地鐵車輛牽引制動(dòng)工況仿真研究
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摘要：對地鐵車輛的牽引制動(dòng)工況進(jìn)行仿真研究，可以為地鐵車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供參考，提升地鐵車輛運(yùn)行安全性。文章首先分析地鐵車輛的牽引制動(dòng)模型構(gòu)建，確定地鐵車輛運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，對地鐵車輛牽引制動(dòng)工況進(jìn)行仿真研究，并對仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，為地鐵車輛設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：地鐵車輛；牽引制動(dòng)；工況仿真
在城市路面交通壓力與日俱增的情況下，地鐵建設(shè)任務(wù)緊迫，并成為人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂械男逻x擇。在地鐵車輛運(yùn)行過程中，牽引動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)對其運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性有直接影響，而且對地鐵車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算具有較高難度，需要采用牽引制動(dòng)工況仿真方法，驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，確保設(shè)計(jì)方案的合理性。
1地鐵車輛牽引制動(dòng)模型
1.1動(dòng)力學(xué)仿真模型。在惰行工況下，對地鐵車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，主要以車輛垂向、橫向的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)作為計(jì)算對象。可以直接采用標(biāo)準(zhǔn)惰行工況模型完成常規(guī)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算工作。但是如果要對地鐵車輛的縱向動(dòng)力學(xué)性能、懸掛部件縱向力進(jìn)行仿真計(jì)算，則需要引入牽引制動(dòng)工況仿真模型。在構(gòu)建地鐵車輛牽引制動(dòng)模型的過程中，需要從地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架采集模型參數(shù)。以國內(nèi)應(yīng)用較多的某型號地鐵車輛轉(zhuǎn)向架為例，構(gòu)建的整車模型具體包括一系懸掛、二系懸掛、輪對和車體等部分。其中，一系懸掛為軸箱的V型彈簧，二系懸掛由橫向和垂向減震器、中心牽引裝置、抗側(cè)滾扭桿等部分組成。此外，仿真模型的軌頭采用UIC60型號，踏面采用UIC/S1002型號，根據(jù)A型車的額定運(yùn)量數(shù)據(jù)確定整車模型參數(shù)。在構(gòu)建整車動(dòng)力學(xué)仿真模型后，需要對模型合理性進(jìn)行驗(yàn)證，采用標(biāo)準(zhǔn)模型驗(yàn)證方法，對其動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行判斷，確定地鐵車輛運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)[1]。在地鐵車輛地鐵制動(dòng)過程中，主要采用電制動(dòng)與空氣制動(dòng)共同作用的方式。由于電制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力會(huì)隨車輛速度變化，速度越低時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力越小，因此在地鐵制動(dòng)過程中需要配合采用空氣制動(dòng)系統(tǒng)。另一方面，提升制動(dòng)力可以縮短地鐵車輛的制動(dòng)距離，但并不是制動(dòng)力越大效果越好。在動(dòng)力學(xué)仿真模型設(shè)計(jì)過程中，需要遵守粘著定律，如果制動(dòng)力大于輪軌粘著力，則會(huì)引發(fā)輪軌滑行問題，導(dǎo)致車輪被閘瓦抱死，不僅會(huì)影響制動(dòng)效果，還容易對軌面造成損傷。1.2標(biāo)準(zhǔn)模型驗(yàn)證。在標(biāo)準(zhǔn)模型驗(yàn)證過程中，主要是對地鐵車輛的基本動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行判定，包括橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、蛇行穩(wěn)定性指標(biāo)、輪軸橫向力指標(biāo)、輪重減載率指標(biāo)和脫軌系數(shù)指標(biāo)等。其中，穩(wěn)定性指標(biāo)驗(yàn)證是重點(diǎn)工作。地鐵車輛的蛇行穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算方法較為簡單，可截取一段50m長的不平順時(shí)域譜作為激擾，地鐵車輛勻速通過不平順路段之后繼續(xù)在直道上運(yùn)行，主要根據(jù)剛體位移收斂及發(fā)散特性對車輛蛇行失穩(wěn)情況進(jìn)行判斷。假設(shè)地鐵車輛模型通過不平順路段的時(shí)速為80km/h，剛體橫向振動(dòng)收斂，說明整車非線性臨界速度在80km/h以上。根據(jù)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》對于平穩(wěn)性指標(biāo)的評定等級劃分，平穩(wěn)性指標(biāo)（W）小于2.5為1級（優(yōu)），平穩(wěn)性指標(biāo)在2.5到2.75之間為2級（良），平穩(wěn)性指標(biāo)在2.75~3.0之間為3級（合格）。在模型計(jì)算過程中需要考慮左軌和右軌的不平順位移激擾，還要考慮不平順?biāo)俣取⒓铀俣燃_。在此條件下計(jì)算得到的整車動(dòng)力模型垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在2.31~2.48之間，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在2.47~2.75之間。其中，垂向平穩(wěn)性較好，可以達(dá)到1級水平，橫向平穩(wěn)性則相對較差，但也能夠保證在合格水平以上[2]。在上述動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)中，橫向力指標(biāo)、輪重減載率指標(biāo)和脫軌系數(shù)指標(biāo)是判斷車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。其中，橫向力指標(biāo)要求小于等于0.85（1.5+（Pst1+Pst2）/2），其中Pst1和Pst2分別為左右兩端車輪靜荷載。輪重減載率指標(biāo)第一限度要求小于等于0.65，第二限度要求小于等于0.6。脫軌系數(shù)指標(biāo)第一限度要求小于等于1.2，第二限度要求小于等于1.0?？梢栽诓煌那€工況下對這幾項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，根據(jù)結(jié)果判斷模型運(yùn)行穩(wěn)定性是否符合要求。在本次驗(yàn)證過程中，共設(shè)計(jì)了4種計(jì)算工況，模型運(yùn)行穩(wěn)定性均在指標(biāo)第二限度以下，可以滿足穩(wěn)定性要求。通過標(biāo)準(zhǔn)模型驗(yàn)證，該動(dòng)力學(xué)仿真模型可以用于地鐵車輛的牽引制動(dòng)工況仿真計(jì)算[3]。
2地鐵車輛牽引制動(dòng)工況的仿真
2.1工況設(shè)計(jì)。根據(jù)地鐵車輛的線路運(yùn)量要求，在牽引制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要保證車輛具有足夠高的牽引制度加速度，一般情況下要達(dá)到0.8~1m/s2，在緊急制動(dòng)情況下要達(dá)到1.2~1.3m/s2。且要保障地鐵車輛牽引制動(dòng)加速度并不受載客量和輪軌黏著變化等影響，出現(xiàn)明顯的變化。根據(jù)這一要求，在地鐵車輛牽引制工況的設(shè)計(jì)過程中，為了更好的確定實(shí)際工況條件下懸掛部件受力情況，需要明確輪軸牽引力和制動(dòng)力的方向及大小。在仿真工況設(shè)計(jì)過程中，地鐵車輛牽引制度加速度取值為1m/s2。從理論計(jì)算結(jié)果來看，地鐵車輛牽引工況下的行駛速度為0~80km/h，在速度為0~40km/h階段的加速度逐漸增加值1m/s2，然后開始減小，經(jīng)過32s時(shí)間，運(yùn)行距離為427m。在惰行工況下，地鐵車輛行駛速度為80km/h，經(jīng)過19s，行程為423m。在制動(dòng)工況下，地鐵車輛運(yùn)行速度從80km/h逐漸下降為0，加速度為-1m/s2，經(jīng)過22.5s的時(shí)間停止，行程為250m。從仿真結(jié)果來看，地鐵車輛牽引工況下的行駛速度為0~77.8km/h，加速度增加至0.95m/s2后開始減小，行駛時(shí)間32s，行程為443m。在惰行工況下，車輛運(yùn)行速度為77.8km/h，運(yùn)行時(shí)間19s，行程410m。在制動(dòng)工況下，車輛運(yùn)行速度從77.8km/h逐漸下降為0，加速度為-0.995m/s2，經(jīng)過22s停止運(yùn)行，行程為255m。2.2模型簡化。為方便計(jì)算，可以對地鐵車輛牽引制動(dòng)模型進(jìn)行簡化，將6動(dòng)2拖車輛簡化為3動(dòng)1拖模型，讓牽引力和制動(dòng)力僅負(fù)責(zé)本車運(yùn)行，在模型四個(gè)輪軸分別施加牽引力和制動(dòng)力，對典型城市地鐵軌段牽引制動(dòng)工況進(jìn)行模擬，地鐵車輛運(yùn)行過程中前一站的啟動(dòng)到后一站的停止。從仿真計(jì)算結(jié)果來看，地鐵車輛的牽引制動(dòng)工況與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，說明設(shè)計(jì)的牽引制動(dòng)工況符合城市地鐵運(yùn)行的實(shí)際情況，對地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。可以通過對牽引制動(dòng)工況仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，更好的認(rèn)識(shí)地鐵車輛在牽引制動(dòng)工況下的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，從而為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供參考，優(yōu)化地鐵車輛的動(dòng)力學(xué)性能。
3地鐵車輛牽引制動(dòng)工況仿真結(jié)果及討論
3.1結(jié)果分析。從地鐵車輛牽引制動(dòng)工況仿真結(jié)果來看，動(dòng)車一系懸掛和二系懸掛系統(tǒng)的縱向力均大于拖車。仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，車輛運(yùn)行基本符合穩(wěn)定性指標(biāo)要求。在地鐵車輛牽引制動(dòng)工況下，牽引力和制動(dòng)力均施加在動(dòng)車輪軸上，可以對動(dòng)車進(jìn)行模擬，由動(dòng)軸輸出牽引力、制動(dòng)力。在力的傳遞過程中，首先經(jīng)過輪對傳遞到軸箱，然后經(jīng)過一系懸掛系統(tǒng)傳遞到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，最后經(jīng)過二系懸掛系統(tǒng)達(dá)到車體。拖車牽引力和制動(dòng)力傳遞路線則與動(dòng)車相反，由車體傳遞給二系懸掛系統(tǒng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)向架構(gòu)架傳遞給一系懸掛系統(tǒng)，再經(jīng)過軸箱達(dá)到輪對。在牽引制動(dòng)工況下，動(dòng)車和拖車整車參數(shù)基本可以保持一致，由于動(dòng)車和拖車的傳力過程完全相反，因此在牽引制動(dòng)過程中，雖然整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，但具有不同的懸掛縱向力。3.2動(dòng)車與拖車狀態(tài)比較。通過對地鐵車輛牽引制動(dòng)工況下的動(dòng)車和拖車整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行比較，車輛行駛速度、加速度和里程均保持一致。其中，行車速度在32s時(shí)達(dá)到最高時(shí)速，經(jīng)過19s的勻速運(yùn)行后開始制動(dòng)減速，在73s時(shí)下降為0，車輛停止運(yùn)行。從行車加速度變化情況來看，在地鐵車輛啟動(dòng)階段，加速度快速增加至1m/s2，然后逐漸下降為0，在制動(dòng)過程中快速下降至-1m/s2，最后歸0。在整個(gè)運(yùn)行過程中，地鐵車輛共運(yùn)行73s，總里程數(shù)為1108m。其中，動(dòng)車和拖車的運(yùn)行狀態(tài)完全一致。整個(gè)仿真過程在光滑直線條件下完成，可以反映出地鐵車輛運(yùn)行的牽引制動(dòng)工況實(shí)際情況。3.3懸掛縱向力比較。從動(dòng)車和拖車的一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)縱向力比較情況來看，由于在牽引制動(dòng)工況下，動(dòng)車與拖車的傳力過程完全相反，包括一系軸箱彈簧的縱向力、二系牽引拉桿的縱向力等。由此導(dǎo)致動(dòng)車部分懸掛部件縱向力要明顯高于拖車部分的懸掛部件。首先從動(dòng)車和拖車單個(gè)一系軸箱彈簧縱向力比較情況來看，動(dòng)車軸箱彈簧縱向力最大值能夠達(dá)到±6kN，而拖車軸箱彈簧縱向力最大值在±1kN以內(nèi)。其次，從動(dòng)車和拖車單個(gè)二系拉桿系統(tǒng)的縱向力比較情況來看，動(dòng)車二系拉桿系統(tǒng)縱向力的最大值為±20kN，拖車二系拉桿系統(tǒng)縱向力的最大值僅為±6kN左右。最后從動(dòng)車和拖車單個(gè)二系空氣彈簧的縱向力比較情況來看，動(dòng)車二系空氣彈簧縱向力最大值為±0.8kN，而拖車二系空氣彈簧縱向力接近于零，僅在個(gè)別時(shí)刻達(dá)到±0.1kN。3.4理論計(jì)算值比較。在對地鐵車輛牽引制動(dòng)工況研究過程中，可以通過比較理論計(jì)算值和仿真計(jì)算值，驗(yàn)證仿真模型的可靠性。在理論計(jì)算過程中，可以采用3DOF彈簧質(zhì)量模型。該模型由三個(gè)質(zhì)量體（m1，m2，m3）和2個(gè)彈簧（k1，k2）組成，系統(tǒng)所受外力為F，產(chǎn)生的整體加速度為a。由于系統(tǒng)中的三個(gè)質(zhì)量體質(zhì)量不同，每個(gè)彈簧的受力情況也不同。對于整個(gè)系統(tǒng)有F=a（m1+m2+m3），對于單個(gè)質(zhì)量體則有am1=F-F1，am2=F1'-F2，am3=F2'。其中，F(xiàn)1和F1'為質(zhì)量體m1所受的作用力和反作用力，F(xiàn)2和F2'為質(zhì)量體m2所受的作用力和反作用力。根據(jù)作用力與反作用力大小相等的物理學(xué)原理，可以得到F1=a（m2+m3）=F-am1，F(xiàn)2=am3。由此可以得出，F(xiàn)1＞F2。如果m1在系統(tǒng)中質(zhì)量占比較高時(shí)，F(xiàn)1較小，F(xiàn)2則更小。如果m1在系統(tǒng)中質(zhì)量占比較低，且小于m2和m3時(shí)，F(xiàn)1則較大。對應(yīng)于地鐵車輛模型動(dòng)車，m1實(shí)際代表的是輪對和輪箱，m2代表的是構(gòu)架，m3代表的車體。對應(yīng)于地鐵車輛模型拖車，m1代表車體，m2代表構(gòu)架，m3代表輪對和軸箱。由此也可以推斷出，動(dòng)車一系懸掛系統(tǒng)縱向力大于拖車一系懸掛系統(tǒng)縱向力，動(dòng)車二系懸掛系統(tǒng)縱向力大于拖車二系懸掛系統(tǒng)縱向力。在仿真過程中，理論計(jì)算輸入情況如下：（1）拖車總重參數(shù)，單個(gè)轉(zhuǎn)向架重量6.3T，車空載重量（AW0）40T，超員載客（AW3）重量為66T；（2）動(dòng)車總重參數(shù)，單個(gè)轉(zhuǎn)向架重量8.4T，車空載重量（AW0）41.5T，超員載客（AW3）重量為67.5T。得到的縱向力計(jì)算結(jié)果為：（1）動(dòng)車一系懸掛系統(tǒng)縱向力為6.3kN，二系懸掛系統(tǒng)縱向力為21.3kN；（2）拖車一系懸掛系統(tǒng)縱向力為0.4kN，二系懸掛系統(tǒng)縱向力為5.8kN。4結(jié)束語綜上所述，在地鐵車輛縱向動(dòng)力學(xué)分析和懸掛部件縱向力分析過程中，引入牽引制動(dòng)仿真模型是十分必要的。本次仿真計(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)中的地鐵車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)基本一致，通過與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，也可以證明仿真計(jì)算結(jié)果的合理性。因此，可采用該牽引制動(dòng)工況仿真模型為相關(guān)設(shè)計(jì)活動(dòng)提供參考。
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[3]林文立.地鐵動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)分析、建模及優(yōu)化[D].北京交通大學(xué)，2015.
作者:張顯鋒 段姹莉 單位:北京中車長客二七軌道裝備有限公司
