導軌式膠輪電車排障裝置的設計及研究★

李 茜

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

導軌式膠輪電車，簡稱“膠輪電車”,是中車研制的一種集公共汽車和輕量軌道交通優勢于一體的新型現代有軌電車，具有轉彎半徑小和爬坡能力強的特點，有效填補了國內城市公共交通的空白。膠輪電車一般和汽車公用一條馬路，不設專用路權[1]，路面上不可避免的存在一些磚塊、碎石等障礙物。為排除規定內側的這些障礙物[2]，保證列車運行的安全性，在列車司機室前端底部設有排障裝置如圖1所示。本文建立了車輛坡道曲線通過數學模型、車輛動力學模型和排障裝置有限元模型，對排障裝置的設計參數進行了詳細地校驗，對提升車輛運行安全性有著非常重要的意義。

圖1 膠輪電車結構組成示意圖

1 排障裝置結構設計

膠輪電車排障裝置，通過螺栓固定于司機室前端底部，用于排除車輛運行線路上的磚塊、碎石等小型障礙物，以保障車輛運行的安全性。

1.1 結構設計

膠輪電車排障裝置主要有排障板組件、吊裝臂、橡膠板及鋼絲繩吊具組成，犁頭狀外形設計，有利于排除車輛運行線路上的障礙物[3]。排障板組件由外圍板和內筋板組成，組焊成型，通過吊裝臂和鋼絲繩吊具固定在司機室前端底部，是排障裝置的主要組成部件，在排除障礙物過程中吸收大部分的碰撞能。排障裝置主承載結構見圖2（橡膠板與鋼絲繩吊具圖中未示）。

圖2 膠輪電車排障裝置主承載結構

1.2 主要技術參數

為了排除列車運行線路上的小型障礙物以保障車輛運行安全性，并滿足車輛坡道通過性能要求，排障裝置通過螺栓安裝固定后，排障板下沿離地高度40 mm，排障板最前端面距離頭車與中間車鉸接中心的距離8 930 mm。排障裝置在車體上固定牢固后，排障板前端板能夠承受相當于25 kN靜壓力的沖擊力。排障裝置主要技術參數見表1。

表1 排障裝置主要技術參數

2 坡道通過運動分析

膠輪電車最小轉彎半徑為15 m，最大爬坡坡度為13%，具有轉彎半徑小和爬坡能力強的特點[4]。排障裝置通過螺栓固定在司機室前端底部后，列車在平直道及彎道上運行時，排障裝置下沿離地高度面始終保持在40 mm左右，排障裝置安裝與否并不影響車輛的曲線通過性能。列車通過坡道時，隨著頭車逐漸駛入坡道過渡曲線，排障裝置前端底部離地高度逐漸減小，直至頭車后輪駛入坡道過渡曲線，離地高度減至最小值并維持不變。上述過程可分解為如下三個子過程。

2.1 子過程（一）

如圖3所示，頭車前端包括排障裝置已經駛過水平直道與坡道過渡曲線分解線但前端車輪尚未駛入坡道過渡曲線過程。該過程中，由于頭車前后端車輪均行駛在水平道路上，從而頭車始終保持水平姿態不變；但是由于頭車前端包括排障裝置已經進入坡道過渡曲線，該過程顯而易見地會導致排障裝置離地高度逐漸減小。該子過程可理想化為圖4所示的數學模型。

圖3 頭車前輪駛向但未駛入坡道曲線過程

圖4 頭車前輪駛向但未駛入坡道曲線過程的理想化數學模型

2.2 子過程（二）

如圖5所示，頭車前輪已經駛入坡道曲線且后輪尚未駛入坡道曲線過程。該過程，由于頭車前后端車輪分別行駛在坡道曲線和水平直道路線上，頭車處于不斷變化的坡道攀升姿態，頭車前端及其底部的排障裝置被逐漸地抬升。該子過程可理想化為附圖6所示的數學模型。

圖5 頭車前輪駛入坡道曲線但后輪尚未駛入過程

圖6 頭車前輪駛入坡道曲線但后輪尚未駛入過程的理想化數學模型

方程（1）中，（x1，y1）為排障裝置前端底部坐標值，θ為頭車爬升過程中的爬升角度；方程（2）中，（x0，0.04）為頭車與中間車鉸接連接點坐標值；方程（4）中，D為點（x1，y1）至點（0，200）的直線距離。

求解方程組（1）和（2）可得x1和y1如下：

求解方程組（3）和（4）可得：

根據（5）、（6）、（7），可求得點（x1，y1）到點（0，200）的距離為：

此過程中，排障裝置離地高度為（200-D）m。因此可推斷出，在頭車前輪已經駛入坡道曲線且后輪尚未駛入坡道曲線過程中，排障裝置離地高度仍然在逐漸減小。

2.3 子過程（三）

如98頁圖7所示，頭車前后端車輪均行駛在坡道曲線上。該過程中，由于頭車和中間車是通過鉸接連接的相對獨立的兩個個體，既相互鉸接連接，又相互獨立存在；因而，通過分析可顯而易見地得出“頭車處于既非直線又非爬升的固化行駛姿態”，進而得出該過程中“排障裝置距離軌面高度維持不變”的結論。

圖7 頭車前后車輪均駛入坡道曲線數學模型

3 結論

通過上述運動分析，可以得出如下結論：膠輪導軌電車按照既定設計參數配置排障裝置后，車輛從頭車前端駛入坡道曲線開始，排障裝置距離軌面的高度一直在減小，直至頭車后輪駛入坡道曲線，高度降到最小并保持不變，可順利通過R為200m過渡曲線的13%坡道，排障裝置可以滿足設計所需的排障能力，對提升車輛運行安全性有著非常重要的意義。