楊懷生，尚歌

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

隨著現(xiàn)代城市軌道交通的快速發(fā)展，軌道車輛（下文簡稱車輛）應(yīng)具備高安全性、高可靠性、高載客量、低能耗等性能。車輛重量作為軌道車輛的關(guān)鍵參數(shù)，直接決定著軌道車輛的碰撞性能、載客能力、動力學(xué)性能、牽引性能、制動性能、能耗及車輛壽命等各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。本文根據(jù)多個(gè)國內(nèi)外軌道車輛項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)，探討并總結(jié)了城市軌道車輛的重量管理方法（包括計(jì)算和測定方法）。

1 重量管理

重量管理是軌道車輛正向設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，應(yīng)貫穿于車輛的設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)證等過程中。

在概念設(shè)計(jì)階段，專業(yè)負(fù)責(zé)人重量管理經(jīng)理根據(jù)合同要求及以往項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將重量指標(biāo)分配給車輛的各個(gè)子系統(tǒng)。

在方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師將進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，以滿足分配的重量指標(biāo)。設(shè)計(jì)師報(bào)告所有偏離指標(biāo)重量的情況，重量管理經(jīng)理需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析。如果車輛的重量超出合同的限制值，重量管理經(jīng)理將與設(shè)計(jì)師討論相應(yīng)子系統(tǒng)的減重方法，并在必要時(shí)修改其設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師還應(yīng)提供各子系統(tǒng)的重量和重心，重量管理經(jīng)理基于這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出車輛的重量、重心、軸重平衡偏差（下文簡稱軸重偏差）和輪重平衡偏差（下文簡稱輪重偏差），并將車輛的重量和重心輸出給子系統(tǒng)，用于初步的車體及構(gòu)架強(qiáng)度分析、列車碰撞性能計(jì)算、動力學(xué)性能計(jì)算、牽引性能計(jì)算、制動性能計(jì)算、及整車的能耗分析。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，重復(fù)上一階段的重量評估過程。同時(shí)，重量管理經(jīng)理基于子系統(tǒng)更新后的重量和重心，計(jì)算出最終車輛理論重量、重心、軸重偏差和輪重偏差，并將車輛的重量和重心輸出給子系統(tǒng)，用于最終的車輛各項(xiàng)性能計(jì)算分析。

在車輛的零部件制造階段，分包商將根據(jù)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范和圖紙制造子系統(tǒng)設(shè)備。完成首件試制后，分包商應(yīng)對首件進(jìn)行稱重，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的重量。如果稱重值超出重量指標(biāo)，需要修改設(shè)計(jì)以滿足重量要求。

在整車制造試驗(yàn)階段，完成車輛裝配后，將對車輛進(jìn)行稱重，并對稱重結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)重量、軸重平衡偏差和輪重平衡偏差。

2 計(jì)算方法

軌道車輛是由各個(gè)子系統(tǒng)部件組裝而成，各個(gè)子系統(tǒng)部件均有自身重量和重心。重量管理計(jì)算是基于車輛各個(gè)子系統(tǒng)輸入部件級的重量和重心，計(jì)算出車輛的重量、重心、軸重偏差及輪重偏差。

在計(jì)算車輛重心、軸重偏差及輪差過程中，首先需要建立參考坐標(biāo)系，參考坐標(biāo)系如下圖1所示。

X軸：取車輛的縱向中心線為X軸；

Y軸：取車輛的橫向中心線為Y軸（橫向中心即車輛定距中心）；

Z軸：取車輛的垂向中心線為Z軸；

原點(diǎn)：取軌面上X、Y、Z軸的相交點(diǎn)為原點(diǎn)。

圖1 車輛坐標(biāo)系示意圖

軌道車輛的重心是依據(jù)力系平衡方程和力矩平衡方程原理計(jì)算而得。靜態(tài)力系平衡方程和空間力矩平衡方程分別為：

由上述方程原理可得出車輛重心的計(jì)算方程：

軸重平衡偏差計(jì)算方程：

輪重平衡偏差計(jì)算方程：

由上述方程可得出理論的車輛重量、重心、軸重偏差和輪重偏差。

對于城市軌道車輛，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對軸重偏差和輪重偏差進(jìn)行了規(guī)定，其中標(biāo)準(zhǔn)GB/T7928《地鐵車輛通用技術(shù)條件》和GB50157《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定如下：

同一動車的每根動軸上所測得軸重與該車各動軸實(shí)際平均軸重之差，不應(yīng)超過實(shí)際平均軸重的2%；

每個(gè)車輪的實(shí)際輪重與該軸兩輪平均輪重之差，不應(yīng)超過該軸兩輪平均輪重的±4%。

在設(shè)計(jì)階段，理論的軸重偏差和輪重偏差，也都按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

由車輛重量管理的計(jì)算方法可知，為確保車輛的軸重和輪重合理分配，設(shè)備布置應(yīng)充分考慮對稱性和集成化布局，進(jìn)而提高列車的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 測定方法

在車輛零部件制造階段，需要對各個(gè)零部件進(jìn)行稱重，不允許超過設(shè)計(jì)重量指標(biāo)要求。

在整車制造試驗(yàn)階段，為保證整車軸重偏差和輪重偏差滿足上述要求，在車輛上體（不包含轉(zhuǎn)向架）完成裝配后，需要使用四點(diǎn)稱重儀進(jìn)行四點(diǎn)稱重，確保上體的重量平衡滿足下述要求。如果不滿足要求，需要在簧上進(jìn)行加墊調(diào)整。

轉(zhuǎn)向架完成裝配后，模擬車輛上體重量對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，確保輪重偏差不超過2%。如果不滿足要求，需要在簧下進(jìn)行加墊調(diào)整。

車輛上體與轉(zhuǎn)向架連接，完成車輛裝配后，采用稱重臺，對整車重量、軸重偏差及輪重偏差進(jìn)行測試，進(jìn)而判斷是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 應(yīng)用

國內(nèi)某軌道車輛制造公司一出口的A型、寬軌的地鐵車輛項(xiàng)目，按照上述管理方法進(jìn)行了重量管控。

結(jié)合該項(xiàng)目的總體參數(shù)，將上述重量管理的計(jì)算公式輸入在Excel文件中，然后，按照零部件的層級，在對應(yīng)位置輸入車輛所有零部件的重量和重心參數(shù)，自動計(jì)算出車輛的總重、軸重偏差和輪重偏差等數(shù)據(jù)。

該項(xiàng)目的車輛寬度3040mm，車輛長度22180mm，軸距為2500mm，車輛定距16150m，軌距1600mm。根據(jù)合同要求，AW0工況對應(yīng)于空車狀態(tài)。依據(jù)上述公式及參數(shù)計(jì)算車輛的重量、軸重偏差和輪重偏差，并按照上述測定方法進(jìn)行測試驗(yàn)證。

計(jì)算車輛重量、實(shí)際車輛重量及理論與實(shí)際偏差值，如表1所示。

表1 各車型的車輛重量（kg）

計(jì)算軸重偏差和實(shí)際軸重偏差，如表2所示。Tc車和DT車為拖車，標(biāo)準(zhǔn)對軸重偏差無明確要求，但為保證車輛的輪重減載率滿足60%的要求，建議不大于4%。Mp車為動車，計(jì)算軸重偏差和實(shí)測軸重偏差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 各車型的最大軸重偏差

計(jì)算輪重偏差和實(shí)際輪重偏差，如表3所示，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 各車型的最大輪重偏差

在設(shè)計(jì)階段，將上述理論參數(shù)作為車輛各性能計(jì)算分析的輸入?yún)?shù)。通過動態(tài)試驗(yàn)證明，試驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果吻合度較高，間接佐證了上述管理方法的有效性和計(jì)算方法的正確性。

5 結(jié)語

車輛重量作為軌道車輛基本性能參數(shù)，直接影響著車輛的整體性能。本文闡述了重量管理方法、計(jì)算方法及測定方法。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，從設(shè)計(jì)到制造、從零部件到整車，在各階段對車輛各級部件的重量進(jìn)行了精確管控。工程驗(yàn)證表明，上述方法能對整個(gè)車輛設(shè)計(jì)過程的重量參數(shù)進(jìn)行有效管理，與實(shí)際情況偏差較小，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。這為車輛的輕量化設(shè)計(jì)及整車性能優(yōu)化提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，從而對研發(fā)出具有高安全性、高可靠性、高載客量、高節(jié)能性的城市軌道車輛具有重要意義。