李玉青， 陈　康， 张　江， 胡立铮， 刘启昂

(西南交通大学　牵引动力国家重点实验室， 四川成都 610031)



地铁与轻轨

100%低地板轨道车辆的动力学分析

李玉青， 陈康， 张江， 胡立铮， 刘启昂

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室， 四川成都 610031)

运用SIMPACK多体动力学仿真软件建立了一种采用小轮径传统轮对转向架的100%低地板轨道车辆模型，并分析了初始参数下车辆的稳定性和平稳性。结果表明：(1)该车辆具有良好的稳定性；(2)该车辆的垂向平稳性为优，横向平稳性较差。为了改善车辆运行的横向平稳性，对转向架悬挂参数进行了优化，最后在空车工况和定员工况下对优化后车辆的动力学性能做了进一步分析。

小轮径传统轮对转向架； 100%低地板轨道车辆； 优化； 空车工况； 定员工况； 动力学分析

自20世纪80年代以来低地板轨道车辆有了蓬勃发展，尤其是100%低地板轨道车辆以其无需设置站台、方便旅客上下车而备受欢迎。低地板结构的核心技术在于承载车体的转向架，国内外主要采用独立旋转车轮转向架和小轮径传统轮对转向架来实现低地板结构。《一种小轮径低地板轨道车辆转向架方案研究》提出了3种采用小轮径传统轮对的100%低地板轨道车辆转向架方案，每种方案包括动力转向架和非动力转向架，方案中对轮对、构架、轴箱、一系悬挂、二系悬挂、驱动系统、制动盘等进行了深入研究，并从结构性能方面比较了3种方案的优缺点，但没有对转向架的动力学性能做进一步分析。本文采用其中最为优越的一种转向架方案，利用多体动力学软件SIMPACK建立了一种浮车型、5辆车编组模式的100%低地板轨道车辆，着重分析了其动力学性能，为今后低地板轨道车辆的方案设计提供理论参考。

1　100%低地板轨道车辆建模

1.1车辆编组及车端联结方案

100%低地板轨道车辆采用“六轴五车体模块”的编组形式，整列车分别由两端的司机室车体、中间的短车体及2个较长的浮车车体组成，在司机室和短车体下方都各布置一个转向架，如图1所示。

车体各模块之间的铰接有3种型式：固定铰、转动铰和自由铰，利用SIMPACK软件进行建模时通过约束Constraints来实现车体之间的铰接。相邻车体的下铰采用固定铰连接，固定铰能绕3个方向旋转，但限制3个方向的平动，固定铰承受了车体的垂向力，传递大部分的纵向力和横向力，在SIMPACK中用10号球铰Spherical来实现固定铰的功能。相邻车体的上铰通常采用转动铰，转动铰仅能绕垂直轴旋转，并承受纵向力和横向力，在SIMPACK中上铰采用25号自定义铰User Defined Constraint，并限制x、y方向的自由度。固定铰和转动铰联合使用，限制了相邻车体间的浮沉运动和侧滚运动，使得相邻车体间仅存在相对摇头自由度。为了保证整列车能适应上下坡道，在一个悬浮车体和中间车体之间的上铰采用自由铰连接，在SIMPACK中通过设置一横向拉杆来实现，横向拉杆两端与两车体用球铰铰接在一起[1]。

图1　车辆编组及车端联结方案

1.2转向架总体结构概况

该100%低地板轨道车辆采用小轮径传统轮对转向架，包括2台动力转向架和1台非动力转向架。动力转向架主要部件组成包括①内置式构架装置；②锥形橡胶弹簧定位装置；③高绕螺旋弹簧中央悬挂装置；④单牵引拉杆装置；⑤一轴一盘的轴盘制动装置和2套磁轨制动装置；⑥外侧悬挂纵向布置的电机齿轮箱和传动装置。

与动力转向架相比，非动力转向架没有电机齿轮箱和传动装置，每轴有两个轴盘制动器，分别置于车轴的端部，制动盘与车轴之间通过螺栓进行连接，其余结构则与动力转向架相同[2]。

动车转向架总体结构如图2所示，车体主要技术参数如表1所示。

图2　100%低地板轨道车辆动力转向架

2　100%低地板轨道车辆的动力学分析

车辆系统的动力学性能主要取决于悬挂参数的匹配，在建立好车辆系统动力学计算模型后，首先分析车辆在初始参数下的稳定性和平稳性，然后根据计算结果对转向架悬挂参数进行优化，最后对优化后车辆的动力学性能作进一步分析，计算工况为：

表1　车体主要技术参数

(1)稳定性是机车车辆安全运行的首要问题之一，备受关注，一旦车辆系统出现了蛇行失稳，运行品质将急剧恶化，并造成一系列安全隐患。因此，在分析车辆运行稳定性时，轨道激励采用线路条件较恶劣的美国V级线路谱。

(2)低地板轨道车辆主要在城市中运行，线路条件相对较好，因此,在分析车辆运行平稳性和曲线通过性能时，轨道激励采用美国Ⅵ级线路谱，曲线参数为：直线段长50 m,缓和曲线段长20 m,圆曲线段长30 m，曲线半径为50 m。

2.1100%低地板轨道车辆的稳定性分析

评价车辆稳定性的方法为：在轨道上加50 m的美国V级线路不平顺，当车辆以某一速度通过激励后，轮对会有一定的横向位移，并在平直光滑的轨道上进行衰减，经过一段时间的运行后，若各轮对横向位移能收敛于平衡位置，则车辆在这一速度下运行是稳定的，若不能充分衰减而存在较大的极限环振动，则车辆在该速度下运行已经失稳。

该100%低地板轨道车辆的最高运行速度为80 km/h,图3为以160 km/h的速度通过具有美国V级线路不平顺的轨道时，各轮对的横向振动位移在时域内的响应。由图知，车辆通过激励时，各轮对均产生一较大的横向位移，并于平直光滑的轨道上迅速衰减到平衡位置，该车辆具有极佳的稳定性。

2.2100%低地板轨道车辆的平稳性分析

采用小轮径传统轮对转向架实现的100%低地板，严格意义来讲不是真正的100%低地板，因为其车轮直径通常在500～600 mm，不能太小，否则车轮强度将受到较大考验，这样转向架上方无法实现低地板结构，地板面高度约450 mm左右，而车辆入口处的地板面高度约350 mm，若设置台阶既会影响车辆的美观也会大大降低乘车的便捷性，因此将车体之间通过斜坡进行过渡连接，同样为老人、儿童、残疾人等特殊群体的乘车提供了便利，实现了100%低地板的功能。

该100%低地板轨道车辆由5节车体组成，浮车车体通过铰接与相邻车体连挂，这种特殊的结构使得各车体振动特性既相互关联又存在差异。为了较好地反映低地板车辆的平稳性，在每节车体地板面高度都设置传感器，其中，两端的司机室车体和中间短车体设置在距转向架中心右侧1 m，距轨面高450 mm处；两节浮车设置在距车体中心前后1.8 m，左右1 m,距轨面高350 mm处。初始参数下，该100%低地板轨道车辆以20～80 km/h的速度在具有美国Ⅵ级线路不平顺的轨道上运行时，各车体横向与垂向平稳性指标如图4所示。

图3　各轮对的横向振动位移在时域内的响应

图4　各车体横向、垂向平稳性指标

按照我国对客车车辆平稳性指标的评定GB 5599-1985标准:平稳性指标W<2.5时，平稳性等级为一级，评定结果为优；平稳性指标2.5

从计算结果看，各车体的横向、垂向平稳性指标随着速度的增加而增大，在最高运行速度80 km/h以内，垂向平稳性指标均小于2.5，达到了一级标准；在20～40 km/h的低速段，各车体横向平稳性指标小于2.5，随着速度的增加，各车体横向平稳性逐渐变差，当速度达到70 km/h时，横向平稳性指标均大于2.75，该100%低地板轨道车辆的横向平稳性有待提高。

3　二系悬挂参数对100%低地板轨道车辆平稳性的影响

二系悬挂参数对车辆的平稳性影响显著，其中，二系悬挂横向刚度和横向减振器阻尼主要影响车辆的横向平稳性，而二系悬挂垂向刚度和垂向减振器阻尼主要影响车辆的垂向平稳性[3]。由初始参数下的计算结果可知，车辆的横向平稳性较差，速度超过70 km/h时，横向平稳性指标将大于2.75，因此重点分析二系悬挂横向刚度和横向减振器阻尼对车辆横向平稳性的影响，并提出一组优化结果。

3.1二系悬挂横向刚度对横向平稳性的影响

以美国Ⅵ级线路不平顺作为激扰，车辆运行速度为80 km/h时，二系悬挂横向刚度对各车体横向平稳性的影响如图5所示。

图5　二系悬挂横向刚度对横向平稳性的影响

由图5可知，二系悬挂横向刚度越大，车体横向平稳性越差，为保证各车体横向平稳性均达到一级标准，二系悬挂横向刚度不得大于150 kN/m 。

3.2二系横向减振器阻尼对横向平稳性的影响

以美国Ⅵ级线路不平顺作为激扰，车辆运行速度为80 km/h时，二系横向减振器阻尼对横向平稳性的影响如图6所示。

图6　二系横向减振器阻尼对横向平稳性的影响

由图可知，随着阻尼的增大，各车体横向平稳性指标先减小后缓慢增大，在25～35 kN·s/m的范围内，各车体横向平稳性均能达到一级标准。

综上所述，该100%低地板轨道车辆以80 km/h的速度在美国Ⅵ级线路上运行时，为了使各车体横向平稳

性均能达到一级标准，二系悬挂横向刚度不得大于150 kN/m，二系横向减振器阻尼应保持在25～35 kN·s/m范围内。

4　100%低地板轨道车辆的参数优化及动力学分析

综合上述二系悬挂参数对车辆平稳性的影响，对转向架部分参数做如下优化：由于二系悬挂装置采用高圆簧，其纵向和横向刚度同时变化，故将二系悬挂的纵、横向刚度均设为150 kN/m，二系悬挂垂向刚度保持不变，二系横向减振器阻尼仍设为30 kN·s/m。

优化车辆悬挂参数后，以美国Ⅵ级线路不平顺作激扰，对该100%低地板轨道车辆在空车工况和定员工况下的动力学性能做进一步分析，测定的动力学指标包括横向平稳性指标、垂向平稳性指标、脱轨系数、轮轨横向力、轮重减载率等。

4.1平稳性分析

以美国Ⅵ级线路不平顺作为激扰，该100%低地板轨道车辆在空车工况和定员工况下以60～80 km/h的速度运行时，各车体的平稳性指标如表2、表3所示。

表2　空车工况下各车体的平稳性指标

表3　定员工况下各车体平稳性指标

由表2、表3可知，该100%低地板轨道车辆以60～80 km/h的速度在空车工况和定员工况下运行时，横向平稳性、垂向平稳性均能达到一级标准，且定员工况下的平稳性优于空车工况下的平稳性。

4.2曲线通过性分析

曲线通过性是评估车辆安全性的一个重要指标，取车辆以10 km/h的速度通过半径为50 m的平曲线，曲线参数为：直线段长50 m,缓和曲线段长20 m,圆曲线段长30 m,在轨道上施加美国Ⅵ级线路不平顺，分别计算空车工况和定员工况下各轮对左侧车轮的轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等动力学指标。

根据GB 5599-1985规定，脱轨系数第1限度不大于1.2，第2限度不大于1.0；轮重减载率第1限度不大于0.65，第2限度不大于0.60；轮轨横向力的极限值Q≤19+0.3Pst，Pst为车轮静载荷，该100%低地板轨道车辆空车工况下的轴重为8 t，定员工况下的轴重为11 t,计算得Q空车≤30.76 kN,Q定员≤35.17 kN。由表4、表5可知，车辆在空车工况和定员工况下通过曲线时，导向轮对的动力学指标普遍高于非导向轮对，且都能满足标准要求。

表4　空车工况下的曲线通过性分析

表5　定员工况下的曲线通过性分析

5　结束语

通过对该100%低地板轨道车辆的建模和动力学分析可得以下结论：

(1)初始参数下，该100%低地板轨道车辆的稳定性及垂向平稳性良好，其横向平稳性较差；

(2)为改善车辆横向平稳性，对转向架悬挂参数进行了优化，优化结果为：将二系悬挂的纵、横向刚度设为150 kN/m，二系悬挂垂向刚度保持不变，二系横向减振器阻尼仍设为30 kN·s/m。

(3)优化后，该100%低地板轨道车辆在美国Ⅵ级线路上运行时，速度在60～80 km/h范围内，空车工况和定员工况下各车体的横向、垂向平稳性均能达到一级标准；

(4)优化后，该100%低地板轨道车辆分别在空车工况和定员工况下以10 km/h的速度通过半径为50 m的曲线时，各轮对的轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数都能满足要求。

[1]黄磊，任利惠，牛锡平，周希楹.低地板轻轨车辆车体固定铰强度分析[J]. 铁道机车车辆，2008，28(6)：44-46.

[2]张江. 一种小轮径低地板轨道车辆转向架方案研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[3]杜建华. 机车悬挂参数对不同轴重大功率机车动力学性能的影响[D].成都：西南交通大学，2011.

[4]王起梁. 铰接式集装箱平车结构方案及动力学性能研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[5]李明，戴焕云，丁磊.70%低地板轻轨车建模及动力学分析[J].交通运输工程学报，2004，4(2):50-52.

[6]王忠杰. “六轴五车体”100%低地板轻轨车辆技术方案[J].上海电气技术，2011，4(4)：48-52.

[7]罗世辉. 大连低地板有轨电车的动力学性能[J].机车电传动，2001,(3)：28-31.

[8]葛党朝. 低地板轻轨车辆的总体方案研究[J].城市轨道交通研究,2011,(9)：58-61.

The Dynamics Analysis of 100% Low-floor Light Rail Vehicle

LIYuqing，CHENKang，ZHANGJiang，HULizheng，LIUQi’ang

(Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan,China)

A kind of 100% low-floor light rail vehicle with small diameter wheel bogies was established by the use of the multi-body dynamics analysis software SIMPACK, then the stability and ride comfort were evaluated under initial conditions. The numerical results indicated that the vehicle system had excellent hunting stability and vertical ride comfort, but its lateral ride comfort was poor. In order to improve its lateral ride comfort, the suspension parameters of the bogie got optimized. Lastly the vehicle's dynamic performances in unloaded condition and loaded condition were further studied after the optimization.

small diameter wheel bogies; 100% low-floor light rail vehicle; optimization; unloaded condition; loaded condition; dynamic performances

1008-7842 (2016) 04-0067-05

��)女，硕士研究生(

2016-03-10)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.17