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車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)
第50卷，副刊，2012,277～289
安裝不同類型轉(zhuǎn)向架有軌電車的動(dòng)態(tài)特性
Teresa Kuba 和Peter Lugner
維也納科技大學(xué)力學(xué)與機(jī)械電子學(xué)研究所：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和生物力學(xué)，Wiedner Hauptstrasse 8-10,1040 Vienna Austria
(2011.10,24接收，截止到2012.2.5)
由于其有利于乘客和系統(tǒng)運(yùn)營商的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代有軌電車都按低地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造。關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)整列列車低地板結(jié)構(gòu)有不同的結(jié)構(gòu)方案：一種是在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中用獨(dú)立車輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)輪對(duì)。本次研究中，在整列列車安裝獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架和安裝輪對(duì)轉(zhuǎn)向架的典型動(dòng)態(tài)特性通過使用多體仿真模型方法展現(xiàn)出來。因此，本文對(duì)帶有不同入口布置的曲線軌道仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果并沒有給出一個(gè)是支持或反對(duì)這些軌道設(shè)計(jì)的明確結(jié)論，但它對(duì)安裝不同類型轉(zhuǎn)向架的有軌電車的動(dòng)態(tài)特性有了更深刻的了解。
關(guān)鍵詞：有軌電車；獨(dú)立車輪；輪對(duì)；不同速度下的曲線特性。
1. 引言
城市化不斷擴(kuò)大、環(huán)保意識(shí)增高和人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的變化這些僅僅是把當(dāng)?shù)毓步煌ㄗ優(yōu)槿藗冴P(guān)注焦點(diǎn)的其中一些因素。由于有軌電車不產(chǎn)生廢氣，與公共交通相比可以運(yùn)送更多乘客，且更被乘客所接受，因此有軌電車尤其在人口超過100000的城市中扮演著重要角色。
現(xiàn)代有軌電車必須滿足大量要求，例如可靠性、準(zhǔn)時(shí)性、舒適性和安全性。為了鼓勵(lì)更多的人乘坐有軌電車和方便乘客使用，一個(gè)低地板入口或低地板結(jié)構(gòu)有軌電車只是這些要求的一部分。
出于各種理由，乘客和系統(tǒng)運(yùn)營商更喜歡低地板結(jié)構(gòu)有軌電車。由于活動(dòng)不便的乘客也能方便上下車和攜帶嬰兒車或沉重行李不再是累贅,所以有軌電車采用側(cè)面低地板入口結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)運(yùn)營商甚至可以從簡化乘客使用而受益，這是因?yàn)闇p少乘客換乘次數(shù)使整體操作時(shí)間更短。
制造商已經(jīng)嘗試通過建造低地板結(jié)構(gòu)有軌電車來滿足這些需要（e.g.[2]）。結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)，即一個(gè)主要任務(wù)就是轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)。一個(gè)在整個(gè)列車長度上實(shí)現(xiàn)低地板結(jié)構(gòu)的方法是使用獨(dú)立車輪。因此，車輪分別安裝在轉(zhuǎn)向架上而且速度也是解耦的（e.g.[3,4]）。另一種方法是通過齒輪連接兩個(gè)車輪，這樣保證車輪速度相同，就像輪對(duì)在工作一樣。典型轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)是建立在帶有同步軸的輪對(duì)（e.g.[5]）上，底板水平面通常取決于輪對(duì)軸的內(nèi)置高度和車輪直徑。這就導(dǎo)致車體在坡道上使用所有技術(shù)手段。這些轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)特性是不相同的，通過Frank對(duì)輪對(duì)和輪組進(jìn)行一些限制性假設(shè)，對(duì)這些底部驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理論比較已經(jīng)進(jìn)行了。大量轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)可能從那些不同輪子或輪對(duì)懸掛系統(tǒng)類型中產(chǎn)生，而這個(gè)原則已在Schinder[7]早期研究中闡釋過。
本文的目的是檢測安裝不同類型轉(zhuǎn)向架有軌電車的動(dòng)態(tài)特性。因此，通過使用多體仿真軟件對(duì)獨(dú)立車輪和傳統(tǒng)輪對(duì)兩種轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的影響進(jìn)行了分析比較。由于轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的特點(diǎn)可能在軌道曲率改變的線路上觀察到，因此在兩種不同曲線設(shè)計(jì)的入口和出口進(jìn)行了檢測。
2.模型說明
多體仿真軟件SIMPACK通過考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特征，用來模擬兩種不同類型轉(zhuǎn)向架或整列有軌電車。利用鐵路車輛高度非線性輪對(duì)接觸的模型是非常必要的。把接觸物體之間的非線性接觸看做一個(gè)力元素，在SIMPACK有一個(gè)可用的輪軌模塊。這個(gè)力元素產(chǎn)生蠕變力，蠕變力是通過接觸物體的位置以及它們的速度和相對(duì)速度計(jì)算得來的。簡化的Kalker非線性理論（FASTSIM算法[9]）就是用來計(jì)算接觸力的。
在研究中摩擦系數(shù)一般取μ=0．4，它表示一個(gè)理想、干燥的S1002-UIC60剖面配合的輪軌接觸。盡管這種剖面配合主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路，很少用于有軌電車，但由于理想的配合類型還是被采用。進(jìn)一步理想化可以認(rèn)為沒有鐵路。
研究的基礎(chǔ)是一整列有軌列車，如圖一所示。把五個(gè)車體模擬成剛體，車輛連接裝置由一個(gè)較低帶有附加旋轉(zhuǎn)阻尼器的球形接頭和一個(gè)橫向彈性元件組成。第二和第三節(jié)車體上面的連接被牽引桿取代。車輛連接裝置和車體都是根據(jù)裝有輪對(duì)的有軌電車的已知數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)而來的。為了允許對(duì)兩種轉(zhuǎn)向架進(jìn)行比較，車輛的五個(gè)車體和車輛連接裝置保持不變，轉(zhuǎn)向架安裝獨(dú)立車輪或輪對(duì)。
圖一 帶有三個(gè)轉(zhuǎn)向架的待檢有軌電車(安裝獨(dú)立車輪)
（a）
（b）
圖二 安裝獨(dú)立車輪（a）和輪對(duì)（b）轉(zhuǎn)向架詳細(xì)視圖
圖二展示出安裝有獨(dú)立車輪（a）和輪對(duì)（b）動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的詳細(xì)視圖以及前面輪組和前面輪對(duì)的拓?fù)鋱D，而且它們也分別用在SIMPACK軟件中。
3 研究條件
研究包括一段半徑50米向右的曲線軌道（圖三）。該曲線設(shè)計(jì)包括從曲線到直線部分的回旋過渡曲線，由于進(jìn)入曲線入口的特性和軌道設(shè)計(jì)的影響同時(shí)發(fā)生，所以帶有不同過渡曲線長度的軌道都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如35m的和用于有軌電車不設(shè)過渡曲線的軌道。軌道本身是標(biāo)準(zhǔn)軌距（1435mm）并沒有超高和軌道變寬。為了顯示電車整體性能，對(duì)三個(gè)操作狀態(tài)進(jìn)行了檢測：
1.運(yùn)行速度v=7m/s，這將在曲線上產(chǎn)生最大側(cè)向加速度ay=1m/s2，而這是安全極限。
2.較高速度v=11.2m/s運(yùn)行，在轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生側(cè)向加速度ay=2.5m/s2，這已經(jīng)超出電車正常運(yùn)行范圍，但它允許研究脫軌安全性能和磨損。
3.電車走形速度v=2.2m/s，在轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生ay=0.1m/s2的側(cè)向加速度。
4. 研究結(jié)果
為了證明轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，軌道橫向位置、導(dǎo)向力、脫軌系數(shù)和摩擦功率作為電車選型轉(zhuǎn)向架的性能指標(biāo)進(jìn)行了比較。
此外，安有獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架和安有輪對(duì)轉(zhuǎn)向架比較結(jié)果顯示前外側(cè)和后內(nèi)側(cè)的獨(dú)立車輪存在較大的橫向偏差。這個(gè)結(jié)果是由車輪導(dǎo)向的橫向彈性元件產(chǎn)生的。另外，轉(zhuǎn)向架進(jìn)入中
圖三 帶有35m過渡曲線的待檢軌道設(shè)計(jì)
心位置時(shí)，它們的恢復(fù)特性是不同的。安有輪對(duì)的轉(zhuǎn)向架表現(xiàn)出快速衰減的正弦運(yùn)動(dòng)，而安有獨(dú)立車輪的轉(zhuǎn)向架則表現(xiàn)出緩慢的單向重復(fù)特性。
每個(gè)轉(zhuǎn)向架也受到其它轉(zhuǎn)向架在曲線入口和出口時(shí)車輛連接裝置的影響，而且，安裝獨(dú)立車輪的轉(zhuǎn)向架更被它們的相互影響所干擾。
在曲線入口無過渡曲線和附有35m長過渡曲線兩種情況中，在曲線內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值沒有什么不同。然而，安有輪對(duì)的轉(zhuǎn)向架第一外輪的導(dǎo)向力遠(yuǎn)勝過安有獨(dú)立車輪的。每個(gè)轉(zhuǎn)向架都沒有得到充分的擴(kuò)展，但由于牽引獨(dú)立車輪的軸箱拉桿的橫向靈活性，它可以更好地適應(yīng)曲線半徑的變化。
此外，對(duì)看作是磨耗指數(shù)的摩擦功率也進(jìn)行了研究。摩擦功率是通過在局部接觸坐標(biāo)系里蠕變力和蠕變速度相乘計(jì)算得來的[5],圖9分別描述了電車以恒定速度7m/s通過曲線時(shí)，第二轉(zhuǎn)向架第一輪對(duì)或輪組的摩擦功率，這是一拖車轉(zhuǎn)向架。之前討論過的影響現(xiàn)在同樣可以觀察到：與設(shè)有一個(gè)平緩過渡曲線相比，前外車輪在沒有過渡曲線的入口處出現(xiàn)一個(gè)峰值。
縱向位置
圖九 在0m過渡曲線（上面）和35m過渡曲線（下面）軌道上，電車第二轉(zhuǎn)向架第一輪組和輪對(duì)的摩擦功率。
正如預(yù)期那樣，脫軌系數(shù)隨著速度和橫向加速度的增大而不斷變大。由于曲率的突然改變，無過渡曲線的曲線軌道比有過渡曲線的曲線軌道有著更高的脫軌系數(shù)。在速度11.2m/s時(shí),裝有輪對(duì)的轉(zhuǎn)向架的Y/Q值在1.2上，因此有脫軌的危險(xiǎn)。
5. 結(jié)論
在本次研究中，對(duì)裝有獨(dú)立車輪和輪對(duì)的兩種轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，而這些讓我們掌握了它們的動(dòng)態(tài)特性以及深入了解它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比較是在假設(shè)輪軌采用S1002—UIC60配合及摩擦程度不變的情況下進(jìn)行的。盡管所顯示的結(jié)果也分別被電車的輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架所采用，但這些特點(diǎn)也可以擴(kuò)展到列車所有的轉(zhuǎn)向架上。裝有獨(dú)立車輪的轉(zhuǎn)向架對(duì)干擾非常敏感和隨后表現(xiàn)出一個(gè)緩慢復(fù)位過程，然而裝有輪對(duì)的轉(zhuǎn)向架也面對(duì)著較大導(dǎo)向力和摩擦功率的問題。
此外，也對(duì)在曲線入口和出口處軌道設(shè)計(jì)的定量影響進(jìn)行了觀測。正如預(yù)期,兩種轉(zhuǎn)向架進(jìn)入曲線時(shí)，沒有過渡曲線的軌道有較高的脫軌系數(shù)和作用在軌道上的力。但是無過渡曲線的軌道比有過渡曲線的要短，在整個(gè)運(yùn)行過程中也表現(xiàn)出更少的輪軌摩擦能量損失。帶有過渡曲線的軌道設(shè)計(jì)有較小的脫軌系數(shù)和在側(cè)向位置時(shí)較低的離心力，但由于軌道長度也存在較大的摩擦能量損失。
同時(shí)也存在影響電車轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)特性的其他因素。位于車輛連接裝置的改良潛力和參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架的影響還沒有進(jìn)行研究，以及當(dāng)代替理想軌道而使用不規(guī)則軌道時(shí)動(dòng)態(tài)特性發(fā)生的變化。
在實(shí)踐中，所有上述標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)非常復(fù)雜的過程，而且電車的調(diào)整也影響制造工藝。
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