崔世齊,肖 磊,楊 勇,劉 彪,閭志明,周承明

1.湖南中車智行科技有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410006

2.湖南省多鉸接膠輪運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410006

0 引言

輪載分布是車輛穩(wěn)定性和安全性的一個(gè)重要參數(shù),輪重、軸重偏差會(huì)使得車輪與路面接觸的面積和壓力分布發(fā)生變化,導(dǎo)致車輛加速性能不穩(wěn)定;使制動(dòng)力分布不均,導(dǎo)致車輛的制動(dòng)性能不均衡;對(duì)車輛的懸架系統(tǒng)產(chǎn)生不均勻的負(fù)荷,影響懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命;使得車輛輪胎的磨損不均勻,縮短輪胎的使用壽命,增加車輛運(yùn)營(yíng)成本;使車輛的重心發(fā)生偏移,車輛在行駛過(guò)程中容易發(fā)生側(cè)翻或失控。因此,新造車輛必須滿足我國(guó)對(duì)城市軌道車輛的軸重、輪重偏差的規(guī)定。

文獻(xiàn)[1]針對(duì)五模塊鉸接式浮車型有軌電車重量計(jì)算和設(shè)備布局優(yōu)化方法開(kāi)展研究,實(shí)現(xiàn)設(shè)備布置優(yōu)化效率大幅提高,整備狀態(tài)下的軸重偏差與輪重偏差優(yōu)化到0,實(shí)現(xiàn)滿座、額載和超重工況下輪重偏差均小于1.5%;文獻(xiàn)[2]以鉸接式動(dòng)車組為計(jì)算模型,詳細(xì)闡述了鉸接式軌道車輛軸重、輪重的計(jì)算方法和過(guò)程;文獻(xiàn)[3]根據(jù)儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車的結(jié)構(gòu)特性,推導(dǎo)了車輛軸重和輪重計(jì)算方法,運(yùn)用此方法編寫相關(guān)計(jì)算文件并對(duì)車輛進(jìn)行了軸重和輪重計(jì)算;文獻(xiàn)[4]基于分析力學(xué),開(kāi)發(fā)了位移彈簧、重力力元,編寫了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)靜平衡程序,分析了車體重心偏移和一系彈簧加墊量對(duì)機(jī)車軸重分配的影響;文獻(xiàn)[5]針對(duì)車輛的同軸輪重偏差問(wèn)題,在 SIMPACK 中建立了具有不同輪重偏差情況的地鐵車輛動(dòng)力學(xué)模型,研究輪重偏差與其脫軌系數(shù)和輪重減載率的關(guān)系;文獻(xiàn)[6]研究了多鉸接五模塊低地板車的軸重均衡化方法,提出了一種全新的軸重均衡化方法,即鉸鏈調(diào)整法。

在以上基礎(chǔ)上,本文以三編組智軌電車為計(jì)算模型,詳細(xì)闡述智軌電車軸重、輪重的計(jì)算方法和過(guò)程,通過(guò)增加電子控制空氣懸架系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)輪重和軸重偏差,優(yōu)化智軌電車輪重和軸重偏差問(wèn)題,使其結(jié)果明顯優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 智軌電車車軸分布

三模塊智軌電車采用“=Mc1+Tp(M)+Mc2=”編組(見(jiàn)圖1),分為Mc1車、Tp(M)車和Mc2車3個(gè)模塊,整車配置6個(gè)單軸膠輪轉(zhuǎn)向架,該型車輛每個(gè)模塊配置2 個(gè)膠輪轉(zhuǎn)向架,車輛共包含2(4)個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和4(2)個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架,轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪型式。各模塊間通過(guò)雙鉸接盤連接,主要允許車輛模塊在一定范圍內(nèi)繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 三模塊智軌電車編組形式

2 智軌電車軸重計(jì)算方法

2.1 車輛重量計(jì)算模型簡(jiǎn)化

考慮到雙鉸接裝置處承受的附加垂向力可忽略不計(jì),將車輛從雙鉸接通道處斷開(kāi),分為Mc1車、Tp(M)車和Mc2車3個(gè)模塊。將單模塊車輛分成2部分進(jìn)行計(jì)算,如圖2所示:單模塊簧上部分作為一個(gè)剛體,每個(gè)單軸轉(zhuǎn)向架的2 個(gè)空氣彈簧對(duì)車輛模塊的支持力簡(jiǎn)化為2個(gè)中心支持力處理。

圖2 單模塊車輛簧上和簧下部分

2.1.1 符號(hào)和含義

模型計(jì)算過(guò)程中所使用的符號(hào)和含義如表1所示。

表1 計(jì)算用參數(shù)與符號(hào)

2.1.2 力的傳遞路徑

智軌電車每個(gè)模塊(Mc1車、Tp(M)車和Mc2車)的受力傳遞路徑為:車體安裝設(shè)備—車體—空簧— 懸架—車輪—地面?；缮虾突上略O(shè)備受力分析如圖3和圖4所示。

圖3 簧上部分設(shè)備受力分析

圖4 簧下部分設(shè)備受力分析

2.1.3 坐標(biāo)系規(guī)定

以轉(zhuǎn)向架1軸幾何對(duì)稱中心在地面的投影為原點(diǎn),建立坐標(biāo)系。 坐標(biāo)系的x軸為車輛的縱向中心線,x軸正向指向司機(jī)室方向。站在車輛內(nèi)部面向司機(jī)室方向,左手邊為y軸正向,z軸為垂向中心線,向上為正方向,坐標(biāo)系符合右手定則。坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 智軌車輛模型計(jì)算坐標(biāo)系

圖6 智軌電車車頂設(shè)備布置

2.2 簧上總成重量和重心計(jì)算

簧上總成(車體以及車體上所有安裝的設(shè)備)的重量和重心為各系統(tǒng)重量和重心的加權(quán)平均值(以下討論若是沒(méi)有特殊說(shuō)明,都是對(duì)Mc1模塊進(jìn)行分析)?；缮峡偝芍亓亢椭匦挠?jì)算如下。

(1)

2.3 軸重及輪重計(jì)算方法

Mc1車輛模塊平行力系方程如下。

(2)

(3)

Mc1車輛模塊簧上總成受力分析如下。

(4)

Mc1車輛模塊簧下總成受力分析如下。

(5)

(6)

2.4 輪重的不平衡率計(jì)算

根據(jù)《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》對(duì)我國(guó)的城市軌道車輛的輪、軸重偏差的規(guī)定,同一動(dòng)車的每根動(dòng)軸上所測(cè)得的軸重與該車各動(dòng)軸實(shí)際平均軸重之差應(yīng)為實(shí)際平均軸重的±2%;每個(gè)車輪的實(shí)際輪重與該軸2輪平均輪重之差為該軸2輪平均輪重的±4%。動(dòng)軸偏差(Rz)和輪重偏差(Rw)計(jì)算如下。

動(dòng)軸偏差(Rz):

{Rz={FZn-(Fz(2i-1)-Fz(2i))/2)/((Fs(2i-1)+Fz(2i))/2)×100%

(7)

式中:i為模塊,例如i=1表示計(jì)算的是模塊1動(dòng)軸偏差,i的取值范圍與智軌車輛編組有關(guān),本文模型以三遍組智軌車輛進(jìn)行計(jì)算,因此i的取值范圍是i=1、2、3。

輪重偏差(Rw):

(8)

2.5 設(shè)備布局與軸重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述模型,分別求解出4個(gè)膠輪所受的支持力FL1、FL2、FL3、FL4,以及車輪輪重平均值的偏差(Rw)。同理,可分別求解出M車和Mc2車2個(gè)模塊膠輪所受的支持力。

以某個(gè)編組形式為“=Mc1+Tp+Mc2=”項(xiàng)目中的智軌電車為例進(jìn)行計(jì)算,此車輛共包含2個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架(軸1和軸6)和4個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。根據(jù)式(1)計(jì)算出簧上總成(車體以及車體上所有安裝的設(shè)備)的重量和重心坐標(biāo),為減小輪重的不平衡,設(shè)備布局應(yīng)盡量對(duì)稱布置,優(yōu)化后的智軌電車車頂設(shè)備布置結(jié)果如圖 6所示 (其他位置設(shè)備布局優(yōu)先對(duì)稱布置,智軌電車Mc1車和Mc2設(shè)備布局中心對(duì)稱)。

根據(jù)式(2)～(6)計(jì)算出智軌電車各膠輪理論載荷。編組型式為“=Mc1+Tp+Mc2=”項(xiàng)目中的智軌電車,模塊1和模塊3均有且只有1個(gè)軸為動(dòng)軸,因此式(7)不再適用,計(jì)算動(dòng)軸偏差沒(méi)有意義。根據(jù)式(8)計(jì)算出智軌電車各軸輪重的偏差,如圖7所示。車輛過(guò)檢測(cè)線實(shí)際稱重計(jì)算出各軸實(shí)際輪重偏差數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各軸實(shí)際輪重偏差

圖7 各軸左右輪重偏差

根據(jù)圖7與表2,可得出車輛在不同工況下輪重偏差的實(shí)際與理論計(jì)算偏差數(shù)據(jù),如圖8～10所示。

圖8 AW0工況下輪重偏差的實(shí)際值與理論計(jì)算值

圖9 AW2工況下輪重偏差的實(shí)際值與理論計(jì)算值

圖10 AW3工況下輪重偏差的實(shí)際值與理論計(jì)算值

理論與實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表明:某個(gè)編組型式為“=Mc1+Tp+Mc2=”項(xiàng)目中的智軌電車左右輪重偏差控制在4.1%以內(nèi),非常接近《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》對(duì)我國(guó)的城市軌道車輛的輪重偏差的規(guī)定;帶司機(jī)端車軸(軸1和軸6)相比其他車軸明顯受到壓力更大。由于在建立模型時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,計(jì)算簧上總成的重量和重心坐標(biāo)時(shí)采用加權(quán)平均值也會(huì)存在一定誤差,最終導(dǎo)致輪重偏差的實(shí)際值與理論計(jì)算值有較大偏差,在AW0工況下偏差最大為3.34%。隨著載客量增加,車輛工況由AW0到AW3,輪重偏差的實(shí)際值與理論計(jì)算值偏差越來(lái)越小。

3 電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化輪重和軸重偏差

通過(guò)第2節(jié)的模型計(jì)算與實(shí)際校核,發(fā)現(xiàn)AW0工況下軸2和軸5的輪重偏差為6.03%,已經(jīng)不再滿足《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》要求,因此采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化輪重和軸重偏差。

智軌電車電子控制空氣懸架系統(tǒng)(electronically coutrolled suspension,ECAS)可保證車輛在不同工況下,通過(guò)調(diào)整懸架氣囊內(nèi)部氣壓,以充放氣的方式保證氣囊高度在設(shè)置范圍內(nèi),懸架系統(tǒng)和ECAS系統(tǒng)如圖11和圖12所示。ECAS系統(tǒng)可以兩點(diǎn)和單點(diǎn)(雙閥和單閥)2種形式控制車軸高度。兩點(diǎn)控制高度的車軸:單側(cè)氣囊氣壓較大的情況下,電磁閥打開(kāi)閥門嘗試對(duì)氣囊補(bǔ)氣提升側(cè)簧下高度;單點(diǎn)控制高度的車軸:當(dāng)單側(cè)充氣和放氣時(shí),另一側(cè)同步進(jìn)行。兩點(diǎn)和單點(diǎn)控制對(duì)氣囊進(jìn)行充氣和放氣時(shí),要保證兩側(cè)高度、氣壓值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。ECAS系統(tǒng)控制形式和原理如圖13和圖14所示。

圖11 懸架系統(tǒng)

圖12 ECAS系統(tǒng)

圖13 ECAS系統(tǒng)控制形式

圖14 ECAS系統(tǒng)控制原理

在車輛設(shè)備布局與第2節(jié)描述差異很小的情況下,以某個(gè)編組型式為“=Mc1+M+Mc2=”項(xiàng)目中的智軌電車為例進(jìn)行計(jì)算分析,車輛共包含4個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和2個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架(軸1和軸6)。車輛過(guò)檢測(cè)線實(shí)際稱重計(jì)算出輪重偏差數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 優(yōu)化后各軸實(shí)際輪重偏差

電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后,不同工況下各軸左右輪重偏差值實(shí)際數(shù)據(jù)如圖15所示;電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后,不同工況下各動(dòng)軸偏差值數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖15 ECAS系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后各軸左右輪重偏差值實(shí)際數(shù)據(jù)

圖16 ECAS系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后各動(dòng)軸偏差值數(shù)據(jù)

模塊2(M車)動(dòng)軸偏差如表5所示。實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表明,某個(gè)編組型式為“=Mc1+M+Mc2=”項(xiàng)目中的智軌電車采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)可以很好地優(yōu)化智軌電車輪重和軸重偏差;采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化后的輪重偏差控制在3.25%以內(nèi);采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化后的動(dòng)軸偏差控制在1.36%以內(nèi);采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化后滿足《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》對(duì)我國(guó)城市軌道車輛輪重偏差的規(guī)定。

表5 模塊2(M車)動(dòng)軸偏差

4 結(jié)論

本文提出了三模塊智軌電車輪重與動(dòng)軸重計(jì)算方法,并基于此方法,通過(guò)電子控制空氣懸架系統(tǒng)優(yōu)化輪重和軸重偏差,使其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,最終實(shí)物通過(guò)驗(yàn)證,形成如下結(jié)論。

1)通過(guò)簡(jiǎn)化智軌電車受力建立的剛體計(jì)算模型,具有簡(jiǎn)單可用的優(yōu)點(diǎn),能用于智軌電車三編組和多編車輛的輪重、軸重分布計(jì)算,能夠?yàn)檎嚱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢修維護(hù)提供較為精確的參考。

2)智軌電車采用電子控制空氣懸架系統(tǒng)對(duì)輪重、軸重分布進(jìn)行優(yōu)化,使得在AW0、AW2和AW3實(shí)際工況下輪重和軸重偏差均分別小于3.52%和1.36%,低于IEC 61133:2006標(biāo)準(zhǔn)輪重差許用值4%和2%。