馬 凱，徐洪德，陳秉智，劉 昱

(1.青島中車(chē)四方軌道車(chē)輛有限公司，山東 青島 266111；2.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028；3.中車(chē)工業(yè)研究院有限公司，北京 100160)

傳統(tǒng)有軌電車(chē)采用鋼輪鋼軌系統(tǒng)，由輪軌間振動(dòng)引起較高的噪聲，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境影響較大。為克服噪聲大的缺點(diǎn)，近年來(lái)世界各地的研發(fā)機(jī)構(gòu)均進(jìn)行膠輪電車(chē)的研發(fā)工作[1]。

城市軌道交通的膠輪電車(chē)系統(tǒng)目前主要有單軌系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)和導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)系統(tǒng)等模式。單軌系統(tǒng)和自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)均為一種車(chē)輛與專(zhuān)用軌道梁組合成一體運(yùn)行的中運(yùn)量軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，存在建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)成本高、轉(zhuǎn)彎半徑大等缺點(diǎn)。在城市公共交通系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的公共汽車(chē)存在著運(yùn)量小、駕駛難度大、信息自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)[2]。為了解決以上問(wèn)題，加拿大龐巴迪公司于2000年研發(fā)出H型導(dǎo)向方式的膠輪電車(chē)(GLT)；法國(guó)NTL公司2006年研發(fā)出V型導(dǎo)向方式的Translohr膠輪電車(chē)。導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)是一種采用橡膠車(chē)輪在常規(guī)路面上承載和驅(qū)動(dòng)，由導(dǎo)向鋼輪沿著道路中間導(dǎo)軌引導(dǎo)車(chē)輛運(yùn)行的有軌電車(chē)[3]。

本文研究的多模塊鉸接式膠輪電車(chē)為三輛編組結(jié)構(gòu)，采用膠輪走行部和單元式鉸接車(chē)體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向方式采用了防脫H型結(jié)構(gòu)；采用DC 750 V車(chē)載儲(chǔ)能裝置供電；100%低地板設(shè)計(jì)，客室內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙貫通；通過(guò)的最小曲線(xiàn)半徑為15 m，最大爬坡能力為13%，最高運(yùn)行速度為80 km/h；可以與社會(huì)車(chē)輛混合路權(quán)行駛。

1 導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)架構(gòu)分析

導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)采用懸浮車(chē)輛鉸接編組架構(gòu)。電車(chē)基本編組形式為“Mc1+ Tp+ Mc2”。其中，Mc為帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē)；Tp為帶受電弓的拖車(chē)[4]。端部車(chē)體底部布置動(dòng)力走行部，中間車(chē)體與端部車(chē)體之間布置非動(dòng)力走行部。圖1為導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)架構(gòu)。表1為主要技術(shù)參數(shù)。

圖1 導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)架構(gòu)圖

表1 導(dǎo)軌式膠輪電車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

車(chē)體為多模塊通過(guò)鉸接機(jī)構(gòu)連接而成，搖架和鉸接機(jī)構(gòu)組成車(chē)體模塊的鉸接連接單元，同時(shí)也是車(chē)體與非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的連接單元。端部車(chē)體與中間車(chē)體通過(guò)鉸接連接單元連接，形成一個(gè)鉸接式編組。圖2為車(chē)體編組結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2 車(chē)體編組結(jié)構(gòu)原理圖

走行部(圖3)分為動(dòng)力走行部和非動(dòng)力走行部。動(dòng)力走行部由門(mén)式軸橋(轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成；非動(dòng)力走行部由門(mén)式承載橋和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成[4]。走行部與車(chē)體通過(guò)空氣彈簧、垂向液壓減振器等連接。采用雙拉桿牽引方式。

圖3 走行部示意圖

動(dòng)力走行部的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)軸與門(mén)式轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)軸橋連接(圖4)，轉(zhuǎn)向臂與軸橋的轉(zhuǎn)向節(jié)連接，非動(dòng)力走行部的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)直接與門(mén)式承載橋連接。

圖4中可以看出，對(duì)于端部車(chē)，端部車(chē)體通過(guò)懸掛裝置坐落在動(dòng)力走行部；當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪進(jìn)入曲線(xiàn)導(dǎo)軌后，在導(dǎo)向輪與鋼軌橫向力作用下，使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圍繞轉(zhuǎn)軸相對(duì)軸橋轉(zhuǎn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)向臂的作用下，橡膠車(chē)輪也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向。對(duì)于中間車(chē)，搖架通過(guò)懸掛裝置坐落在非動(dòng)力走行部；當(dāng)導(dǎo)向輪對(duì)著端部車(chē)進(jìn)入軌道曲線(xiàn)后，在導(dǎo)向輪與鋼軌橫向力作用下，通過(guò)門(mén)式承載橋使橡膠車(chē)輪產(chǎn)生側(cè)向力，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向。即該架構(gòu)下的動(dòng)力走行部為主動(dòng)轉(zhuǎn)向，非動(dòng)力走行部為被動(dòng)轉(zhuǎn)向。

圖4 走行部與車(chē)體關(guān)系簡(jiǎn)圖

2 鉸接機(jī)構(gòu)的作用原理

由于電車(chē)主要在城市或郊區(qū)的公路上行駛，公路的路況相對(duì)鋼軌比較復(fù)雜。當(dāng)橡膠輪胎經(jīng)過(guò)凸凹不平的坑道時(shí)，對(duì)于三輛編組的單元式鉸接車(chē)體，前、中、后三節(jié)車(chē)體會(huì)先后出現(xiàn)側(cè)滾，三節(jié)車(chē)體之間會(huì)形成較大的扭轉(zhuǎn)角度，這就要求前、中、后三節(jié)車(chē)體之間在鉸接點(diǎn)處關(guān)于縱向軸具有一定旋轉(zhuǎn)自由度來(lái)緩解鉸接處的受力。同時(shí)電車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)坡道，這就存在前、中、后三節(jié)車(chē)體有一節(jié)車(chē)體已經(jīng)進(jìn)入坡道，另外兩節(jié)車(chē)體仍處于水平路面上等情況，這時(shí)兩節(jié)車(chē)體之間形成一個(gè)夾角，這就要求前、中、后三節(jié)車(chē)體之間在鉸接點(diǎn)處關(guān)于橫向軸具有一定旋轉(zhuǎn)自由度。因此，在車(chē)體與貫通道之間的連接軸承需要選用，以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)為主要旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)在縱向軸和橫向軸也允許一定量的旋轉(zhuǎn)自由度，這才能保證車(chē)輛順利通過(guò)彎道、坑道、坡道等復(fù)雜線(xiàn)路情況。

圖5為下部固定鉸結(jié)構(gòu)，采用了鉸接軸承連接機(jī)構(gòu)，兩端與車(chē)體連接，為固定結(jié)構(gòu)；中部安裝在搖架上。保證固定鉸座通過(guò)鉸接軸承1繞垂直軸自由旋轉(zhuǎn)，與中間搖架之間通過(guò)鉸接軸承2繞垂直軸自由旋轉(zhuǎn)，在水平和橫向軸有一定的旋轉(zhuǎn)自由度，滿(mǎn)足了電車(chē)通過(guò)復(fù)雜線(xiàn)路的裝配自由度要求。

圖5 下部固定鉸結(jié)構(gòu)

在車(chē)體端部與搖架之間安裝抗側(cè)滾裝置來(lái)減小端部車(chē)體與貫通道之間的側(cè)滾角度；由于中間車(chē)體兩端連接的軸承都存在側(cè)滾方向的自由度，因此安裝三角拉桿式彈性抗側(cè)滾裝置來(lái)限制中間車(chē)體與搖架之間的側(cè)滾自由度；而端車(chē)與搖架之間可以允許車(chē)體發(fā)生點(diǎn)頭方向的運(yùn)動(dòng)，設(shè)置具有抗測(cè)滾裝置的自由鉸，如圖6所示。彈性鉸一端與車(chē)體連接；另一端通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與搖架相連。車(chē)體在水平曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈性鉸圍繞搖架上的關(guān)節(jié)軸承1轉(zhuǎn)動(dòng)；車(chē)體在豎曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈性鉸圍繞車(chē)體端的關(guān)節(jié)軸承2轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 上部鉸接結(jié)構(gòu)

3 車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

當(dāng)端部車(chē)體進(jìn)入水平曲線(xiàn)而第一個(gè)非動(dòng)力走行部未進(jìn)入曲線(xiàn)時(shí)，端部車(chē)體上部與彈性鉸圍繞關(guān)節(jié)軸承1共同旋轉(zhuǎn)；端部車(chē)體下部與固定鉸圍繞鉸接軸承1共同旋轉(zhuǎn)；實(shí)現(xiàn)車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7(a)所示。

當(dāng)端部車(chē)體與非動(dòng)力走行部全部進(jìn)入水平曲線(xiàn)時(shí)，搖架在走行部的作用力下將搖架轉(zhuǎn)動(dòng)，形成搖架與車(chē)體端部平行的姿態(tài)，如圖7(b)所示。以此類(lèi)推，車(chē)輛進(jìn)入水平曲線(xiàn)；反之離開(kāi)水平曲線(xiàn)。

當(dāng)端部車(chē)體進(jìn)入豎曲線(xiàn)時(shí)，固定鉸座圍繞鉸接軸承2轉(zhuǎn)動(dòng)；彈性鉸圍繞著關(guān)節(jié)軸承2轉(zhuǎn)動(dòng)；自由鉸的Z字型結(jié)構(gòu)在外力作用下，發(fā)生垂向轉(zhuǎn)動(dòng)；從而端部車(chē)體相對(duì)中間車(chē)垂向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入豎曲線(xiàn)。以此類(lèi)推，編組進(jìn)入豎曲線(xiàn)；反之，編組離開(kāi)豎曲線(xiàn)，如圖7(c)所示。

圖7 車(chē)體曲線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖

4 車(chē)體運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真

利用MSC ADAMS多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，建立整車(chē)多單元運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)模型(圖8)。點(diǎn)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副簡(jiǎn)化模型模擬導(dǎo)向輪與軌道的嚙合關(guān)系；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副模擬縱向牽引桿連接關(guān)系；接觸單元模擬橡膠輪胎與地面的摩擦滾動(dòng)；彈簧單元模擬空氣彈簧連接關(guān)系，球鉸模擬彈性鉸與自由鉸的連接關(guān)系[5]。

圖8 整車(chē)多單元運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)模型

計(jì)算時(shí)其端部車(chē)體下部的橡膠輪可以繞輪軸自轉(zhuǎn)，還可以通過(guò)導(dǎo)向輪的作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；且假設(shè)橡膠輪的方向與其下部的導(dǎo)向輪方向一致。

4.1 小半徑平曲線(xiàn)(R15 m)線(xiàn)路通過(guò)分析

為考察車(chē)體結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足小半徑平曲線(xiàn)通過(guò)，在MSC ADAMS中設(shè)計(jì)半徑為15 m的1/4圓模擬該車(chē)拐直角彎，如圖9(a)所示。檢查曲線(xiàn)通過(guò)過(guò)程中主要部件之間的干涉情況及最大轉(zhuǎn)動(dòng)角。

圖9 小半徑平曲線(xiàn)通過(guò)模擬仿真計(jì)算

通過(guò)仿真計(jì)算可以得出，車(chē)體與走行部之間、車(chē)體與搖架之間均未發(fā)生干涉；通過(guò)圖9(b)和圖9(c)可以看出，車(chē)體與走行部之間的最大轉(zhuǎn)角為16.7°，兩車(chē)體之間最大轉(zhuǎn)角為27.4°[5]，為車(chē)體尺寸優(yōu)化提供依據(jù)。

4.2 R200 m豎曲線(xiàn)、13%坡道的通過(guò)分析

為考察車(chē)體結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足小半徑豎曲線(xiàn)通過(guò)，在MSC ADAMS中設(shè)計(jì)半徑為200 m的豎曲線(xiàn)軌道。坡道的坡度為13%，根據(jù)相切原理，曲線(xiàn)長(zhǎng)度為25.87 m，坡度為13%的坡道長(zhǎng)取60 m，進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖10(a)所示。檢查排障器離地間隙和車(chē)體及搖架之間的轉(zhuǎn)角。

圖10 小半徑豎曲線(xiàn)通過(guò)模擬仿真計(jì)算

通過(guò)仿真計(jì)算可以得出，車(chē)體與走行部之間未發(fā)生干涉；通過(guò)圖10(b)和圖10(c)可以看出，排障器最小離地間隙為10.4 mm，端部車(chē)體相對(duì)于前搖架的轉(zhuǎn)角最大，為2.03°[5]；為關(guān)節(jié)軸承的選擇以及車(chē)體尺寸的優(yōu)化提供依據(jù)。

4.3 小半徑S形曲線(xiàn)通過(guò)分析

為考察車(chē)體是否滿(mǎn)足S形曲線(xiàn)通過(guò)，如圖11所示，在MSC ADAMS中設(shè)計(jì)半徑為15 m的S形曲線(xiàn)，軌道為兩個(gè)1/2圓相切連接(注：計(jì)算時(shí)不設(shè)S形曲線(xiàn)的夾直線(xiàn))。檢查S形曲線(xiàn)通過(guò)過(guò)程中主要部件之間的干涉情況及相對(duì)的最大轉(zhuǎn)角。

圖11 小半徑S形曲線(xiàn)通過(guò)模擬仿真計(jì)算模型

通過(guò)仿真計(jì)算可以得出，車(chē)體與走行部之間未發(fā)生干涉；車(chē)體與走行部的相對(duì)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在前端部車(chē)體，最大轉(zhuǎn)角為16.8°；兩車(chē)體最大扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)在后端部車(chē)體與中間車(chē)體之間，最大為28.0°[5]。

4.4 固定鉸受力分析

為了得到固定鉸垂向和橫向的受力狀態(tài)，在MSC ADAMS中計(jì)算不同工況下的鉸接裝置受力狀態(tài)?？紤]約束方程和系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，ADAMS利用帶拉格朗日乘子的拉格朗日第一類(lèi)方程的能量形式求出約束反力的原理，采用NewMark逐步積分法，獲得載荷時(shí)間歷程，取最大載荷校核強(qiáng)度[6]。不同載荷狀態(tài)下，固定鉸鉸接軸承安裝孔處的最大垂向載荷為45 kN，最大橫向載荷為55 kN。

5 曲線(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)

車(chē)輛編組后，分別在15 m半徑曲線(xiàn)、S形曲線(xiàn)和200 m半徑豎曲線(xiàn)線(xiàn)路上進(jìn)行試驗(yàn)(圖12)。

圖12 車(chē)輛曲線(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在15 m半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路通過(guò)時(shí)，車(chē)體與走行部無(wú)干涉；端部車(chē)體與橡膠車(chē)輪之間最小的間隙為100 mm。在S形曲線(xiàn)線(xiàn)路通過(guò)時(shí)，車(chē)體與走行部無(wú)干涉；端部車(chē)體與橡膠車(chē)輪之間的最小間隙為85 mm。在豎曲線(xiàn)線(xiàn)路通過(guò)時(shí)，車(chē)體與走行部無(wú)干涉；車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)異響。

在試驗(yàn)完成后，對(duì)固定鉸、自由鉸和彈性鉸進(jìn)行了拆解檢查，鉸接裝置無(wú)損傷。