語

本文介紹了單車型低地板防折彎系統的結構，對橫向減振性能原理進行了研究，通過理論分析和線路試驗得出防折彎系統相關參數對橫向阻尼特性的影響，結果表明：

（1）防折彎系統中緩沖閥塊的節流閥、限壓閥參數與系統的橫向減性能密切相關。

（2）節流閥孔徑大小對系統產生的阻尼力峰值及臨界響應速度有明顯影響，孔徑越小，系統產生的阻尼力峰值越大且臨界響應速度越小；限壓閥的開啟壓力對系統阻尼力峰值有影響，限壓閥開啟壓力設定值越大，則系統產生的阻尼力峰值越大。

低地板有軌電車與機動車共用線路混跑，軌道曲線段分布多且曲線半徑小，這對車輛的曲線通過能力造成較大影響。在某些較差的線路上速度大于60km/h運行時，車體甚至會出現較明顯的橫向晃動問題。要解決這種橫向晃動問題，除了對車輛本身結構進行優化外，可通過調整防折彎系統緩沖閥塊中節流閥孔徑與限壓閥開啟壓力等參數，對車輛二系橫向減振阻尼性能進行調整，以得到與具體線路相匹配的橫向減振性能。