秦 舒

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司，200125，上海//工程師)

城市軌道交通車輛止擋的作用越來越受關(guān)注。文獻[1]分析了二系橫向止擋對列車動力學(xué)性能的影響。為了提高有軌電車的運行舒適性和安全性，其走行部除了設(shè)置了橫向止擋外，還設(shè)置了旋轉(zhuǎn)止擋[2-3]。

本文研究了二系旋轉(zhuǎn)止擋結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)(包括剛度和間隙)對100%低地板有軌電車車輛動力學(xué)性能的影響，有助于優(yōu)選止擋結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善車輛運行穩(wěn)定性，為轉(zhuǎn)向架設(shè)計提供參考。

1 100% 低地板有軌電車基本參數(shù)

本文研究的100% 低地板有軌電車采用5節(jié)編組(M1+F1+T1+F2+M2)，其編組順序如圖1所示。其中，M為動車，T為拖車，F(xiàn)為浮車體。車體之間采用鉸接式結(jié)構(gòu)。M1及M2各裝配了1個小輪徑的傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架，T1裝配了獨立輪對轉(zhuǎn)向架。

圖1 100%低地板有軌電車編組示意圖

有軌電車車輛的二系旋轉(zhuǎn)止擋位于構(gòu)架和車體之間，主要起到緩沖車體平面晃動的作用，以防止車體發(fā)生大角度轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)止擋高度為100 mm，位于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁旁，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)止擋和車體間的初始間隙對列車的動力學(xué)性能有一定影響[6]。

圖2 旋轉(zhuǎn)止擋

本文采用SIMPACK軟件對旋轉(zhuǎn)止擋建模，進行仿真分析。在X方向上，根據(jù)旋轉(zhuǎn)止擋特性曲線建立力元，如圖3所示。

圖3 X方向力元

在Y方向上， 主要存在旋轉(zhuǎn)止擋與車輛接觸而產(chǎn)生的摩擦力。根據(jù)F=μ·N，在軟件中設(shè)置力元測量正壓力N及摩擦系數(shù)μ，即可完成摩擦力F的計算。

仿真線路條件為直線線路，長為10 000 m, 在40～80 m段線路上有正弦激勵。仿真時間是100 s。

2 SIMPACK軟件仿真分析

在SIMPACK軟件中，根據(jù)已知的車輛參數(shù)，車體、輪對和轉(zhuǎn)向架均按剛體處理，車間鉸接用彈簧和阻尼器模擬，導(dǎo)入優(yōu)化設(shè)計后的踏面離散點文件和Ri59R2槽型軌文件，設(shè)置有間隙(特定數(shù)值間隙)和無間隙(設(shè)置剛度處理)的條件，建立整車模型如圖4所示。

圖4 有軌電車SIMPACK模型

通過非線性臨界速度的計算評判動車蛇行運行穩(wěn)定性。非線性臨界速度的計算將輪軌接觸非線性、結(jié)構(gòu)參數(shù)非線性、間隙及止擋等非線性因素考慮進來[7]。本文采用的非線性臨界速度的計算方法為：截取一段長度為50 m的不平順時域譜作為激擾，讓有軌電車以一定的速度通過不平順線路后，在直線線路上繼續(xù)運行，通過各剛體位移的收斂和發(fā)散情況來判斷機車是否失穩(wěn)。

2.1 旋轉(zhuǎn)止擋間隙選取

為了確定合理的旋轉(zhuǎn)止擋間隙，在1.0～3.0 mm間每隔0.5 mm設(shè)置旋轉(zhuǎn)止擋間隙，并分別對其穩(wěn)定性指標進行仿真分析，結(jié)果如表1所示。

表1 旋轉(zhuǎn)止擋間隙值不同時的列車穩(wěn)定性指標

由表1可知：直線上旋轉(zhuǎn)止擋間隙的設(shè)置對車體橫移量影響不大，但對車體振動性能有很大影響；當旋轉(zhuǎn)止擋的間隙為1.0～3.0 mm時，無論是橫向振動加速度還是垂向振動加速度均呈減小趨勢；其中，當旋轉(zhuǎn)止擋間隙為2.0 mm時，橫向振動Sperling指標均小于2.5，根據(jù)GB 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的要求，對應(yīng)評定等級為優(yōu)，車輛動力學(xué)性能最佳。因此，本文僅按旋轉(zhuǎn)止擋設(shè)置2.0 mm間隙工況和不設(shè)置間隙工況，對車體發(fā)生一次蛇行運動的情況進行分析。

2.2 車體一次蛇行運動情況分析

2.2.1 旋轉(zhuǎn)止擋設(shè)置2.0 mm間隙的工況

在SIMPACK中設(shè)置2.0 mm的止擋間隙，仿真時間為100 s。當列車速度為8～13 m/s時，該有軌電車車體發(fā)生一次蛇行前后的仿真情況如圖5所示。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)止擋不設(shè)置間隙的工況

當旋轉(zhuǎn)止擋無間隙時，在SIMPACK中設(shè)置旋轉(zhuǎn)止擋為某一特定的剛度值，仿真時間為100 s。當列車速度為8～20 m/s時，該有軌電車車體發(fā)生一次蛇行前后的方針情況如圖6所示。

2.3 綜合分析

由圖5～6知：旋轉(zhuǎn)止擋設(shè)置間隙與否影響了車體一次蛇行運動臨界速度。經(jīng)分析，由于中間拖車轉(zhuǎn)向架采用了獨立輪對，不存在縱向蠕滑力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩，降低了輪對的導(dǎo)向能力，因而拖車導(dǎo)向輪在仿真開始時就產(chǎn)生偏離。

圖5 旋轉(zhuǎn)止擋間隙為2.0 mm時的有軌電車車體一次蛇行情況

圖6 旋轉(zhuǎn)止擋無間隙時的有軌電車車體一次蛇行情況

圖5表明，如旋轉(zhuǎn)止擋間隙按2.0 mm設(shè)置，則當列車速度為13 m/s(約47 km/h)時，車體運動發(fā)散，其橫向位移明顯開始增加。圖6表明，如旋轉(zhuǎn)止擋無間隙，則當列車速度為9 m/s(約32 km/h)時，車體運動發(fā)散，其橫向位移開始明顯增加。

可見，同等條件下，與旋轉(zhuǎn)止擋無間隙工況相比，旋轉(zhuǎn)止擋間隙按2.0 mm設(shè)置的有軌電車穩(wěn)定性更好。

3 結(jié)論

1) 同等條件下，相比旋轉(zhuǎn)止擋無間隙的情況，旋轉(zhuǎn)止擋有間隙的有軌電車車體一次蛇行發(fā)生更晚，其車體穩(wěn)定性更好。

2) 在設(shè)計有軌電車車輛轉(zhuǎn)向架時，考慮二系旋轉(zhuǎn)止擋的作用，將旋轉(zhuǎn)止擋間隙設(shè)置為2.0 mm可降低車體橫向振動，改善車體一次蛇行狀況，有助于提高車體舒適性。