某全自動駕駛地鐵車輛頭車軸重偏差計算與優化

侯明林,王軍民

中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

地鐵車輛軸重及偏差是關系到列車運動性能優劣的重要技術參數[1]。由于設計和制造原因,車輛實際軸重往往存在一定偏差,偏差過大會給車輛性能和使用壽命帶來不利影響。通過地鐵車輛軸重及偏差的計算,可以在設計階段將車輛軸重及偏差控制在規定的范圍內。本文介紹了某速度等級為80 km/h的A型全自動駕駛地鐵車輛底架設備布置方案和軸重偏差計算方法,通過對比該方案下頭車軸重偏差理論計算值與稱重數據之間差異,驗證了計算方法的準確性,提出了頭車軸重偏差的優化措施,為后續類似地鐵車輛頭車軸重偏差控制提供理論依據。

1 車輛底架設備布置方案

某速度等級為80 km/h的A型全自動駕駛地鐵列車由2個單元共6輛車組成,編組方式:-A*B*C=C*B*A-(-為全自動車鉤,=為半自動車鉤,*為半永久牽引桿),其中A車(頭車)為拖車,B車為帶受電弓的動車,C車為不帶受電弓的動車。車輛底架設備布置以便于維護、平衡軸重及利于管線布置為原則,將車輛重心盡量靠近縱橫中心線,實現軸重均勻分配。底架設備的分配情況詳見表1,底架設備布置見圖1～3。

圖1 A車底架設備布置圖

圖2 B車底架設備布置圖

圖3 C車底架設備布置圖

表1 底架設備分配

2 車輛軸重計算方法

地鐵車輛的轉向架上部車輛受力計算模型和轉向架受力計算模型[2],如圖4和圖5所示。圖4中F1為Ⅰ位轉向架二系簧的承載質量,F2為Ⅱ位轉向架二系簧的承載質量,Fg為轉向架上部車輛質量,Lsx為轉向架上部車輛重心在x軸上坐標,L1為車輛定距的一半。圖5中Fwi(i=1～4)為第i根車軸軸重,Fb1為Ⅰ位轉向架質量,Fb2為Ⅱ位轉向架質量,Lac1為Ⅰ位轉向架二系簧受力點與轉向架重心的縱向距離,Lac2為Ⅱ位轉向架二系簧受力點與轉向架重心的縱向距離,Lw為轉向架軸距。

圖4 轉向架上部車輛受力計算模型

圖5 轉向架受力計算模型

根據空間平行力系的平衡方程[3],可推導出如下車輛軸重計算公式。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Fwi(i=1～4)為第i根車軸軸重,Fg為轉向架上部車輛質量,Lsx為轉向架上部車輛重心在x軸上坐標,Fb1為Ⅰ位轉向架質量,Fb2為Ⅱ位轉向架質量,Lac1為Ⅰ位轉向架二系簧受力點與轉向架重心的縱向距離,Lac2為Ⅱ位轉向架二系簧受力點與轉向架重心的縱向距離。L1為車輛定距的一半,Lw為轉向架軸距。

各軸的軸重偏差RFwi按以下公式計算。

(5)

(6)

3 理論計算與稱重數據對比

本項目頭車軸重偏差計算參數見表2。

表2 軸重偏差計算參數

Ⅰ位轉向架的質量和重心與Ⅱ位轉向架不同,主要原因是Ⅰ位轉向架配備有被動式障礙物檢測裝置和信號天線及安裝支架,Ⅰ位轉向架見圖6。

圖6 Ⅰ位轉向架

式(1)～(6)可得頭車的軸重與軸重偏差,同時對5節A車在AW0工況下進行稱重,將計算數據與稱重結果進行對比見表3。由此可知,計算結果與稱重結果近似,在設計階段通過理論計算能夠預估整車軸重和軸重偏差情況。

表3 AW0工況下軸重理論計算與稱重數據對比

4 頭車軸重偏差的優化

根據表3可知頭車1軸的軸重偏差最大,同時由式(1)～(6)可推導出1軸軸重偏差為:

可通過減小轉向架上部車輛重心在x軸上坐標Lsx和Ⅰ位轉向架二系簧受力點與轉向架重心的縱向距離Lac1到達減少1軸軸重偏差的目的。一般而言,可通過優化底架設備布置減小Lsx。例如將質量較重的設備蓄電池和輔助逆變器靠近Ⅱ端布置,但本項目頭車底架設備布置(見圖2)已無優化空間。考慮將本項目頭車Ⅰ位轉向架上的信號天線及安裝支架挪至Ⅱ位轉向架,以減少Lac1,Ⅱ位轉向架示意圖如圖7所示,此時軸重偏差計算參數見表4。

圖7 II位轉向架示意圖(帶信號天線)

表4 軸重偏差計算參數(信號天線布置在II位轉向架)

頭車的軸重和軸重偏差與優化前的計算結果對比見表5,此時頭車1軸軸重偏差由6.34%降至5.94%,且其余各軸軸重偏差均有所降低,由此驗證了通過更改信號天線安裝位置降低1軸軸重偏差的有效性。

表5 AW0工況下軸重理論計算對比

5 結束語

本文介紹了某速度等級為80 km/h的A型全自動駕駛地鐵車輛底架設備布置方案和軸重偏差計算方法,通過對比計算值與稱重數據,驗證了計算方法的準確性,并提出了頭車軸重偏差的優化措施,為后續類似地鐵車輛頭車軸重偏差控制提供理論依據。