（载运工具运用工程专业论文）100％低地板轻轨车辆结构型式与导向机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着全球工业化的不断发展，城市人员迅速增加，使得城市交 通日益拥挤，世界各国都在寻求发展与之相适应的城市交通工具。 轻轨交通以运量大、环境污染小、节约能源、投资少且建设周期短 而得到广泛的运用。尤其是l0 0 低地板轻轨车辆以其无须设置站台、 方便乘客上下车，特别是便于残疾人和儿童上下车的优点而倍受欢 迎。为了满足国内市场的需求，国内已有工厂开始着手开发10 0 低 地板轻轨车辆。因此，开展10 0 低地板轻轨车辆的结构型式和导向 机理研究具有重要的理论意义和广泛的工程应用价值。 本文首先阐述了10 0 低地板轻轨车辆的发展概况，提出了车辆 结构型式和导向机理两个关键性问题。分析了国内外研究现状，指 出了开展结构型式和导向机理研究对发展国产10 0 低地板轻轨车辆 具有重要意义。接着，本文对各型10 0 低地板轻轨车辆的结构型式 的优缺点进行了分析和比较，并结合国外运用经验，提出了适合国 产10 0 低地板轻轨车辆采用的结构型式。然后本文对各型1o o 低 地板轻轨车辆的导向机理进行了分析，首次提出了纵向耦合独立车 轮转向架的概念，并对其导向机理进行了理论和仿真分析。在对各 型10 0 低地板轻轨车辆动力转向架的综合分析基础之上，提出了适 合国产10 0 低地板轻轨车辆采用的动力转向架型式。最后，依据前 两章的选型结果，结合国家科技攻关项目，提出了铰接式5 模块10 0 低地板轻轨车辆，并运用s i m p a c k 多体动力学软件对车辆的动力学 性能进行了分析。 关键词：10 0 低地板轻轨车辆；结构型式；导向机理：动力学 西南交通大学硕士研究生学俄论文第1 i 页 abstrac t w i t ht h ed e v e l o p m e n t fi 鑫d u s t r i a l i z a i o na l lo v e rt h ew o r l d ，m o r e a n dm o r ep e o p l el i v ei nt h ec i t y t h e ym a k et h eu r b a nt r a n s p o r t a t i o n r a t h e rja m as u i t a bl et r a n s p o r t a t i o nm o d e li sb e i n gl o o k e df o r t h e l i g h tt r a n s i tw i t ht h ea d v a n t a g e ss u c ha sh u g ec a p a c i t y ，l i t t l ep o l l u t i o n ， s a v i n gp o w e r ，r e l a t i v e l ys m a l li n v e s t i n ga n ds h o r tc o n s t r u c t i o nc y c l e h a sb e e na d o p t e dw i d e l y ，e s p e c i a l l yt h el0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i l v e h i c l ew h i c h p r o v i d e s m o r ec o n v e n i e n c et ot h e c h i l d r e na n d h a n d i c a p p e dh a v eb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y 。a b o u t3 0s t y l e so ft h el0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l ew e r ep r o d u c e db yt h em a i nm a n u f a c t u r e si n t h ew o r l d t h er&do f1o o l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l eh a sb e e n s t a r t e di ns e v e r a ld o m e s t i cm a n u f a c t u r e s i no r d e rt o s a t i s f y t h e d o m e s t i cr e q u i r e m e n t s oi ti sw o r t h yo fi m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c e a n dw i d ea p p l i c a t i o no fv a l u et or e s e a r c ht h es t r u c t u r es t y l ea n dt h e s t e e r i n gp r i n c i p l eo ft h el0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l eb yu s i n gf o r r e f e - r e n c ea b r o a d 。 f i r s t l y ag e n e r a ld e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h e l0 0 l o wf l o o r l i g h tr a i lv e h i c l ew a se x p a t i a t e di nt h ep a p e r a n dt h es t r u c t u r es t y l e a n ds t e e r i n gp r i n c i p l ew e r ep u tf o r w a r da st w ok e yp r o b l e m s 。t h e na n a n a l y s i so ft h ei n l a n da n do v e r s e a sr e s e a r c ha c t u a l i t yw a sm a d e i ti s n e c e s s a r yt od ot h er e s e a r c ho ft h es t r u c t u r es t y l ea n ds t e e r i n gp r i n c i p l e o ft h el0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l ei no r d e rt od e v e l o pt h ed o m e s t i c l0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e s e c o n d l y , t h es t r u c t u r es t y l eo ft h e l0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l ea l lo v e rt h ew o r l dw a sc o m p a r e di nt h e p a p e r a n das u i t a b l es t r u c t u r es t y l ew a sc o n f i r m e dw i t ht h eo p e r a t i o n e x p e r i e n c ea b r o a d t h i r d l y ，t h es t e e r i n gp r i n c i p l eo f t h el0 0 l o wf l o o r l i g h tr a i lv e h i c l ew a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n dt w os u i t a b l es t y l e s o fb o g i ew e r eb r o u g h tf o r w a r da f t e rac o m p a r i s o nw a s m a d eb yt h es o f t s l m 淞c k 。f i n a l l y 。ad y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s o ft h el0 0 l o w f l o o rl i g h tr a i lv e h i c l ew a sm a d ei nt h ep a p e rw i t hs i m p a c k k e y w o r d s ：1 0 0 l o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e ；s t r u c t u r es t y l e ；s t e e r i n g p r i n c i p l e ；d y n a m i c s 西南交通大学 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年后解密后适用本授权书。 2 。不保密| | ，适用本授权书。 ( 请在方框内打“”) 学位论文作者签名： 能 指剖币繇癣履彳 日期：2 0 0 8 年丫月垮日日期：2 0 0 8 年乒月够日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 首次提出纵向耦合独立车轮转向架的概念，并进行了理论分析，得出纵向 耦合独立车轮转向架具有导向能力的结论。 学位论文作者签名：坦 ，弋| 日期：2 0 0 8 年矿月首日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 当今世界，能源与环境问题倍受关注，绿色交通、公交优先的 理念深入人心。耗能大、污染严重的私人小汽车正在运渐的被节能、 高效、环保的城市轨道交通所代替。自2 0 世纪8 0 年代以来，低地 板城市轻轨车辆得到迅速发展。尤其是1 0 0 低地板轻轨车辆以其无 须设置站台、方便乘客上下车，特别是便于残疾人和儿童上f 车的 优点而倍受欢迎。因此，1 0 0 低地板轻轨车在欧洲发展迅速。据统 计，19 9 0 年至今世界卜有大约3 0 多种型号的，6 0 0 0 多列l0 0 低地 板轻轨车在近2 0 个国家的6 0 多个城市运行。并且随着社会对残疾 人、儿童及老年人问题的认识的逐渐深入，必将有越来越多的城市 运用1 0 0 低地板轻轨车辆。目前，已经考虑应用1 0 0 低地板轻轨 车辆的国内外城市有长春、苏州、天津、伊朗的马什哈德、土耳其 的伊斯坦布尔、埃及的亚历山大等 2 1 。欧洲的1 0 0 低地板轻轨车价 格昂贵，对于国内城市只能望洋兴叹，而目前国内还没有1 0 0 低地 板轻轨车产品。为了满足市场需求，降低车辆成本，国内已经有工 厂陆续开始投入1 0 0 低地板轻轨车辆的研发。因此，开展1 0 0 低 地板轻轨车辆的结构型式和导向机理研究具有重要的理论意义和广 泛的工程应用价值。 本文就是通过对国外1 0 0 低地板轻轨车辆的结构型式和导向机 理的深入研究和综合分析比较，并结合“十五”国家科技支撑计 划，“新型城市轨道交通技术”一10 0 f l t 地板轻轨车辆研制，最终提 出符合我国国情的1 0 0 低地板轻轨车辆结构型式和动力转向架型 式，为国产l0 0 低地板轻轨车辆提供有益参考。 1 21 0 0 低地板轻轨车辆发展概况 所谓轻轨，是“轻轨交通”( l i g h tr a i lt r a n s i t ) 的简称，是一种 相对子重轨而言的，运量介于地铁与公共汽车之间的，区域内中短 程轨道交通形式口】。轻轨车( l i g h tr a i lv e h i c l e ) ，运行于轻轨交通线 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 上的车辆，主要有现代有轨电车( t r a m ) 和运行于市内或周边的运量小 于地铁的路面和高架轻轨。而所谓低地板轻轨车( l o wf l o o rl i g h t r a i lv e h i c l e ) ，则是指车内地板面高度在1 9 7 r a m 5 3 0 r a m 之间的轻轨 车。传统的轻轨车地板面高度一般在8 3 0 m m 1 0 5 0 m m 之间，称为中 地板或高地板轻轨车。而低地板轻轨车的发展，可分为以下三个阶 段4 】： 第一代低地板轻轨车，只在车辆的中间部分有一个低地板进口， 低地板大约占车长的l o 1 5 ，改进后可得到占车长5 0 左右的低 地板。这种类型车采用常规转向架分段式低地板，车内需要台阶过 渡，如图1 1 所示。 图1 1 第一代低地板轻轨车 第二代低地板轻轨车辆有较长的低地板部分，约占整车的6 0 7 0 ，但车内还需要台阶向高地板区过渡，我国的长春和大连采用的 就是这种车辆。这种类型的低地板车非动力转向架为独立车轮转向 架，动力转向架仍为常规轮对转向架，如图1 2 所示。 崮1 2 第二代低地板轻轨车 第三代低地板轻轨车，就是1 0 0 低地板轻轨车，如s i e m e n s 的 c o m b i n o 、a ls t o m 的c i t a d i s 等。这种类型的轻轨车，动力和非动力 转向架全部都采用了独立车轮，使得转向架上方的过道完全贯通， 形成1 0 0 低地板如图1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 3 第二代低地板轻轨车 1 0 0 t 氐地板轻轨车，代表着当今世界轻轨车的最高水平。它形 式多样，外形美观，能够极大地方便了残疾人、老人及儿童的上f 车，如图1 4 所示。乘客可以方便地在车内移动，因此可以有效缩短 车辆站停的时间，缓解高峰时段的客流雎力i 引。这些都对改善和提高 人民生活水平，建设节约、环保型社会有着重要的意义。 崮i 410 0 低地板轻轨车方便残疾a 和儿童上下车 自19 9 0 年2 月世界卜第一列1 0 0 t 氐地板轻轨车在德国的不米 梅止式投入运营以来，各大轨道车辆厂商先后兆制造出3 0 多种型号 的i0 0 f 氐地板轻轨车辆。这些车辆的结构型式和导向机理都各有特 点，独立车轮、模块化、铰接式、迫导向、纵向耦合等新技术都在 10 0 低地板轻轨车辆上得到应用。并h 不断有新的技术形式涌现， l0 0 t 氐地板轻轨车以强劬的势头发展着。1 0 0 t 氐地扳轻轨车辆具有 以f 特点： 1 独立车轮的广泛应用 实现1 0 0 低地板，车轮不是问题，可以被安排在座位的下面， 二川ii多 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 车内的过道仍然贯通。如图卜5 所示。关键是车轴，必须取消车轴才 能为地板腾出空间。因此，大部分10 0 低地板轻轨车都采用了独立 车轮动力转向架，这也是与7 0 低地板轻轨车最大区别所在，后者 的动力转向架仍然为传统轮对转向架。 。l 巴四 幽1 - 5 独立车轮的j 泛mh 2 模块化结构 所谓模块化是指：将车辆的各部件如动力转向架、拖动转向架、 前端车体、浮动车体、中间车体、铰接部等部进行标准化设计，然 后根据需要灵活地调整车辆编组形式，以适应客户对客流量的需求， 从而晟大限度地降低造价【引。如图i 6 所示j ，是s i e m e n s 的c o m b i n o 系列轻轨车的模块化设计理念，车体模块( 包括驾驶室、动车、拖 车) 、轨距、车辆宽度、单双向驾驶等都町以按照客户的要求进行选 择，车辆编组可以是3 辆、5 辆，也可以是7 辆，列车长度从1 75 m 至 4 2o m 不等，定员则最少8 4 人，最多3 4 6 人。 f f r o n tr e e fb 。9 e n o d u b sc e n t erc a rs e c u o n $ jv e h i c l ed a t a 翘四酉蕊广t r a c k v e h i c l e 匡画 jj ” ” 国剜商囤圃墨粤曩c 蛳e t ”a r y m u e c t n i , m b 4 巴撕， 嘘l 盘圄奄簏撩嵩赢 四四嚣船jl “黼”。意e 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 e 墨 。皿 口。盈 ，口ib 墨 ，a l i 霉孤 口i i 口l 覃墨 口o i a i i c 墨 。口i l 盘t i 皿 1 ：l i l a ：；墨 t r a n s o o n a t i o nc a p a c t i l e s v e h i c kv , d t h ：2 3 0 0 m m 图1 6c o m b i n o 的模块化设计理念 3 铰接式形式 为了便于城市轨道的小半径曲线通过，1 0 0 低地板轻轨车大都 采用短车体，长度在3 m 9 m 之问，车体之间则采用铰接装置进行连 接。通过不同形式的铰接装置的组合使用，来保证车辆的平稳运行。 如图1 7 所示悼j ，是h o b n e r 公司为i n c e n t r o 、s ir i o 等1 0 0 低地板轻轨 车提供的四种铰接装置，、分别为：侧滚自由铰，点 头自由铰，转动铰，固定铰，参数见表i 一1 。 陋1p 泌琴 豳l - 71 0 0 低地板轻轨车辆铰接装置 表1 一i 10 0 低地板轻轨车辆铰接装置主要参数 参数侧滚自由铰点头自由铰转动铰嘲定铰 最大转动角度 3 7 。3 7 。3 7 。2 25 0 最大点头角度 5 。 5 0 o 。 5 。 最人侧滚角度横移l7 r a m 0 。 0 0 3 。 m懈m枷赫撇m粥 _ 耋 mm俐m|毫翻m研 踊 例御猫s拼槲毒|拼 珥仲船弘 诎 盖器舞，978一o一7 日、确口口口口口口口 砧 ” 加 柚 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 最大静载荷 ( 0 4 0 0 )( 0 4 0 1 0 ) ( 16 0 4 0 1 0 ) ( 5 0 0 5 0 8 0 ) 最大动载荷( 0 4 0 )( 0 4 0 0 )( 5 0 4 0 )( 1 3 0 0 7 2 ) 名义尺寸9 0 0 m m 9 0 0 j w9 0 0 卅珥6 0 0 m m 轴承球面轴承 i n c e n t l oi n c e n t r oi n e e n t r o 运用车型i n c e n t r o s t r i os i r i os i r i o 质量 1 2 0 k g1 7 0 k gt 0 6 k g2 4 5 k g 4 弹性车轮得到广泛运用 为了适应城市轨道车辆环保降噪的要求，弹性车轮技术在1 0 0 低地板轻轨车辆上得到了广泛运用。另外，因为城市轨道车辆的运 行速度较低，所以l0 0 低地板轻轨车辆是可以采用弹性车轮的。由 弹性车轮、一系、二系组成的三系悬挂系统，使1 0 0 v 0 4 氐地板轻轨车 辆的乘坐舒适性得到了提高。 5 车辆结构型式多样 不同于7 0 低地板，1 0 0 低地板轻轨车辆的结构型式多种多样， 有单车型( 如g t 6 n 、c o m b i n op l u s 等) 、浮车型( 如c o m b i n o 、j t r a m 、 e u r o t r a m 、i n c e n t r o 等) 、铰接型和单、浮车组合型等； 6 导向机理各异 独立车轮本身是不具备导向能力的，因此1 0 0 低地板轻轨车辆 采用了各种方法使独立车轮重新获得导向能力。按照导向视理的不 同可分为：迫导向型( 如u l f 、c o b r a 等) 和自导向型( 如c i t a d i s 、 c o m b i n o 和g t 6 n 等) ，其中像c i t a d i s3 0 2 等是独立车轮横向耦合自 导向，c o m b i n o 是独立车轮纵向耦合自导向，而g t 6 n 则属于带有机 械差速装置的横向耦合自导向。 7 电机的悬挂方式不同 为了给地板腾出足够的空间。1 0 0 低地板轻轨车辆将牵引电机 从转向架的中部移出，采用更小的体积的电机及各种不丽的电机悬 挂方式，有体悬型( 如g t 6 n ) 、轮毂电机型( 如r 31 ) 、架悬型( 如 u l f 、c o m b i n o 、 n c e n t r o 、e u r o t r a m 等) 等。其中u l f 为电机垂向 悬挂、c o m b i n o 为两电机纵向悬挂、i n e e n t r o 为四电机纵向悬挂， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 e u r o t r a m 为网电机横向悬挂，详见表1 1 。 表l 一1 形式多样的1 0 0 低地板轻轨车辆 车辆型号生产厂商结构型式导向机理电机悬挂代表城市 自导向 g t 6 nm a n单车型横向耦台体悬不来梅 机械差速 自导向 r 3 1 d u e w a g单车型轮毂电机法兰克福 纵向祸台 c o b r as l g浮车型迫导向 纵向苏黎世 自导向 e u r o t r a mb o m b a r d i e r浮车型四电机横向斯特拉夫俸 缄向撮合 自导向 i n c e n t r o b o m b a r d i c r浮车型四电机纵向南特 纵向耦台 自导向 c i t y r u n n e rb o m b a r d i e r浮车型传统轮对两电机纵向林茨 小车轮 u l fs i e m e n s铰接型迫导向 垂向维也纳 自导向 c o m b l n os i g m o n s浮车型两电机纵向波菠坦 纵向耦合 c o m b i n o自导向 s i e m e n s单车型两电机纵向布达佩斯 p l us纵向耦台 c i t a d i s自导向 a l s t o m浮车型两电机横商巴塞罗邓 3 0 2 横向耦合 c l t a d l s自导向 a l s t o m浮车型两电机纵向墨尔本 2 0 2 s横向耦合 c i t a d i s自导向 a l s t o m浮车型两电机纵向鹿特丹 3 0 2 c纵向耦台 k i n k l 自导向 j t r a mm h i浮车型两电机纵向 广岛 纵向耦台 丁d s 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 自导向 a n s o l d o s i r i o浮车型横向耦合两电机纵向米兰 b r e d a 机械差速 自导向 c a f 型c a f浮车型四电机纵向马拉加 纵向耦合 自导向 c r o t r a mk o n c a r浮车型两电机纵向萨格勒布 横向耦合 单、浮车 新型新设想自导向，传统转向架 组合型 1 3 国内外研究现状 从以上的分析中可以看出，作为第三代城市低地板轻轨车的 1o o 低地板轻轨车辆具有很多特点，与7 0 低地板轻轨车辆相比较 要复杂的多，具有很多技术上的难点。因为发展前景看好，所以世 界上各大轨道车辆制造商几乎都有自己的10 0 低地板轻轨车产品， 如s i e m e n s 的c o m b i n o 、u l f 、c o m b i n op l u s ，a l s t o m 的c i t a d i s 系 列，b o m b a r d i e r 的f l e x i t y0 u t l o o k 系列，意大利a n s o l d o b r e d a 的s i r i o 系列，克罗地亚k o n c a r 的c r o t r a m ，日本的近畿车辆的j t r a m 系列 以及西班牙的c a f 系列等。这些轨道车辆的制造商掌握着l0 0 低地 板轻轨车的核心技术，作为机密很少公开发表过论文。美国联邦运 输局组织了大量学者开展的运输协作研究计划( t r a n s i tc o o p e r a t i v e r e s e a r c hp r o g r a m ) 对低地板轻轨车进行了系统研究，并发表了一系 列报告，如文献 10 】，但是因为撰写时间较早，所以只包含了9 0 年 代的车型，不够全面。而作为铁路行业资深撰稿人、咨询家的比利 时人哈里汉德斯( h a r r yh o n d i u s ) 的一系列文章，文献 1 ，1 1 16 ， 则对l0 0 低地板轻轨车的发展和销售等方面进行了详细的介绍，但 是对于关键的技术问题也只是略有提及，说得并不清楚。国内对于 1o o 低地板轻轨车辆的研究尚处在起步阶段，在公开发表的文献中 还仅限于对于国外1o o 低地板轻轨车辆的介绍和简要分析，而且多 数是从独立车轮以及导向性能的角度，没有涉及车辆结构型式及动 力学相关问题。如文献 17 】同济大学的张定贤教授的几种低地板面 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 轻轨车走行部分，主要介绍了国外几种具有代表性的10 0 低地板 轻轨车辆动力转向架，并对其导向性能等做了简要分析。文献【l8 】， 西南交大鲍维千教授的独立车轮在低地板轻轨车辆上的应用主 要介绍和分析了独立车轮用于轻轨车辆的优缺点。文献【4 】，李芾教 授的独立旋转车轮的发展及其在轻轨车辆上的应用着重介绍了 低地板轻轨车辆的发展历程，并从驱动的角度分析了几种10 0 低地 板轻轨车动力转向架。而文献【19 】，同济大学任利惠博士的论文独 立车轮导向技术研究则详细的分析了各种独立车轮转向架的导向 机理。本文作者发表的国外1o o 低地板轻轨车动力转向架纵览， 文献 5 】，则在大量查阅外文文献的基础之上对国外各种型号的10 0 低地板轻轨车动力转向架进行了全面介绍和分析。 1 4 本文研究的内容 1 10 0 低地板轻轨车辆结构型式研究 l0 0 低地板轻轨车辆的结构型式灵活、多样，本文将在第2 章 中对各种10 0 t 氐地板轻轨车辆的结构型式进行比较和分析，系统的 研究各种结构型式的优缺点，总结了10 0 低地板轻轨车辆结构型式 的发展方向，并最后提出符合我国国情的l0 0 低地板轻轨车辆结构 型式。 2 1o o 低地板轻轨车辆导向机理研究 10 0 低地板轻轨车辆的转向架形式多样，而且导向机理也不尽 相同。本文将在第3 章中对各型转向架按照导向机理的不同进行分 析和比较，系统的研究各种形式转向架的导向机理及导向能力，并 将首次提出“纵向耦合独立车轮转向架”的概念。最后，提出适合 我国国情的l0 0 低地板轻轨车辆动力转向架形式。 3 10 0 t 氐地板轻轨车辆动力学性能研究 根据2 、3 章的选型结果，设计一种5 模块的1o o 低地板轻轨 车。并利用s i m p a c k 多体动力学软件进行车辆动力学性能进行研 究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章10 0 低地板轻轨车结构型式分析 自1 9 9 0 年2 月世界上第一辆1 0 0 低地板轻轨车在德国的不来梅 问世以来，世界各大轨道车辆制造商先后共生产出3 0 多种型号的 6 0 0 0 多列1 0 0 低地板轻轨车辆。在欧洲，l0 0 低地板轻轨车已经相 当普遍。其中尤以s i e m e n s 的c o m b i n o 、u l f 、c o m b i n op l u s 系列， a l s t o m 的c i t a d i s 系列、b o m b a r d i e r 的f l e x i t yo u t l o o k 系列、 a n s o l d o b r e d a 的s i r i o 系列最为著名。轨道车辆技术先进的日本，于 1 9 9 7 年和1 9 9 9 年先后从欧洲引进了a d t r a n z 的g t 6 n 和s i e m e n s 的 c o m b i n o 嵋。并于2 0 0 5 年3 月3 0 日，在广岛开行了第一列全本土化的 1 0 0 低地板轻轨车g r e e nm o v e rm a x5 1 0 0 瞄1 1 。此外，由克罗地亚的 k o n c a r 工厂制造的t m k 2 2 0 0 型1 0 0 低地板轻轨车也于2 0 0 5 年4 月亮 相克罗地亚的萨格勒靠街头。另有多伦多，耶路撒冷等城市即将开 行1 0 0 低地板轻轨车辆。 1 0 0 低地板轻轨车辆是由7 0 低地板轻轨车辆发展而来，相比 较而言，1 0 0 低地板轻轨车辆结构型式则更加灵活、多样。基本上 可以分为以下几种：l 单车型( a d t r a n z 型) ；2 浮车型：3 铰接型( u l f 型) ；4 单、浮车组合型。其中，单车型式和浮车型式都不受转向架 形式的限制，属于通用车型。而铰接型式采用的是特殊的单轴转向 架。单、浮车组合型式则是刚刚提出不久的一种新的结构型式。此 外，车体间连接的铰接装置也有多种形式，将与结构型式结合起来 进行讨论。本章将对以上几种具有代表性的1 0 0 低地板轻轨车辆的 结构型式进行详细分析、研究。 2 1 单车型式( a d tr ar l z 型式) 世界上第一列1 0 0 低地板轻轨车g t 6 n 采用的就是此种结构型 式，如图2 - 1 所示。g t 6 n 最初是由m a n 公司生产的，后来m a n 公司被a d t r a n z 公司收购，所以国外习惯上称这种结构型式为 a d t r a n z 型式。采用单车型式的1 0 0 轻轨车有a d t r a n z 的g t x n ( m ) 系列、d u e w a g 的r 系列以及s i e m e n s 的c o m b i n ep l u s 系列。 b o m b a r d i e r 收购a d t r a n z 后就停止了g t x n ( m ) 系列的生产，此前 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 共生产了4 6 0 列。日本的富山( t o y a m a ) 是世界上最后一个g t x n ( m ) 系列的运营商，目前还有一批通过技术转让自制的g t 4 n 在运 j 玎，而d u e w a g 的r 系列也已不再生产 | i 。 单车型式的特点是车体较短，每辆车体下都有一个转向架，且 位于车体的中部。如图2 1 所示的就是采用单车型式的第一代1 0 0 低地板轻轨车g t 6 n 。车体长9 1 0 0 m m ，轴距l8 0 0 m m ，每辆车体下 师布置一个带有机械差速器的横向耦台独立车轮转向架，如图2 - 2 所示。在转向架的一卜方，车轮的位置安排座位。转向架上唯一的动 力输入端与悬挂在车体下的牵引电机通过万向轴相连接，如图2 - 3 所示】。 陶2 1g t 6 n l0 0 低地板轻轨车 幽2 2 g t 6 n 独立车轮转向架 瑚2 3g t 6 n 体悬电机万向轴驱动 作为第一代10 0 低地板轻轨车，g t 6 n 在设计上还不成熟，存 在着一个缺陷就是曲线通过时超限界。如图2 - 4 所示，车辆由右向左 行使通过曲线，当1 车进入曲线时，2 车、3 车仍在处于直线上。此 时铰接在一起的1 乍与2 牛之间将相对转动，产生夹角，这将带动 车体2 也发生扭转，从而导致2 车与3 车之间也产生夹角，使整车 在两个铰接处朝相反的方向弯曲，致使仍然处于直线上的2 、3 两车 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的铰接处超出限界，这也就是通常所谓的“z ”字型运动。所以，在 欧洲运用g t 6 n 的城市都有特殊的限界规定。 图2 4g t 6 n 曲线面过 在d u e w a g 通过欧洲的反垄断法获得了单车型轻轨车的生产许 可证后，开始生产采用轮毂电机转向架的单车型轻轨车，即r 系列， 如图2 - 5 所示，是第二代单车型1 0 0 低地板轻轨车r 33 型。它采用 的转向架则是轮毂电机独立车轮转向架，如图2 - 6 所示。d u e w a g 对 g t 6 n 的结构型式进行了修改，r 33 全车共由4 辆车组成，实际上是 2 + 2 的形式，也就是说两辆车为一组，整列车一共两组。三处连接 过道不再完全相同，两侧是单过道，中间位置变成了双过道。通过 上述修改，g t 6 n 曲线通过时超限界的问题得到了解决。如图2 - 7 所 示，r 3 3 通过曲线时，1 、2 车之间相对转动产生的转角，但是由于 中间的双过道可以通过“变形”将转角“吃掉”，而使3 、4 车的运 动不再受影响，这样仍在直线上的3 、4 车将不再超出限界。实际上， 如果采用车端“削尖”的办法，同样能够解决单车型式曲线通过超 限界的问题，但是会影响车内的空间及美观。 一一一! ：i 一 查阅翱晕 图2 - 5r 331 0 0 低地板轻轨车 蚓2 6 轮毂电机独立车轮转向架 罐野 一一匝 一萄一 ( ：盈 吓一o 【_ _ 曰一 一孽萨圃口， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 7r 33 曲线通过 c o m b i n op l u s ( 或者称c o m b i n os u p r a 、c o m b i n om k i i ) 是s i e m e n s 公司的最新型10 0 低地板轻轨车 2 引，也采用了单车型式( 因为 d u e w a g 后来被s i e m e n s 收购，所以s i e m e n s 的车辆可以采用单车型 式) 。如图2 8 所示，是s i e m e n s 为匈牙利布达佩斯制造的c o m b i n op l u s b u d a p e s t n f l2 b ，整车共5 39 9 米长，是目前世界上最长的1 0 0 t 氐地 板轻轨车。 幽2 8c o m b i n op l u s l 0 0 低地板轻轨车 整车共由6 辆长度相等的车体组成，转向架布置在车体的中部， 两辆车为一组，一共三组。车与车之间允许相对转动单过道连接， 所以上部铰接装置采用了转动铰，如图2 - 9 所示。这样，对于每组车 来说，已经形成了稳定的结构。因此，组与组之间的连接的上部铰 接装置采用了简单的纵向拉杆来传递纵向力。仍然采用双过道的形 式，允许前、后车体分别相对于过道转动。由于每辆车下面都有转 向架，所以c o m b i n op l u s 的车内空间不够宽敞，如图2 ，1 0 所示，座椅 的下面是车轮或者牵引电机。 口 = 图2 - 9 车与车之间的转动铰连接和纽与组之间的纵向拉杆连接 教 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 幽2 10c o m b i n op l u s 车内空间 22 浮车型式 所谓浮车是指：下方没有转向架支撑，而是通过铰接装置“挂” 在与其相邻的车体上的车体。浮车型式也是目前大多数10 0 低地板 轻轨车所采用的型式。如s i e m e n s 的c o m b i n o ，b o m b a r d i e r 的f l e x i t y o u t l o o k 系列，a l s t o m 的c i t a d i s 系列、a n s o l d o b r e d a 的s i r i o 系列以 及日本的j t r a m 系列等。如图2 1 1 所示，是日本的1 0 0 低地板轻轨 车j t r a m 旧3 1 ，全车共有5 辆车体，1 、5 车为动车，3 车为拖车，均采 用短车体，转向架布置在车体的c p 部，2 、4 车为浮车，采用长车体， 其f 部没有转向架支撑，靠铰接装置与临近的两车体相连接。 邕量：二! 芒：釜! 坠垦一；乙= = = ；= = = = 耋蔓：上_ ：j 置l = = 型 幽2 1 11 0 0 低地板轻轨车j t r a m 与单车型式相比，浮车型式明显的减少了转向架的使用数量，3 ，_“rl鞋iliili 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 辆车2 个转向架、5 辆车3 个转向架，7 辆车4 个转向架，无疑将大 大节约成本。同时，浮车内的座椅安排不用再受转向架的限制，可 以纵向安排长座椅，这样将使车内的空间更加宽敞。这些都是浮车 型式1 0 0 低地板轻轨车辆的优点，而且这些优点都对制造商和运营 商有着巨大的吸引力，这也是浮车型式运用最为广泛的根本原因。 划2 12 浮车型式车内空间宽敞 但是，浮车型式也有一个很大的缺点。这就是由于浮车下没有 转向架支撑，而是要通过铰链“挂”在临近的车体上，从而使临近 车体要格外承受很大的垂向载荷。而且通过曲线时要完全依靠铰接 装置调整位置，特别是在通过s 型曲线的时候，在浮车的前、后铰 接处会产生很大的反向扭转力矩。这些都会导致车体端部以及铰接 装置的受力严重恶化。下面以c o m b i n o 为例进行详细分析。 c o m b i n o 由德国s i e m e n s 公司制造，原型车于19 9 6 年面世，采 用浮车结构型式，1 9 9 8 年开始在波斯坦( p o s t a m ) 正式投入商业运 营。1 9 9 8 年2 0 0 6 年，s i e m e n s 共生产了4 8 5 列c o m b i n o 系列10 0 低地板轻轨车，c o m b i n o 成为了当时世界上销量最大的一款10 0 低 地板轻轨车。但是自从2 0 0 2 年开始，运行在各大城市的c o m b i n o 便 出现了车体铰接处产生裂纹的问题，如图2 13 所示。这个因为设计 缺陷而出现的问题使s i e m e n s 蒙受了巨大的损失，并最终导致 s i e m e n s 不再继续生产c o m b i n o 【i 。i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 目2 一l3c o m b i n o 的车体饺接处产生裂纹 分析原因，主要有以下几个方面： 1 上部铰接装置使用不合理 前一章已经介绍过，大部分的1 0 0 低地板轻轨车采用的都是铰 接式的结构。所以，铰接装置的合理使用非常重要。第一代c o m b i n o 采用的铰接装置比较单一，上、下部铰接装置都只有一种形式。下 部铰采用的是角接触球面轴承，能够承受垂向载荷，传递大部分的 纵向和横向力，限制x 、y 、z 三个方向的位移，允许绕x 、y 、z z 轴转 动4 。而上部铰采用的是单一的径向球面轴承。这样，当车辆通过 曲线时，车体之间的点头、摇头以及侧滚运动完全放开，都是允许 的。实际上这种连接使车辆之间的运动过于灵活，对于浮车型式是 不适合的。通常，车体的点头与侧滚运动是通过垂向减震器、横向 减震器以及抗侧滚扭杆的共同作用抑制和衰减的。而对于浮车型式， 浮车下方没有转向架支撑，圳此传递到浮车的侧滚及点头运动是无 法衰减的。因此，浮车的两端不能同时放歼点头和侧滚运动的约束， 而在放开约束的位置应该通过增加适当的纵向和横向阻尼对运动加 以抑制。摇头运动必须全部放开，这样才能便于小半径曲线通过。 c o m b i n o 在f 现问题后，第一个步骤就是更换所有的上部铰接装 置【j6 1 。如图2 1 4 所示，是运行在阿姆斯特丹的c o m b i n o 的更换l 部铰 接装置后的情况，共使用了三种形式的k 部铰。1 号为侧滚自由铰， 安装在3 、4 车之间，允许车体之间的摇头和侧滚运动，车体问最大 横移量4 0 r a m 。2 号为转动铰，安装在1 、2 及4 、5 车之间，只允许车 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 体之间的摇头，限制点头和侧滚运动。3 号为点头自由铰，安装在3 、 4 车之间，允许车体之间的摇头和点头，限制侧滚运动，以适应竖曲 线的需要。值得注意的是这里的点头自由铰用液压减震器替代了横 向拉杆。可以看出，上部铰接装蜀已经不仅仪是单一的拉杆或者轴 承的形式，而是包含了液压减震器、轴承、拉杆等的组合结构。采 月j 不同的组合，可以选择对车体的某个或某几个自由度进行释放和 限制。通过在适当的位置放开或者限制车辆之间的相对运动，使整 车的结构更符台车辆的运动规律。 簿爱嚣l 。，2 ： 黪劳蠹 鳞黧冀。4 警妊2 塑鬻 3 | 墨】2 14 改进后的c o m b i n o 阿姆斯特丹的铰接装置 2 转向架设计不够合理 车体端部裂纹的产生实际卜是过大的扭转力矩与过大的垂向载 荷共同作用的结果。而产生过大的扭矩与垂向载荷都与转向架的结 构有着很重要的联系。如图2 15 所示的是c o m b i n o 动力转向架。只 装有两个垂向减震器，而据文献 1 6 】称，改进后的c o m b i n o 转向架采 用了四个垂向减震器，显然最初的设计低估了垂向振动的程度。另 外，为了改善采用独立车轮的拖车的曲线通过性能，c o m b i n o 采用了 平行烈拉杆的牵引形式，使车体与转向架之间具有很大的摇头刚度， 从而造成车体和牵引拉杆的端部受力恶化。在改进q t ，c o m b i n o 对牵 引拉杆端部进行了加固和改进，允许车体与转向架之间有15 0 的夹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 角，当夹角大于15 。时，新加装的横向止挡将发挥作用。 图2 15c o m b i n o 动力转向架 实际匕，可以通过其它的做法来避免采用双拉杆的刚性连接方 式。例如，c o m b i n op l u st i ，采用的就是单拉杆牵引，允许车体与转 向架之间有35 。的相对转动，利用这种相对转动，通过加装一套液址 装置来达到辅助导向的效果。如图2 16 所示，c o m b i n op i u s 采用了 一套液压辅助导向装置悼”。这是一套非主动作动的液压辅助导向装 置。每个转向架的两端都有一个横向液压作动器与车体连接，两辆 车为一组油路反对称连接，f r ：集于液