三模塊鉸接式有軌電車轉向架動力學性能研究

摘要：本文針對目前城市軌道交通領域重點關注的三模塊鉸接式有軌電車轉向架總體方案進行了設計，首先通過參考現(xiàn)有鉸接式車輛的結構，確定了轉向架系統(tǒng)的組成并對其關鍵部分進行了選型，之后建立了三模塊鉸接式有軌電車動力學模型，在SIMPACK中仿真得到了不同運行工況下車輛的動力學性能指標。研究結果表明，該三模塊鉸接式轉向架具有良好的直線運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性能，均滿足相關標準的要求，研究結果有望對三模塊鉸接式有軌電車的轉向架設計提供一定的思路。

關鍵詞：鉸接式列車；三模塊有軌電車；動力學；SIMPACK

中圖分類號：U270 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.007

文章編號：1006-0316 （2023） 02-0047-07

Dynamics Analysis on the Three-Module Articulated Tram Bogie

WANG Kang，ZENG Jing，MAO Rancheng

（ State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：In this paper， the overall scheme of the three-module articulated tram bogie， which is currently the focus of the urban rail transit field， is designed. Firstly， the composition of the bogie system is determined and its key parts are analyzed by referring to the structure of the existing articulated vehicle. After that， the dynamic model of three-module articulated tram is established， and the dynamic performance indicators of the vehicle under different operating conditions are simulated in SIMPACK. The research results show that the three-module articulated bogie has good linear running stability， ride comfort and curve passing performance， all of which meet the requirements of relevant standards. The research results are expected to provide certain ideas for the bogie design of the three-module articulated tram.

Key words：articulated train；three-module tram；dynamics；SIMPACK

城市軌道交通作為一種比較經(jīng)濟的大規(guī)模公共軌道交通系統(tǒng)，具有較大的運輸能力，并且安全、節(jié)能、方便、準時，同時城市軌道交通車輛的運行性能和乘坐舒適性都非常令人滿意，所以在很多城市已經(jīng)成為了大部分人們首選的出行方式[1]。為了使軌道車輛更方便、舒適、便宜和更具競爭力，許多國家的研究機構和軌道車輛制造商在有軌電車研究方面都投入了大量精力[2]。

目前世界上投入使用的有軌電車中絕大部分還是傳統(tǒng)車輛，需求驅動使得很多國家和城市已經(jīng)開始根據(jù)自己的需要來研究和設計有軌電車[3]。鉸接式有軌電車是一種新型有軌電車，其與傳統(tǒng)車輛相比減少了轉向架數(shù)量，節(jié)省了成本，并且減輕了列車整體質(zhì)量，由此降低了對軌道的要求和車輛運行阻力[4]。

很多國外的研究和發(fā)展已經(jīng)證明鉸接式車輛的優(yōu)勢非常突出。周勁松等[5]采用時域和頻域的分析方法對鉸接式高速列車、采用車端懸掛及車輛間無耦合裝置的高速列車的運行平穩(wěn)性進行了研究，表明車輛采用鉸接，其減振性能比僅采用車輛端懸掛的優(yōu)越。沈繼強等[6]利用SIMPACK多體動力學仿真軟件對5聯(lián)單元車組進行了運行安全性、穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性能分析，表明城軌列車鉸接式轉向架具有良好的動力學性能，能滿足城市軌道交通車輛的運行要求。汪群生等[7]運用SIMPACK軟件分別對三車四轉向架的鉸接式列車和三車六轉向架的傳統(tǒng)列車建立非線性動力學仿真模型發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)連接方式的列車比較，在相同的運行環(huán)境下，鉸接式列車在平直軌道上的動力學性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)式列車。

本文在參考國內(nèi)外鉸接式有軌電車的基礎上，確定了三模塊鉸接式轉向架的總體方案，并對相關零部件進行了分析和設計，建立了轉向架三維模型。結合動力學分析軟件SIMPACK建立了三模塊鉸接式有軌電車的動力學模型，根據(jù)GB/T 5599－2019[8]計算分析了車輛的運行穩(wěn)定性、直線運行平穩(wěn)性和曲線通過性能。

1 轉向架主要技術參數(shù)

本文中，三模塊有軌電車采用三車三轉向架的編組形式。這種編組形式已基本成熟，本次研究考慮將三個轉向架均設計為動力轉向架，保證三輛車的動力分布均勻并且可以減小驅動電機的功率和體積。三個車體之間通過鉸接裝置進行連接，車輛采用模塊化設計。

通過比較三模塊有軌電車的轉向架參數(shù)，結合相關要求，確定轉向架主要技術參數(shù)如表1所示。

2 轉向架主要結構

該三模塊有軌電車轉向架結構形式為無搖枕H型焊接構架，具有輕量化結構，同時具有一系橡膠堆定位裝置、橡膠彈簧減振裝置、二系空氣彈簧懸掛裝置、盤型制動裝置以及中央單牽引拉桿裝置。其具體結構如圖1所示。

2.1 構架組成

本文中，構架采用無搖枕H型焊接構架。側梁和橫梁內(nèi)部均為空心結構，極大減輕轉向架重量，側梁和橫梁內(nèi)部安裝焊接有加強筋板來增加構架承載能力。側梁上板位置延伸出齒輪箱和電機吊耳，電機安裝在側梁外側。在側梁上板中間位置設置有二系減振裝置安裝座，在橫梁上安裝有制動吊座、抗側滾裝置安裝座以及橫向和垂向油壓減振器安裝座，構架如圖2所示。

2.2 輪對軸箱裝置

輪對采用整體輾鋼車輪和鍛造車軸，車輪直徑600 mm、寬度125 mm，輪對內(nèi)側距1380 mm。輪對軸箱為橡膠彈簧定位方式，通過合理選取橡膠彈簧的剛度實現(xiàn)彈性定位，橡膠堆和橡膠彈簧還能為一系懸掛提供一定的剛度和阻尼。一系懸掛裝置是橡膠彈簧內(nèi)側懸掛的方式，減小了構架橫向尺寸。輪對軸箱裝置如圖3所示。

2.3 二系懸掛裝置

轉向架二系懸掛裝置主要有空氣彈簧以及橫向、垂向油壓減振器。為了防止出現(xiàn)側滾運動，還設置有抗側滾扭桿裝置。橫向止擋和橫向減振器的安裝座設計為一體。二系懸掛裝置如圖4所示。

2.4 基礎制動裝置

本文中采用的基礎制動裝置為盤型制動，這種制動方式可以將車輛運行過程中的動能轉化為熱能，以此實現(xiàn)車輛降速，穩(wěn)定性和安全性較高。制動缸和制動夾鉗通過螺栓連接與構架橫梁上的制動吊座相連，每個制動夾鉗上都有兩片制動閘瓦。基礎制動裝置的模型如圖4所示。

2.5 中心牽引裝置

牽引拉桿安裝在轉向架橫梁側面，另一端與車體連接，在橫梁側面上設置有牽引拉桿安裝底座。驅動電機采用縱置式永磁電機，電機吊掛在側梁外側，電機輸出端直接與車軸上的齒輪箱連接，輸出力矩可以直接傳遞到齒輪箱，進而帶動車輪和整車運動。中心牽引裝置模型如圖6所示。

2.6 車間鉸接裝置

本文采用車體鉸接的方式進行連接，不同的鉸接方式可以提供不同方向的自由度，傳遞車體間的作用力，替代車鉤緩沖裝置的作用[9]。1車與2車之間，下部布置固定鉸，上部布置轉動鉸；3車與2車之間，下部布置固定鉸，上部布置自由鉸。

同時在與固定鉸平行的橫向位置上布置兩個車間減振器，減小車輛運行過程中的縱向沖動，提高運行平穩(wěn)性。

3 車輛動力學仿真模型

鐵道車輛是一個復雜的多體系統(tǒng)，不但有各部件之間的相互作用力和相對運動，而且還有輪軌之間的相互作用關系[10]。因此，在動力學模型中要考慮模型建立基本假設和諸多非線性因素。在建立動力學模型的過程中，需要將部分剛度較大的部件處理成剛體，忽略其彈性變形。同時忽略鋼軌以及路基的彈性變形并且假設無跳軌現(xiàn)象的發(fā)生。

有軌電車在運行過程中，輪軌接觸幾何關系是動力學性能的重要影響因素。為了使有軌電車模型中的線路更符合實際情況，本文考慮非線性輪軌接觸幾何關系，采用特殊類型的車輪踏面和60R2槽軌相配合。調(diào)整輪對的Lateral wheel distance為0.7465 m，軌道的Lateral rail distance為0.754 m，采用kalker理論確定的輪軌摩擦系數(shù)為0.35，設置的kalker系數(shù)為1.0。將一系彈簧和空氣彈簧進行線性處理，二系懸掛中的其他裝置以及車間減振器進行分段線性處理。

三模塊鉸接式有軌電車的動力學模型由3個車體、3個構架、12個軸箱、6個輪對共24個剛體組成，共60個自由度，如表2所示。

車輛動力學模型如圖7所示。

4 動力學計算結果與分析

4.1 車輛運行穩(wěn)定性

本文采用蛇行失穩(wěn)臨界速度來評定車輛運行穩(wěn)定性。在150 km/h速度下，車輛系統(tǒng)一位輪對橫移時間歷程曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，有軌電車以150 km/h速度運行時，當施加的線路激擾消失后，輪對橫移量為零，趨于平衡位置，由此可判斷在該速度下，車輛系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

而在仿真時，當車輛速度達到150.1 km/h時，在線路激擾消失后，輪對橫移量不再趨于零，而是以一定幅值循環(huán)變化，在該速度下車輛系統(tǒng)失穩(wěn)。因此可以判定有軌電車的蛇行失穩(wěn)臨界速度為150 km/h，遠大于車輛最高運行速度80 km/h，滿足有軌電車在運行過程中的速度要求，車輛運行穩(wěn)定性滿足要求。

4.2 車輛運行平穩(wěn)性

通過在美國五級譜軌道激勵下對有軌電車系統(tǒng)在AW0和AW3兩個工況下的運行平穩(wěn)性分析，計算車輛系統(tǒng)在40～90 km/h速度區(qū)間上的平穩(wěn)性指標。

4.2.1" AW0工況運行平穩(wěn)性結果

經(jīng)過在SIMPACK動力學軟件中進行仿真分析，得到AW0工況運行平穩(wěn)性指標如圖9所示。

通過AW0工況下的橫向和垂向平穩(wěn)性指標數(shù)據(jù)可看出，車輛平穩(wěn)性指標數(shù)值隨著車輛速度的增加而增大。在速度達到90 km/h的時候，車輛平穩(wěn)性指標最大，橫向和垂向平穩(wěn)性指標均小于2.5，即在GB/T 5599－2019標準中，平穩(wěn)性等級可以達到一級，評定結果均為優(yōu)。

4.2.2" AW3工況運行平穩(wěn)性結果

AW3工況運行平穩(wěn)性指標如圖10所示。

可以看出，車體在AW3工況下的平穩(wěn)性指標較AW0工況的更加符合標準規(guī)定，平穩(wěn)性更好，車體的橫向和垂向平穩(wěn)性等級也均可以達到一級，評定結果也均為優(yōu)。因此車輛運行平穩(wěn)性滿足標準要求。

4.3 車輛曲線通過性能

有軌電車的線路存在大量小半徑曲線（曲線半徑不大于250 m），車輛通過曲線時存在明顯的輪緣貼靠現(xiàn)象，各項安全性指標接近限值，存在脫軌的風險，并且輪緣磨耗嚴重[11]。因此，非常有必要進行深入研究有軌電車在小半徑曲線上的通過性能。

本文設置了曲線半徑分別為50 m、100 m、150 m和300 m的小半徑曲線軌道。曲線工況的設置如表3所示。

設置了軌道參數(shù)后，將車輛模型分別在四條曲線軌道上運行，得到車輛通過曲線時三個轉向架前、后輪對的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率數(shù)值。

4.3.1" AW0工況曲線通過性能結果

經(jīng)過對車輛動力學模型進行仿真分析，得到AW0工況曲線通過性能結果如圖11所示。

通過AW0工況曲線通過性能結果可以看出，轉向架輪軸橫向力最大值為37.562 kN，小于標準限值，滿足設計要求。轉向架脫軌系數(shù)最大值為0.782，輪重減載率最大值為0.532，均符合安全標準，所以有軌電車在AW0工況下的曲線通過性能滿足標準要求。

4.3.2" AW3工況曲線通過性能結果

AW3工況曲線通過性能結果如圖12所示。由圖12可以看出，轉向架輪軸橫向力最大值為45.369 kN，脫軌系數(shù)最大值為0.724，輪重減載率最大值為0.547，均符合標準要求。所以有軌電車在AW3工況下的曲線性能也滿足標準要求。

5 結論

本文首先確定了三模塊鉸接式有軌電車轉向架的主要技術參數(shù)，分析了轉向架關鍵組成部分結構，然后建立了鉸接式轉向架三維模型以及車輛動力學模型，計算和分析了車輛的動力學性能，包括直線運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性能。可以得到結論：

（1）本文中的三模塊鉸接式有軌電車非線性臨界速度為150 km/h，完全滿足有軌電車在運行過程中的速度要求，即車輛的直線運行穩(wěn)定性滿足要求。

（2）車輛在AW0和AW3兩種工況下的

橫向和垂向平穩(wěn)性指標的值均小于2.5，平穩(wěn)性等級可以達到一級，評定結果均為優(yōu)，且車體在AW3工況下的平穩(wěn)性指標數(shù)值較AW0工況的更加優(yōu)秀。

（3）車輛在AW0和AW3兩種工況下的輪軸縱向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的計算結果都小于GB/T 5599－2019標準規(guī)定的限值，均符合安全標準，車輛的曲線性能滿足標準相關要求。

綜上，本文中的三模塊鉸接式有軌電車轉向架具有良好的動力學性能，完全可以滿足在日常運行過程中的要求，具有一定的參考價值和實際意義。

參考文獻

[1]喬平平. 城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模與城市經(jīng)濟發(fā)展之間的關系[J]. 城市軌道交通研究，2021，24（10）：276-277.

[2]韓雪松，滕愛兵. 關于我國現(xiàn)代有軌電車建設與發(fā)展的探討[C]. 世界軌道交通發(fā)展研究會年會暨中國軌道車輛技術與裝備交流大會，2014.

[3]王灝. 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實踐[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]皮國瑞，張立鵬，崔蕾. 單鉸接式100%低地板有軌電車列車動力學仿真分析[J]. 軌道交通裝備與技術，2021（5）：1-3.

[5]周勁松，任利惠，楊國楨，等. 鉸接式高速列車運行平穩(wěn)性[J]. 交通運輸工程學報，2003（3）：54-58.

[6]沈繼強，卜繼玲，黃運華. 城軌列車鉸接式轉向架方案及其動力學性能研究[J]. 鐵道機車車輛，2008（5）：36-39.

[7]汪群生，曾京，董浩. 基于SIMPACK鉸接式列車的動力學性能分析[J]. 城市軌道交通研究，2015，18（1）：32-34.

[8]國家標準化管理委員會. 機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范：GB/T 5599－2019[S]. 2019.

[9]丁長權，姜永輝，劉暉霞，等. 鉸接式輕軌車輛轉向架研制[J]. 技術與市場，2017，24（4）：58-61.

[10]羅湘萍，肖春昱，田師嶠. 城市軌道交通車輛轉向架雙T型鉸接式柔性構架動力學特性仿真研究[J]. 城市軌道交通研究，2018， 21（10）：44-47.

[11]汪群生，曾京，成元輝，等. 有軌電車小半徑曲線通過性能及關鍵參數(shù)研究[J]. 機車電傳動，2021（4）：14-19.

收稿日期：2022-04-27

作者簡介：王康（1998－），男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向為車輛工程，E-mail：kwang_up@163.com。