橡膠彈性輪對對輕軌車輛動力學性能的影響

許哲豐 龍 輝 劉 韋 白建軍

(1.無錫地鐵集團有限公司建設分公司, 214023, 無錫； 2.株洲時代新材料科技股份有限公司, 412007, 株洲；3.湘潭大學機械工程學院, 411105, 湘潭； 4.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所， 100081,北京∥第一作者， 工程師)

針對城市環境中的復雜地形，輕軌車輛面臨著提高運行平穩性、降低噪聲和減少輪軌磨耗的要求。目前，橡膠彈性輪對是一項非常行之有效的措施。文獻[1]基于ABAQUS仿真軟件建立彈性車輪輪軌接觸應力有限元模型，分析了直線和曲線線路上壓剪復合型彈性車輪輪轂與輪芯之間的橡膠元件變形及對輪軌接觸位置分布的影響。文獻[2]對彈性車輪進行了動態剛度測試，同時對其阻尼特性進行了計算，分析了其在不同工況下的減振降噪效果。文獻[3]在彈性車輪建模方法及對橡膠材料本構模型研究的基礎上，建立了相同直徑的有軌電車彈性車輪和剛性車輪有限元模型，并采用適用于大型對稱特征值問題的Block Lanczos 方法對這兩種車輪進行模態分析。文獻[4]建立了橡膠壓剪復合型彈性車輪與鋼軌耦合的三維有限元模型，基于材料非線性和幾何非線性，開展車輪的實際靜壓和滾動過程模擬，并與剛性車輪比較，得到了輪軌接觸壓力和鋼軌接觸斑的變化規律。

本文從輕軌車輛結構出發，建立了橡膠彈性輪對整車動力學模型，分析了不同工況下的車輛動力學性能，研究成果可為后續橡膠彈性輪對在輕軌上的研究提供參考。

1 輕軌車輛輪對結構及動力學模型

1.1 橡膠彈性輪對結構

輕軌車輛橡膠彈性輪對結構[1]如圖1所示。圖1中，輪對最外側為輪箍，與鋼軌接觸；輪對最內側為輪芯，通過過盈配合連接車軸；輪箍和輪芯之間為V型橡膠元件，共計30個，其通過壓環壓緊，再使用緊固螺栓進行固定。

a) 輪對整體結構 b) 輪對組件圖1 輕軌車輛橡膠彈性輪對結構Fig.1 LRV rubber elastic wheelset pair structure

彈性橡膠車輪與剛性車輪相比，輪芯和輪箍之間增加了橡膠彈性元件，即輪芯相對于輪箍具有6個自由度(分別為相對于x、y和z軸的移動，以及繞x、y和z軸的轉動，其中x向為車輛前進方向，y向為車輪的軸向，z向垂直于軌面)。在這6個方向上輪芯可以相對輪箍產生彈性變形，即彈性車輪輪芯相對于輪箍具有6個方向的變形剛度。彈性橡膠車輪的等效剛度通過試驗獲得，具體參數如表1所示。

表1 彈性橡膠車輪的等效剛度

1.2 輕軌車輛動力學模型

以某型輕軌車輛為研究對象，構建車輛動力學模型。該模型由1個車體、2個構架、4個輪對及8個軸箱構成。各個部件之間通過彈簧阻尼力元進行連接。一系懸掛包括一系鋼簧、一系垂向減振器、轉臂節點。二系懸掛包括二系空簧、橫向減振器、二系止擋、Z字型牽引裝置等。輪對踏面采用LM廓形。輕軌車輛的主要參數如表2所示。輕軌車輛的設計速度為80 km/h。

表2 輕軌車輛的主要參數

橡膠彈性輪對在SIMPACK中的建模過程如下：

1) 按照正常建模方法建立1個輪對，采用07號鉸接，將左側輪軌力元刪除；

2) 按照正常建模方法建立1個輪對，采用07號鉸接，將右側輪軌力元刪除；

3) 建立1個質量塊A，并通過0號鉸接鉸接到左側輪對上，輸入輪對質量、轉動慣量；

4) 建立1個質量塊B，并通過0號鉸接鉸接到右側輪對上，輸入輪對質量、轉動慣量；

5) 建立1個車軸，采用07號鉸接，不生成輪軌關系；在車軸左、右側和輪對連接位置設置點C、D；

6) 通過43號力元連接質量塊A和點C，以及質量塊B和點D；力元剛度選擇通過試驗獲得的彈性輪對橡膠元件的等效剛度數據。

2 輕軌車輛仿真模擬分析

2.1 輕軌車輛的穩定性

輕軌車輛穩定性的評價方法主要有兩種：一種方法是通過觀察高速運行工況下輕軌車輛輪對極限環的收斂情況，判斷車輛的非線性臨界速度；另外一種方法是車輛構架橫向加速度是否超過文獻[5]的要求。不同標準的要求不盡相同，依據文獻[5]，對輕軌車輛的穩定性進行分析。文獻[5]規定了構架中心處對應的橫向加速度均方根值的測量要求和合格標準。

采用第一種方法對輕軌車輛的穩定性進行分析。圖2為橡膠彈性輪對和剛性輪對對應的車輛分岔構型圖，兩種輪對對應分岔曲線圖均為亞臨界狀態。由圖2可見，橡膠彈性輪對的非線性臨界速度約為190 km/h，剛性輪對的非線性臨界速度約為210 km/h，兩者相差約10%，但均滿足輕軌車輛的設計速度80 km/h；橡膠彈性輪對非線性臨界速度低于剛性輪對，究其原因主要非線性臨界速度受一系水平剛度影響較大，橡膠彈性輪對降低了一系懸掛水平剛度，進一步降低了車輛非線性臨界速度。

2.2 輕軌車輛的直線線路通過能力

輕軌車輛在直線線路上運行時，主要考察車體平穩性和最大加速度兩項指標。GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》[6]規定的鐵道車輛車體平穩性指標等級,如表3所示。

表3 鐵道車輛車體的平穩性指標等級

a) 剛性輪對

b) 橡膠彈性輪對

計算輕軌車輛平穩性指標時，采用美國五級譜進行計算，以反映橡膠彈性輪對對線路的適應能力。

圖3為兩種輪對結構下的輕軌車輛以10～90 km/h的運行速度通過美國五級譜直線線路時的車體橫向和垂向平穩性指標。由圖3可知，當輕軌車輛運行速度從10 km/h增加到90 km/h的過程中，采用橡膠彈性輪對的車體橫向加速度分別為1.15 m/s2、1.35 m/s2、1.51 m/s2、1.60 m/s2、1.68 m/s2、1.92 m/s2、2.04 m/s2、2.08 m/s2、2.27 m/s2，采用剛性輪對的車體橫向加速度分別為1.20 m/s2、1.43 m/s2、1.58 m/s2、1.70 m/s2、1.87 m/s2、2.14 m/s2、2.30 m/s2、2.56 m/s2、2.70 m/s2；采用橡膠彈性輪對的車體垂向加速度分別為0.78 m/s2、1.15 m/s2、1.29 m/s2、1.40 m/s2、1.59 m/s2、1.65 m/s2、1.83 m/s2、1.85 m/s2、1.90 m/s2，采用剛性輪對的車體垂向平穩性指標分別為0.81、1.07、1.36、1.52、1.68、1.77、1.88、1.93、2.00。由此可見，采用橡膠彈性輪對的車體平穩性要優于剛性輪對；兩種輪對結構下的車體橫向平穩性差距較大，垂向平穩性差距較小；兩種輪對結構下車體的橫向平穩性和垂向平穩性在列車高速運行區段較大，在低速運行區段較小。

a) 車體橫向平穩性

b) 車體垂向平穩性圖3 輕軌車輛車體的平穩性-速度關系曲線Fig.3 LRV body stability-speed relationship curve

而對于車體垂向平穩性指標也存在相同的趨勢，如圖4橡膠彈性輪對對車體垂向加速度對應幅值分別為0.052 36、0.075 89、0.134 40、0.178 50、0.269 50、0.320 00、0.400 00、0.430 00、0.440 00，剛性輪對對應車體垂向加速度分別為0.036 5、0.068 6、0.133 0、0.198 0、0.292 0、0.350 0、0.440 0、0.472 0、0.455 0。而橡膠彈性輪對對車體橫向加速度分別為0.023 9、0.093 4、0.178 0、0.181 0、0.273 9、0.406 6、0.606 0、0.858 6、1.154 0，剛性輪對對應車體橫向平穩性指標分別為0.048 1、0.112 0、0.173 0、0.221 0、0.296 0、0.442 0、0.741 0、1.060 0、1.380 0。橡膠彈性輪對對車體平穩性要好一些。主要是因為橡膠元件相當于增加了為依據彈性懸掛的緣故能夠更好地消減輪軌激勵傳遞給車體的能量。

圖5為兩種輪對結構下的輕軌車輛以10～90 km/h速度通過美國五級譜直線線路時的構架橫向和垂向振動加速度。由圖5可見，所示不同速度下橡膠彈性輪對與剛性輪對構架橫向加速度在90 km/h情況下相差12%，垂向加速度相差約5%，剛性輪對構架橫向加速度要遠大于橡膠彈性輪對，兩者均小于UIC 518—2009中5.5 m/s2限制值，均符合標準要求，而垂向相差幅值較小，橡膠彈性輪對具有較好的線路適應能力。

a) 橫向加速度

b) 垂向加速度圖4 輕軌車輛車體振動加速度-速度關系曲線Fig.4 LRV body vibration acceleration-speed relationship curve

a) 橫向加速度

b) 垂向加速度圖5 輕軌車輛構架振動加速度-速度關系曲線Fig.5 LRV frame acceleration-speed relationship curve

圖6為兩種輪對結構下的輕軌車輛以80 km/h的速度通過直線線路時的輪軌橫向力和輪軌垂向力隨速度變化曲線。由圖6可見，橡膠彈性輪對對應的輪軌橫向力要遠小于剛性輪對，而其輪軌垂向力差值要小得多，且高速區間兩者的差值大于低速區間。通過在輪芯與輪箍之間增加彈性橡膠層，能夠有效緩解輪軌沖擊對車輛動力學性能的影響，而對應車體、構架的加速度則表現為不同程度的降低。

a) 輪軌橫向力

b) 輪軌垂向力圖6 輕軌車輛輪軌沖擊力-速度關系曲線

2.3 輕軌車輛的曲線線路通過能力

為研究輕軌車輛的曲線線路通過能力，選擇R(曲線半徑)為400 m的曲線線路和小半徑曲線線路兩種工況進行研究。R為400 m的曲線線路中直線段長100 m、緩和曲線長100 m、圓曲線長200 m、超高為0.12 m、車輛運行速度為60 km/h；小半徑曲線線路中直線段長100 m、無緩和曲線、R為150 m，圓曲線長60 m、無超高、車輛運行速度為5 km/h。

圖7為兩種輪對結構下的輕軌車輛以68 km/h的運行速度通過R為400 m的曲線線路時的輪軌橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數及輪軌磨耗功率。由圖7可見，橡膠彈性輪對和剛性輪對對應的各參數曲線均滿足GB 5599—1985的要求；剛性輪對對應的脫軌系數、輪軌橫向力及整車磨耗功率均大于橡膠彈性輪對，而針對輪軌垂向力和輪重減載率，兩者的差值則相對較小。

a) 脫軌系數

b) 輪重減載率

c) 輪軌垂向力

d) 輪軌橫向力

e) 整車磨耗功率圖7 輕軌車輛的曲線通過性能-時間關系曲線(R=400 m)Fig.7 LRV curve passing performance-time relationship curve (R=400 m)

圖8為兩種輪對結構下輕軌車輛以5 km/h的運行速度通過R為150 m的小半徑曲線時的輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數及輪軌磨耗功率。由圖8可見，兩種輪對結構下輕軌車輛在低速運行時各參數均達到GB 5599—1985的要求，且在該運行速度下上述各參數幅值相差很小。

a) 脫軌系數

b) 輪重減載率

c) 輪軌垂向力

d) 輪軌橫向力

e) 整車磨耗功率圖8 輕軌車輛的曲線通過性能-時間關系曲線(R=150 m)Fig.8 LRV curve passing performance-time relationship curve (R=150 m)

3 結論

1) 采用橡膠彈性輪對后增加了輪箍與車軸之間的剛度，相當于減小了一系懸掛的水平剛度。因此相對于剛性輪對，橡膠彈性輪對非線性臨界速度有一定的降低，但是仍然滿足輕軌列車運行速度80 km/h的設計要求。

2) 從輕軌列車的平穩性指標來看，在相同的運行速度下，由于增加了車軸和輪箍之間的彈性，相當于增加了消減輪軌沖擊的彈性元件，因此輪軌力傳遞到輪對、構架和車體的振動都得到一定程度的削減，提高了輕軌列車的舒適性。

3) 輕軌車輛以正常運行速度通過曲線線路時，兩種輪對結構都滿足GB 5599—1985的要求，但是彈性輪對對應的參數幅值低于剛性輪對；兩種輪對通過曲線線路時的輪軌磨耗功率也有一定差異，彈性輪對要明顯優于剛性輪對。