（载运工具运用工程专业论文）城市轻轨车辆选型及动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着科技的不断进步，轻轨交通作为解决城市交通问题的途径 之已被广泛接受，并得到了系统性的研究。轻轨车辆具有容量大、 噪声低、乘坐舒适、无环境污染、节约能源、比较经济等特点，它 作为载运工具在轻轨交通中起着关键的作用。各国研制了种类繁多 的轻轨列车，体现了社会需求的多样性，也体现了轻轨车辆的复杂 性。我国有必要在借鉴国外经验的基础上研究适合我国国情的轻轨 车辆。 本文首先阐述了国内外城市轻轨的发展和应用概况以及我国现 在存在的问题，介绍了独立车轮的发展现状及其在城市轻轨车辆中 的应用前景；接着比较了7 0 和l o o 低地板轻轨车辆的优缺点，分 析了适合7 0 低地板轻轨车辆的不同类型转向架的优缺点，选出了适 合我国国情的城市轻轨车辆及其适合的转向架；然后用多体动力学 仿真软件s i m p a c k 对7 0 低地板轻轨车辆建模，并指出了在建模过程 中的一些关键零部件的处理方法。 利用建立的仿真计算模型，在转向架原始参数的基础上，对拖车 的悬挂参数进行了优化，优选出使拖车的综合动力学性能包括横向 稳定性、运行平稳性和动态曲线通过性能良好的参数组合。 最后，论文分析了城市轻轨车辆的动力学性能。首先对独立车轮 的动力学性能进行了分析，包括独立车轮的直线对中能力和蓝线通 过能力。在直线对中能力分析中，分析不同的踣面锥度对独立车轮 直线对中性能的影响；在曲线通过能力分析中，分析了传统轮对转 向架和独立车轮转向架动力学性能的差异。最后对整个城市轻轨车 辆的线性稳定性、非线性稳定性、曲线通过性能以及舒适度等动力 学性能进行了分析。 关键词：低地板轻轨车辆；独立车轮；选型；建模；动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| | 页 a b s tr a c t w i t ht h e p r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，l i g h tr a i l v e h i c l e s ， o n eo ft h eb e s t w a y so fs o l v i n gc i t yt r a f f i c ，a r e w i d e l ya c c e p t e db y p e o p l e ， a n da r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y l i g h tr a i l v e h i c l e sh a v et h e c h a r a c t e r i s t i co f g r e a tc a p a c i t y ，l o w n o i s e ，c o m f o r t a b l er i d e ，n o e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，e n e r g ys a v i n g ，e c o n o m ye t c a sc a r r y i n gt o o l s ， l i g h t r a i lv e h i c l e sa r ev i t a lt o l i g h t r a i l t r a f f i c m a n yc o u n t r i e sh a v e r e s e a r c h e da l lk i n d so fl i g h tr a i l v e h i c l e s ，w h i c hi n c a r n a t et h ev a r i e t y o f s o c i e t yr e q u i r e m e n t ，a n d i n c a r n a t et h e c o m p l e x i t y o f l i g h t r a i l v e h i c l e s t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r y f o rn st o u t i l i z e f o r e i g n e x p e r i e n c e st od e v e l o po u ro w nl i g h tr a i lv e h i c l e s f i r s t l y ，i n t h i s p a p e r ，t h ed e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n s t a t u so f l i g h t r a i lv e h i c l e si nt h ew o r l da r e e x p a t i a t e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n t a c t u a l i t ya n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fi n d e p e n d e n tw h e e li nl i g h tr a i l v e h i c l e sa r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h el e c t o t y p e o f 7 0 l i g h t r a i l v e h i c l e si s a n a l y z e d ；t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f 7 0 a n d10 0 l i g h t r a i lv e h i c l e sa r e c o m p a r e d t h e n t h el o wf l o o r b o g i e t h a ti s s u i t a b l et ot h es i t u a t i o no fc h i n ai sv o t e di n t h ed y n a m i cm o d e lo f 7 0 l o wf l o o r l i g h t r a i lv e h i c l e si se s t a b l i s h e db yt h e m u t i l - b o d y d y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r es i m p a c k ，a n dt h ew a y so fd e a l i n gw i t h t h ek e yp a r t so ft h ev e h i c l es y s t e ma r eg i v e nd u r i n gm o d e l i n g o nt h eb a s i so fo r i g i n a lp a r a m e t e r s ，t h es u s p e n s i o np a r a m e t e r so f t h et r a i l e rc a rh a v eb e e no p t i m i z e db yu s i n gt h es i m u l a t i o nm o d e l o p t i m u mp a r a m e t e r s a r e p i c k e du p w h i c hw i l le n s u r et h eb e t t e r c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft r a i l e ri n c l u d i n gl a t e r a ls t a b i l i t y ，r i d e c o m f o r ta n dc u r v i n gp e r f o r m a n c e a t l a s t ，i n t h i s p a p e r ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o f l i g h t r a i l v e h i c l e sa r e a n a l y z e d t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o f i n d e p e n d e n t w h e e l s ，w h i c hi n c l u d i n gt h ea b i l i t i e st or e s t o r i n go nt a n g e n tt r a c k sa n d c u r i n gp e r f o r m a n c e s ，a r ea n a l y z e d i n t h e a n a l y s i s o fr e s t o r i n go n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 t a n g e n tt r a c k s ，d i f f e r e n tc o n i c i t yo fp r o f i l e ，w h i c hi n f l u e n c e sr e s t o r i n g o f i n d e p e n d e n tw h e e l ，a r ea n a l y z e d i n t h e a n a l y s i s o f c u r v i n g p e r f o r m a n c e ，t h e d i f f e r e n c eo fd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fi n d e p e n d e n t w h e e la n dw h e e l s e t sa r ea n a l y z e d ，f i n a l l y ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f 1 i g h tr a i lv e h i c l e s ，s u c h a sl i n e a rs t a b i l i t y ，n o n 一1 i n e a rs t a b i l i t y ，c u r v e n e g o t i a t i o na n dr i d ep e r f o r m a n c ee t c ，a r ea n a l y z e d 。 k e y w o r d s ：l o wf l o o r l i g h t r a i l v e h i c l e s ；i n d e p e n d e n t w h e e l ； l e c t o t y p e ；m o d i n g ；d y n a m i c s ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文的选题背景 第1 章绪论 随着全球工业化的日益发展，世界各国城市人口也迅速增加， 汽车数量剧增，特别是私人汽车成倍增长，使得城市交通r 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。轻轨交通以其 环境污染小，节省能源、投资少且运量大而得到广泛的运用，并得 到了系统性的研究。轻轨车辆具有容量大、噪声低、乘坐舒适、无 环境污染、节约能源、比较经济等特点，它作为载运工具在轻轨交 通中起着关键的作用，它对轻轨系统的载运能力、环境噪声污染、 乘坐品质、安全程度等诸多方面有重大影响。各国研制了种类繁多 的轻轨列车，体现了社会需求的多样性，也体现了轻轨车辆的复杂 性【6 】。进入8 0 年代，特别是1 9 8 4 年第一辆低地板轻轨车辆问世后， 城市轻轨得到了迅速的发展。我国有必要在借鉴国外经验的基础卜 研究出适合我国国情的轻轨车辆形式。 在轻轨车辆中，采用低地板技术是其发展趋势，新一代低地板 轻轨车辆中采用的技术涉及面十分广泛。为了减少轮轨磨耗、降低 噪声和实现低地板结构，国外从2 0 世纪8 0 年代后期开始，逐渐在 轻轨车辆上采用独立车轮。 低地板轻轨交通系统能被越来越多的城市所接受，主要是因为 轻轨交通在城市轨道交通系统中填补了有轨电车( 或公共汽车) 与地 铁运量间的空白，其运量适应范围为单向高峰1 3 万人次h ，最高达 4 万人次h ，般可用作中等城市的干线交通和大城市的支线交通。 且轻轨系统的建设费用又远远低于地铁轻轨造价仅为地铁的 ( 2 0 一3 0 ) 。般认为，在百万人口以上的特大城市，在修建地铁的 同时，可根据客流量的需要，修建市区和郊区、大型工业区及商业 区的轻轨交通线路；对于人口为5 0 1 0 0 万人口的中等城市来说，当 高峰小时单向客流达到1 2 5 万人次时应选用轻轨交通；5 0 万人口以 下的城市则需根据线路客流需求来决定【7 j 。 低地板轻轨车辆在国内处于刚起步阶段。大连市轻轨公司在原 有有轨电车线路上进行改造，研制了6 轴双铰接的7 0 低地板轻轨车 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 辆。此外，长春市快速轨道交通环线一期工程已经于2 0 0 1 年底建成 投入试运行。该线路全长1 4 6k m ，设有17 个车站，主要是地面线 路，高架线路有0 7kj t l ，总投资1 0 7 亿元，建设工期2 年。首批订 购湘潭电机股份有限公司生产的q 6 w l 型6 轴双铰接7 0 低地板轻轨 车辆12 辆。该车由3 个模块组成，长2 8 4m ，宽2 6 5 1 1 1 。 此外，深圳、南京己在动工兴建地铁。西安、沈阳、成都、大 连、青岛、哈尔滨、郑州、天津、长春、重庆、武汉等城市已在拟 建自己的城市轨道交通。 轻轨车辆的技术水平与轻轨车辆的整车造价密切相关， 山于我 国城市轨道交通的基础理论和应用技术都还处于开拓阶段，项目实 施的人多数情况是要引进技术和设备，国产化率低，工程造价昂贵。 对我国准备建造轻轨交通的城市来说，每辆轻轨车辆的价格在3 0 0 万 元5 0 0 万元比较合适，国外同类型的轻轨车辆价格高达1 0 0 0 万元 15 0 0 万元，令我们望而止步。因而提高我国城市轨道交通行业的技 术力量，发展自主建设能力，努力降低工程造价，已是健康发展大 运量轨道交通的关键。轻轨车辆的零部件选择应结合我国国情，不 应盲习进口，立足于国内产品，以降低整车的造价。我国铁路装备 技术水平发展很快，国产的橡胶弹簧、空气弹簧和高圆弹簧装簧及客 车盘形制动技术已经相当成熟，为轻轨车辆的设计制造提供了良好 的技术保障。在立足于国内成熟的零部件，关键件适当采用进1 3 元 件的6 u 提下，设计和制造价格每辆在3 0 0 万元5 0 0 万元左右，技术 水平达到国外9 0 年代初水平的轻轨车辆是我国轻轨车辆的主要发展 方向8 1 。 7 0 低地板轻轨车辆具有技术水平较高、制造成本适中的优点， 它是一种适合市内轻轨交通运输、符合中国国情的低地板轻轨车辆 型式。所以本课题在充分研究国内外轻轨车辆发展的基础上，为提 高我困轻轨技术与实现轻轨系统国产化而做的理论研究是有必要 的。 1 2 城市轻轨车辆发展概况 1 2 1 城市轻轨车辆总体发展过程 2 0 世纪7 0 年代，欧洲国家的一些城市在经受能源危机、环境污 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 染和交通拥挤的困扰后，开始重新认识有轨电车。1 9 7 8 年，国际公 共交通联合会( u i t p ) 在比利时布鲁塞尔召开的会议上，将在有轨电车 的基础上发展而成的中等运量的城市轨道交通方式定义为“l i g h t r a i lt r a ns i t ”，其中文意思为“轻轨铁路”，亦称“轻轨交通系统”。 在轻轨铁路上运行的车辆就称为“轻轨车辆”。 城市轻轨车辆的发展大致经历了高地板、中地板和低地板3 个 阶段。高地板轻轨车辆最为突出的缺点是不便于旅客上下车，特别 是一些病残乘客和儿童上下车困难，从而增加了站停时间，减少了 单位时间的客流量。如图1 1 所示 图1 一l 常规高地板轻轨车辆 2 0 世纪9 0 年代初，随着轻轨车辆技术的发展和制造工艺的提高， 欧洲许多城市先后投入运营了不同数量的中地板轻轨车辆，车内地 板面距轨面高度通常为4 0 0 6 3 0m m 。部分低地板和贯通式全低地板 轻轨车辆也得到了快速发展。 从低地板轻轨车辆发展来看，主要经历了3 代发展过程。 仃mm ；r 几1 、 ( 】：(：、l j j 一【1 l】( 1 ( 】 a m 邢_ ，团n 刚。佣m l l 一 图1 2 几种形式的部分低地板轻轨车辆 第一代低地板轻轨车辆中间部分有一个低地板进口，低地板大 约占车长的1 0 l5 ，随后该车经过改进可得到占车长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l 一2 所示。 第二代低地板轻轨车辆有较长的低地板部分，约占整车的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 6 0 一7 0 ，车内需要台阶向高地板区过渡。这种轻轨车辆的中间走 行部需要一种全新的安装方式，如图l 一3 所示。 丛一盯 n r 、mn 。丁丌、ill | i 图i 一3 贯通部分低地板轻轨车辆 第三代1 0 0 低地板轻轨车辆是最受乘客欢迎的。如果将动车转 向架也采用独立车轮，取消车轴，则动车转向架上方的中间通道也 可以做成低地板，从而实现1 0 0 低地板，如图1 4 所示。 厂 mn n 1n nmn nr r 1 幽1 4 垒低地板轻轨下辆 轻轨车辆发展至今已经进入第三代全低地板轻轨车辆阶段。世 界各犬机车车辆制造商大量投资从事轻轨车辆的设计、制造、工艺 改进和新材料使用等方面的研究，努力降低成本。改善乘车环境， 增加乘客舒适度，以提高其在国际市场上的竞争力。就发展趋势而 言，低地板车辆前景看好。从国际市场轻轨车辆的销售情况来看， 低地板车辆的销售数量日见增多。多数国家近几年购置的轻轨车辆， 低地板结构占很大比例，贯通式低地板车辆倍受市场青睐，是今后 发展的趋势，而走行装置采用单独轮对或独立车轮取代传统的转向 架，为降低地板面高度提供了强有力的技术保障【2 】。 长春、大连的轻轨车辆都属于低地板轻轨的第二代车辆，其中 1 日j 车为独立车轮，动车转向架还是采用以前的地铁车辆转向架技术。 2 0 0 2 年l2 月3 0 日，长春市轻轨公司和长春轨道客车股份公司鉴定 了长春二期轻轨工程2 0 辆1 0 0 低地板车辆合同。其技术水平是属于 低地板第三代车辆，达到国际上同期先进水平。 12 2 国内外城市轻轨车辆发展趋势 国内外城市轻轨交通的迅速增长，对轻轨车辆的需求也同益上 升，但轻轨市场的竞争也日趋激烈。就发展趋势而言，有以下几方 面的特征： ( 1 )易于制造由于低地板轻轨车辆的技术比较复杂。其价 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 格比高地板车高出约1 5 2 0 ，轻轨车辆制造集团要想提高国际 市场竞争力，必须通过降低成本来获得合理的车辆价格，所以现在 几乎所有的低地板轻轨车辆都引入了模块化技术。 模块化在轻轨车辆上的应用主要是以车辆的一部分作为模块。 车辆长短、载客人数都可根据需要灵活调整。a d t a n t z 公司在19 9 8 年奥斯陆举行的铁路会议上展出的i n c e n t r o 样车，是一种真正的模块 化车，麸有6 种基本的型式。主要标准模块包括：动车转向架、拖 车转向架、前端车厢、后端车厢、中间车厢、铰接部等。车辆的长 度从186 米到4 9 4 米，宽度有2 3 米、2 4 米和2 6 5 米三种，并且 分标准轨距和米轨2 种型式。根据用户需要，车辆可以制造成5 0 动轴和10 0 动轴2 种型式。 ( 2 ) 方便乘客目前，低地板轻轨车辆前景比较被看好的关键 一点，就是方便乘客上下车。从国际轻轨车辆的市场来看，低地板 轻轨车辆的销售数量日渐增多，应用也越来越广泛。瑞士的日内瓦、 法崮的格勒布尔是最早采用低地板车的欧洲城市，而波特兰则是美 国第一个采用低地板轻轨车辆的城市。所有研究表明，为了适应市 场的需求，国外几家轻轨车辆制造集团都在开发自己的低地板轻轨 车辆系列，尤其是1o o 低地板轻轨车辆。例如：a d t a n t z 的i n c e n t r o 系列、西门子的c i t a d i s 系列、阿尔斯的c i t s d i s 系列、v e v e y 的u r b o s 系列，a n s a l d o b r e d a 的s i r i o 系列等。 此外，轻轨车辆应该能够提高对乘客的吸引力，比如提供足够 的座位、美观的外形设计等。在许多国家，轻轨交通已成为城市的 一人景观。 ( 3 )缘色交通为了降低制造成本，减少牵引动力的消耗和减 轻轮轨磨耗和噪声，轻量化结构是未来轻轨车辆的发展趋势。为了 保护环境，轻轨车辆应能再生，减少无法回收材料的使用。另外， 运营存城市中的轻轨车辆应该尽量降低噪声和减小振动，以保护其 运行的周围环境。 ( 4 )利于维护现在的轻轨车辆都装设故障诊断与显示系统， 使得维护十分简便。同时，要考虑广泛的维护技术，必须培养能够 维护和管理新型轻轨车辆的技术人员。低损耗、低磨耗的运营技术， 也是轻轨车辆维护的重要一部分。现在维护活动变得越来越现代化， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 为了能够确切地诊断出车辆的问题所在和预言车辆设备的衰退，供 货商可以通过i n t e r n e t 为用户建立可靠的资料接e l 。 总之，未来的轻轨车辆设计力求造价低、维修量小，运营费用 低和对乘客有吸引力 2 1 。 1 3 独立车轮的发展状况及应用前景 1 3 1 独立车轮的特点及其发展现状 铁道机车车辆传统轮对的两个车轮固定压装在同一根车轴上， 其左右车轮以相同的转速旋转。由于轮对上两个车轮的同步转动， 车辆在直线轨道上运行时，轮对不可避免地产生蛇行运动：而在曲 线上运行时，轮对在内外轨上行走的距离不相等，仅靠车轮不同半 径的滚动圆不能完全弥补，故在轮轨间将产生较大的滑动，从而加 剧了轮轨之间的磨耗和噪声。解决上述问题的有效办法是将左右车 轮解耦，使其能够分别独立旋转，这种左右车轮可以相互各自独立 地绕车轴旋转的轮组称为独立车轮。 对独立车轮的研究可以追溯到2 0 世纪初。19 0 3 年，瑞士人 c h a r l e sd e b a n g 申报了世界上第一个在铁道机车车辆中采用独立车 轮的专利，其基本原理就是将两车轮通过轴承安装在车轴上，使车 轮能相对车轴转动，其基本原理如图1 5 所示。 第一次采用独立车轮的是美国 a r i z o n a 州的一家车辆厂。1 9 16 年，该厂 为t u c s o n 市制造的城市轻轨车辆中采用 了独立车轮，其目的主要是使车辆的地板 能低于4 0 0m n l ，以便于乘客上下车。然而， 由于陔车的轮缘在直线上经常贴靠钢轨，圈i _ 5 独立车轮简图 车轮踏面和轮缘磨耗远高于同类型传统轮对，且多次发生脱轨事故。 2 0 世纪8 0 年代末，欧洲国家出于环境保护的目的和解决城市交 通j ) 挤的问题，开始大力发展城市轨道交通。而城市轻轨车辆亟待 解决的个问题，就是如何尽可能地降低车辆的地板面距轨面的高 度。要想使整车过道处的地板面距轨面小于4 0 0 i n n l ，采用传统轮对 转向架几乎是不可能的。于是，人们自然想到了采用独立车轮转向 架，使人们f 再次对独立车轮产生新的兴趣，并开始逐步认识到低地 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 板轻轨车辆采用独立车轮转向架的优越性和必要性。西欧一些国家 和日本等逐渐重视对独立车轮的研究i 。 但是，独立车轮在城市轻轨车辆运用中存在以下亟待解决的问 题： 1 直线复位独立车轮转向架在直线道上行驶时，受轨道不平顺 和车轮加工时安装误差的影响等原因，车轮一旦发生横向偏移，由 于独、，车轮没有纵向蠕滑产生偏转力矩，不能自动对中，造成轮缘 与钢轨持续接触，发生轮缘磨耗。如何解决好独立车轮转向架的复 位功能是研制转向架的成败所在。 2 曲线导向独立车轮转向架通过曲线时，由于不存在左右轮蠕 滑力形成的力偶的导向作用，完全依靠轮缘导向，冲角和轮轨横向 力作用力较大，轮轨磨耗较严重。 由于独立车轮的上述特点，西欧一些国家及同本已研制出许多 用来提供独立车轮导向能力的方法，根据其导向机理的不同，设计 出了型式多样、差异较大的独立车轮转向架，如表1 一l 所示。这些独 立车轮转向架的研制，使得独立车轮的导向能力得到一定的提高。 表1 1 国外主要独立车轮转向架 转向架名称 耦合独立车轮 德国c o m b i n o 德国e e f l h b 德国i c e m a n 日本r t - x 1 撕班牙t a l g o 意犬利f i a t 法国u r o t r a m 比利时b a s 2 0 0 0 意大利b o a 瑞士s 1 g 导向原理 车轴间耦台器联结 新型导向单元独立车轮轮座 新型导向单元自调节独立车轮 蠕滑力导向 离心力径向调节 拖动式独立车轮 蠕滑力导向 车体调节车轮位置 车体调节车轮位置 车体调节车轮位置 蠕滑力导向j a c o b 转向架 德国e d f 转向架中独立车轮不是以轮对的形式出现，而是前后 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 串联轮座，左右轮座再相互铰接成转向架，而e e f 自动调节独立车 轮轮辐是以新型导向单元自调节独立车轮为基础。法国的u r o t r a m 、 比利时b a s 2 0 0 0 等独立车轮转向架则是通过径向臂来调节独立轮对 在曲线上的位置的。日本的r t x 1 动车转向架是利用曲线上未平衡 离心力引起的前后独立车轮位置的变化的导向机理研制的。而最早 的西班牙t a g l o 则是采用拖动式独立车轮转向架，这也是迄今使用最 好的独立车轮转向架。当然，采用耦合轮对也是一种很好的解决办 法 48 i 。 2 0 世纪9 0 年代后期。采用独立车轮转向架的部分低地板贯通式 仝低地板轻轨车辆得到了迅速的发展。大量的理论研究和实践运用 表日月，独立车轮转向架具有以下特点【4 】： ( 1 ) 消除蛇行运动，使车辆不再有蛇行临界速度这一问题； ( 2 ) 大大降低轮轨之间的磨耗和噪声，特别是在小半径曲线上轮 缘磨耗和噪声大为降低； ( 3 ) 减少轮轨之间的横向作用力，特别是降低在小半径曲线上的 轨排力。 1 3 2 独立车轮在城市轻轨车辆中的应用 低地板轻轨车辆是当前的发展趋势，新一代低地板轻轨车辆中 采用的新技术涉及面极为广泛。为减少轮轨磨耗、降低噪声污染和 实现整车低地板结构，国外从2 0 世纪8 0 年代后期开始，逐渐在轻 轨车辆上以独立车轮代替传统轮对。 1 32 1 分段式低地板轻轨车辆一采用传统轮对转向架 甲，期设计的低地板轻轨车辆是传统轮对转向架、分段式低地板。 其转向架的走行及驱动机构仍是常规的，转向架上面必须是高地板， 在2 台转向架之间做成一段低地板，并设置台阶至高地板。图1 6 为三节两铰接8 轴车低地板结构几种方案。虽然这些方案技术简单、 可行，但低地板区域只占一小部分，而且由于有台阶，乘客不便于 在车内流动，往往集中在车门附近的低地板区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图l - 6 传统轮对转向架低地板车辆的基本结构 13 2 2 贯通式低地板轻轨车辆一中间拖车转向架采用独立车轮 对于实现低地板来说，车轮直径不是难题，因为车轮处于车辆 的两侧下面，为了容纳车轮，可以在地板上做成突起部分，在该部 分可设置座椅。重要的是要把中间通道做成低地板，以保证中间通 道前后贯通。由此看来，问题并不在于车轮而在车轴。既然低地板 通道的问题来自车轴，那么解决问题的办法就是取消车轴而用独立 车轮。图1 7 即表示采用独立车轮与传统轮对的地板面高度对比情 况。其中图1 7 ( a ) 采用传统轮对，而图1 7 ( b ) 采用曲柄联接轴的独立 车轮，图1 - 7 ( c ) 为取消联接轴的独立车轮，图中h i ，h 2 , h 3 分别为各车 的地板面距轨面的高度。从图1 7 f b ) 可见采用独立车轮可以明显降 低地板面高度。独立车轮所具有的横向性能稳定、磨耗小、噪声低、 重量轻以及容易降低车体地板高度等优点，一直是轻轨车辆走行部 结构设计追求的目标。而在当前，独立车轮技术已经相当成熟了。 q & ；0 圈i 一7 独立车轮与传统车轮对轻轨车辆地板高度对比 贯通式低地板轻轨车辆一般采用铰接式车辆，其中间转向架通 常为拖车转向架，这样，采用独立车轮相对来说就比较简单。图1 8 即表示中间拖车转向架采用独立车轮后的几种贯通式低地板车辆的 基本结构，几种方案的两端均为传统的动车转向架，其上面仍然为 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 高地板。其中图卜8 ( a ) 为单铰接的中间拖车转向架采用独立车轮；图 1 8 ( b ) 为双铰接的中间一节短车体采用一台独立车轮的转向架；图 1 - 8 ( c ) 是超常规的方案设想。此设想取消了传统的四轮转向架，而在 三节铰接车辆的中间一节车体的两端各采用一个独立车轮，把独立 车轮直接装在车体底架上。这三种方案的中间通道宽度约为8 5 0m m ， 低地板部分距轨面高度为3 5 0m m ，低地板部分占车长的比例高达 7 0 。 豳1 8 中间拖车转向架采用独立车轮的低地板车辆基术结构 132310 0 低地板轻轨车辆一动车转向架采用独立车轮 自从分段式低地板轻轨车辆出现以来。实现l0 0 贯通式低地板 一直是人们追求的目标。受中间拖车转向架采用独立车轮的启发， 如果动车转向架也采用独立车轮，取消车轴，则动车转向架上方的 通道部分也可以做成低地板，从而实现1 0 0 的低地板。图1 9 为动 车转向架采用独立车轮的2 种低地板轻轨车辆的基本结构。其中图( a ) 中3 台转向架均为动车转向架，每台转向架有两对独立旋转车轮。 而图( b ) 中三根驱动轴都没有车轴，各为一对驱动的独立旋转车轮。 图1 9 动车转向架为独立车轮、1 0 0 低地板轻轨车辆的结构 综上所述，独立车轮转向架具有横向稳定性好，磨耗少，噪声 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 小，重量轻及易实现低地板等传统轮对所不具有的优点，这些优点 正是当今轻轨车辆走行部结构设计所追求的目标。因此，其在轻轨 车辆上具有广阔的应用前景。刚起步的国内轻轨车辆应尽早开展这 方面的研究，尽快达到国产化要求。独立车轮作为轻轨车辆低地板 技术的重要保障，必将得到进步的发展和应用【5 ”48 1 。 1 4 论文的研究内容 我国轨道交通一方面起步晚，基础落后；另一方面引进设备太 多，投资巨大，建设难以承受。本文在充分研究了国内外轻轨车辆 发展状况的基础上，为提高我国轻轨技术与实现轻轨系统国产化， 为以后同类型的轻轨车辆分析提供参考而做的理论研究是有必要 的。本课题研究的低地板城市轻轨车辆采用三节车体的单元车组， 车组两端为动车，中间为拖车，两端各装一个传统转向架，中间用 一个独立车轮的转向架实现低地板结构，车身间的连接采用铰接式 结构，使三节车厢低地板面贯通，低地板面部分占全车地板面的7 0 。 本文主要进行了以下工作： 1 对国内外城市轻轨的发展概况进行综述，并对独立车轮的发 展及概况进行了介绍，指出了现今低地板城市轻轨车辆存在的问题， 并为我幽的轻轨车辆发展提出了建议； 2 比较7 0 低地板和10 0 低地板轻轨车辆的优缺点，通过对7 0 低地板城市轻轨车辆的选型分析和参数设计，提出了本文需要的动 车转向架和拖车转向架； 3 对独立车轮蠕滑率进行了分析，并给出了轮轨蠕滑力的计算 公式； 4 建立了7 0 低地板轻轨车辆动力学计算模型和s i m p a c k 动力学 仿真模型； 5 对低地板城市轻轨车辆一系、二系悬挂参数以及抗侧滚装置 刚度进行了优化； 6 用多体动力学仿真软件s i m p a c k 分析了独立车轮的直线对中 能力，比较了传统轮对和独立车轮的曲线通过性能；分析了低地板 城市轻轨车辆线性稳定性、非线性稳定性、曲线通过性能和舒适度 等动力学性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章7 0 低地板城市轻轨车辆选型分析 本文首先通过对7 0 低地板城市轻轨车辆和1 0 0 低地板城市轻 轨车辆比较，指出了7 0 低地板轻轨车辆相对于全低地板轻轨车辆所 具有的优点，然后对7 0 低地板轻轨车辆转向架进行了选型分析，最 后确定了本文需要的7 0 低地板轻轨车辆动车转向架及其拖车转向 架模型。 2 1 7 0 低地板城市轻轨车辆与10 0 低地板城市轻轨车 辆比较 在第一章绪论中已经指出，低地板城市轻轨车辆的发展已经进 入第三代，即1 0 0 低地板轻轨车辆，而7 0 低地板轻轨车辆是符合 中国国情的低地板轻轨车辆型式。 7 0 低地板与1 0 0 低地板相比，有如下优点【3 l ： 1 采用常规的动车转向架，结构简单，技术成熟。 2 中间拖车转向架采用独立车轮，结构相对简单。 3 车门开在低地板部位，乘客上下车同样方便，车内用二三个 台阶由低地板过渡到高地板，给乘客带来的麻烦不大。 4 常规动车转向架可装较大功率的牵引电动机，每轴功率为 1 0 0 k w 15 0 k w ，甚至更大；而驱动的独立车轮，因受空间的限制，2 个独赢车轮的牵引电动机功率不超过7 0 k w 9 0 k w 。 基于上述优点，中国当前的低地板轻轨都采用7 0 低地板。这 是因为中国轻轨车辆的运用条件与欧洲不同，主要表现在：( 1 ) 中 国轻轨车辆容量较大；( 2 ) 通常要运行至市郊；( 3 ) 运行速度较快； ( 4 ) 启动加速度较大；( 5 ) 需要的牵引功率较大。 2 。2 7 0 低地板轻轨车辆选型分析 我们计划开发设计如下图所示的7 0 复铰式低地板轻轨车辆。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 - i 7 0 低地板轻轨车辆实体模型 其设计目标是：全长：2 8 m ，7 0 的低地板 低地板：3 5 0 m m 高地板：8 8 0 m m 以下 传统车轮轮径：6 6 0 r a m 独立车轮轮径：6 0 0 m m 轴数：六根轴 定距：1 0 m 轴重：l o t 定员：3 0 0 人 通过曲线最小半径：2 5 m 牵引电机：4 x 1 2 0 k w 该车是典型的复铰式低地板面的轻轨车辆，该车有前后两节车 体和中问过渡车体构成。位于前后车体下的两台转向架是动车转向 架，这部分的地板较高：位于中间过渡车体下的一台转向架是独立 轮从动转向架，中间部分的地板较低。四扇门安置在低地板区域， 可以方便旅客上下车。低地板区域的长度占总车长度的7 0 。总车 长2 8 4 m ，最高速度8 0 k m h ，最小通过曲线半径为2 5 m 。 走行部是轻轨车辆的主要组成部分，其应保证轻轨车辆的安全 性、直线稳定性及鳇线通过性能。为了方便残疾人、儿童等乘客， 新造的轻轨车辆大都采用低地板。实现低地板轻轨车辆的转向架所 用的轮对有以下几种类型，见表2 1 ： 表2 1 实现低地板轻轨车辆的转向架所用的轮对型式 | l 传统两轴轮对 l11 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 用于带双曲柄轴的拖 z ：3z ：x 2 i； li 车转向架的独立车轮专由 用于不带曲柄轴的拖 串；3 3车转向架的四个独立 t ；7 c 搴7 车轮 带自导向的小轮径单 卓 4 轮对的独立车轮 审 由铰接导向的单轴传 卒 5 i 统轮对 幸 用于拖车转向架上的 宁牛 6 童工 小轮径轮对 由铰接导向的单独立 z 急 7 车轮 t ；7 _ c l 8e e f 轮对 拦f c ：7 其中第1 种类型轮对，即传统轮对，只能实现的第一代低地板， 其余7 种类型可以实现第二代和第三代低地板轻轨车辆。通过以上 各种实现低地板轻轨车辆轮对类型的比较，实现本文开发的7 0 低 地板目标的转向架有以下一些类型1 3 6 1 ： ( 1 ) 小直径传统轮对拖车转向架( r a d s a t z - d o p p e l f a h r w e r k ) ，简 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 称r d f ，通常指采用两个常规轮对的走行装嚣： ( 2 ) 单个传统轮对拖车转向架( r a d s a t z e i n z e l f a h r w e r k l ，简称 r e f ，通常是指采用单个常规轮对的走行装置； ( 3 ) 独立旋转车轮拖车转向架( e i n z e lr a d e i n z e l f a h r w e r k w h e e l s e t s ，s e l fs t e e r i n g a n d i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l ) ，简称为 e e f ，它是以新型导向单元自调节独立车为基础。其特点是车轮可绕 其外平面内的铅垂轴旋转而达到理想的切线位置，从而完成直线对 中和曲线通过。 ( 4 ) 独立车轮拖车转向架( e i n z e l r a d e i n z e l f a h r w e r k ) ，简称 e d f ，该类型转向架又分为以下几种型式： 带曲柄轴的四个独立车轮的拖车转向架 不带曲柄轴的四个独立车轮的拖车转向架 以下分别对上述几种实现7 0 低地板的轮对( 组) 型式进行分析： 2 2 1 小直径传统轮对拖车转向架( r d f ) 获得低地板轻轨车辆的最简单的方法就是减少车轮直径，从而 降低车轮轴的中心高度。这种方法有以下几个优点【3 6 j ： f 1 1 维持了传统轮对的自导向特性，从理论的角度表明它有很强 的自动对中性能； f 2 ) 有效地减少了决定轮轨垂向相互作用力的簧下质量；从而 有效地降低了由转向架和轮轨产生的振动和摇摆： f 3 ) 小直径轮对相对便宜； f 4 ) 能够制造一种迷你型传统轮对拖车转向架，其一系和二系悬 挂与传统转向架相似。 该类型轮对构成的转向架截面图和由该类型转向架构成的7 0 低地板轻轨车辆示意图如图2 2 所示。 到2 2 小直径轮对转向架截面图及其构成的7 0 低地板轻轨车辆示意图 另外，小直径轮对与传统轮对有相同的或者比传统轮对更小的 脱轨风险性。该技术的主要代表轻轨车辆是v e v e y 系列车，我们主 一 堕塑窒塑查兰塑主堕塞竺兰篁笙茎 笙! ! 里 要关心的是要认识到小直径轮对的耐磨性减少( 从而增加了维护的 成本) 。运用小轮对的结果是： ( 1 ) 比传统轮对更高的接触面应力； ( 2 ) 在一段给定的距离中，小直径轮对有更多的旋转次数； ( 3 ) 对小半径轮材料加厚从而改善其磨耗和导向性能。 然而，通过一些途径可以改善其一些不好的性能，具体如下： ( 1 ) 通过减少轮* j r 动作用力来弥补由小直径轮对增加的静态接 触应力； ( 2 ) 在曲线通过时，更小的轮径和更有效的导向能够减少轮缘接 触和横向滑动； ( 3 ) 在轮对中添加钢铁成分能够提高它的磨损性能，减少高的接 触应力。v e v e y 系列车在这个方面取得了满意的结果： ( 4 ) 优化系悬挂的纵向刚度，在轮缘处用润滑油能提高其f | = | 线 通过性能。 凶此，以上表明，小直径轮对在拖车转向架上能够得到满意的 运用。由于对小直径轮对移动和复位都比传统转向架容易，故其维 修费用也比传统轮对低。但是小直径轮对在低地板轻轨车辆中还不 能运用在动车上，因为它们直径太小，很难安装电机，在上面装变 速箱也不可行【”1 。 2 2 ，2 单个传统轮对拖车转向架( r e f ) 单个传统轮对的拖车转向架及其构成的低地板轻轨车辆外形图 如图2 3 所示： 亡= = = = = = = ：= = = 当 点蓬# a 到2 - 3 单传统车轮转向架截面图及其构成的低地板轻轨车辆外形图 该转向架轮是由单个传统轮对组成的，其特点如下： ( 1 ) 构架是凹型的截面，用钢板焊接而成； ( 2 ) 一系悬挂用v 型橡胶堆； ( 3 ) 二系悬挂用四个螺旋弹簧 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ( 4 ) 一个导向铰链装置，该装置把构架和浮动的铰接联结起来， 在曲线通过时，该装置自动调整转向架的对中能力。 但是由于这个概念运用的局限性，设计是用户定制的设计，不 可能得到很广泛的运用。 2 2 ，3 自导向独立旋转车轮转向架( f e f ) 该7 0 低地板轻轨车辆是s i m e n s 公司生产的用e e f 来实现低 地板的，如图所示。该转向架是以新型导向单元自调节独立车为基 础。 、 r， 风风 1 ! = 1 白薛 匕；了 幽2 4e e f 轮对截面图及其构成的低地板轻轨车辆外形图 e e f 的原理是如图2 5 所示，其特点是在车轮轴外侧设置一支 广 v i e wx o 图2 5e e f 导向原理 点s ，车轮如果在运行中发生偏转，则绕支点形成负调节半径，在重 力的作用下使车轮复位，由轮子的横向分力f ，来导向。通过曲线时， 以同样的方式不断地调整偏转角，使车轮始终处在钢轨的切线位置。 因此，轮轨接触点的正常力倾向于使轮子恢复轨道中心线的方向。 如果车轮与轨道有一个冲角，水平分力将使车轮绕铅垂轴旋转而达 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 到理想的切线位置。 2 2 4 独立车轮转向架( e d f ) 独立车轮是拖车转向架实现低地板结构的关键技术。独立车轮 以无蛇行失稳和通过曲线无滑动、无噪声的特点，特别适合轻轨车 辆。下面分别介绍两种不同实现7 0 低地板轻轨车辆的独立车轮转 向架。 2 。241 不带曲柄的独立车轮转向架 通常指采用两对独立车轮的走行装置，独立车轮分别支撑在短轴 承载结构中，如图2 6 所示：车轮两侧采用2 个轴承与车轴连接。 1双独立轮对板粱式摇枕从动 转向架 罔2 7 是菲亚特公司研制的双 独立轮对板梁式摇枕从动转向架。其 结构主要由弹性车轮、下凹形构架、 空气弹簧、垂向减振器、横向减振器、 牟上# 一- - i - - _ 审# 牵引拉杆和板梁式摇枕等部件 图2 - 6 不带曲柄轴的独立车轮转向架 组成转向架质量2 4 t ，轴距1 4 0 0 m m ，轮径6 8 0 m m ，采用该转向架 后，使整个车厢的低地板面率达5 6 。 该转向架主要结构特点为：