徐存宝，王雪梅，倪文波
(西南交通大学机械工程学院，成都 610031)
摘 要：分析胶轮+导轨式有轨电车动力走行部的导向机理、脱轨机理，介绍电车3种类型的动力走行部导向机构。为研究导轨电车的轮轨关系，对其动力走行部的脱轨机理展开试验研究，设计动力走行部滚振试验台。试验台可以模拟电车空载和满载条件，以及直线、曲线通过工况。通过测量导向轮的横向力、垂向力和垂向位移3个参数，研究分析导轨电车导向、脱轨机理，并建立相关评价标准。试验台为导向机构的优化及电车运行安全的提升提供保障。
关键词：胶轮+导轨式有轨电车；滚动振动试验台；动力走行部；设计
随着城市化的发展、人类环境保护意识的增强,以及对出行舒适性和便捷性要求的提高，现代有轨电车又重新得到了应用。现代有轨电车主要分为钢轮钢轨式有轨电车和胶轮+导轨式有轨电车两种类型[1]，其中胶轮+导轨式有轨电车采用胶轮驱动，只需要一根中央导轨进行导向，电车的重力由走行胶轮承载，因此导向轮对钢轨路基的受力要求远远低于钢轮钢轨式有轨电车，大大降低了线路建设周期和成本。目前胶轮+导轨式有轨电车的主要生产厂家是法国的LOHR公司和加拿大的Bombardier公司[2]。世界首辆胶轮+导轨式有轨电车在2001年2月在法国南锡市(Nancy)投入运行后便得到了社会的密切关注。
动力走行部是胶轮+导轨式有轨电车最为关键的部件，其导向性能决定了电车的曲线通过性能与安全性能。动力走行部上的导向轮与导向轨接触，导向轮在导向轨上不脱轨是电车安全运行的基本要求。胶轮+导轨式有轨电车脱轨机理与传统轮轨形式的电车不同，目前尚无公开的关于胶轮+导轨式有轨电车脱轨机理的研究文献，因此在对其展开研究的过程中，试验研究必不可少。本文将通过分析其导向机理，对其试验台试验技术展开研究。
胶轮+导轨式有轨电车动力走行部导向原理如图1所示。电车运行时，走行部上的前导向轮锁定滑块锁定前导向轮，后导向轮锁定滑块解锁后导向轮。当电车需要转向时，与线路曲率一致的导向轨通过与前导向轮轮缘之间的挤压产生导向力，使前导向轮带动转向机构绕转动中心转动，转向机构上的转向杆控制动力走行部上的走行胶轮转向，使电车沿导向轨设定的路线行驶。
图1 胶轮+导轨式有轨电车动力走行部导向机构原理
如何保证导向轮不脱离导向轨是电车导向的关键。因此世界上的胶轮+导轨式有轨电车的动力走行部都设计了独特的导向机构，如图2所示的分别是LOHR公司的Translohr型(a)和Bombardier公司的TVR型(b)，以及中车四方车辆有限公司提出的一种带有钩形装置保护的双轮缘新型导向机构(c)。导向轮与导向轨的接触方式是3种结构的主要差别。Translohr型有轨电车的导向机构使用了2个导向轮，且导向轨的截面与传统导向轨不同，2个导向轮成V字形排布,在导向轨两侧完成对动力走行部的导向功能；TVR型导向轮与导向轨的接触方式类似于传统轮轨关系，导向轮通过加高的双轮缘结构使其不易脱离导向轨；新型导向机构在TVR型导向机构的基础上添加了钩形保护装置，钩形保护装置在导向轮跳离导向轨时通过钩住导向轨轨头阻止导向轮进一步跳离导向轨，从而提高动力走行部运行时的安全性能。
图2 导向机构示意
电车运行过程中，动力走行部上的导向轮与导向轨直接接触，在导向轨上滚动运行。导向轮不脱离导向轨是导向机构设计的基本要求。目前尚无关于胶轮+导轨式有轨电车脱轨的标准，因此可借鉴轨道交通车辆关于脱轨的标准，判断轨道车辆脱轨的主要参数是轮对的横向力Q和垂向力P的比值。国际铁路联盟UIC规定用Q/P作为脱轨安全性标准，当Q/P≤1.2时认为车辆运行是安全的[3]。同样导向轮的横向力与垂向力的比值也可作为判断独轨电车脱轨的参数，导向轮的横向力与垂向力的比值越大越容易脱轨。胶轮+导轨式有轨电车导向轮的垂向力主要由走行部上的压紧弹簧提供，增大导向轮压紧弹簧的压紧力，对防止脱轨、增加导向机构的安全性是有利的，但是压紧力过大会加快导向轮和导向轨之间的磨耗。文献[4]提出了一种新的判断车辆脱轨安全裕度的方法，也就是导向轮相对于导向轨的垂向位置变化，该理论指出当导向轮的抬升量超过轮缘高度时，即使很小的横向扰动也会导致脱轨。基于上述的理论和假设，导向轮的横向力、垂向力及其垂向位移是研究胶轮+导轨式有轨电车动力走行部的轮轨关系的重要参数。由于导向轮的结构、尺寸、受力情况与列车轮对不同，因此要通过试验测试胶轮+导轨式有轨电车不脱轨时的最大横向力与垂向力的比值(脱轨系数)、导向轮最大垂向抬升量。目前尚无测试以上指标的试验台，通过动力学建模仿真分析，在理想轨道上导向轮最大导向力≤5 kN，导向轮压紧力为20 kN，若考虑轨道不平顺等因素，此类型电车的脱轨系数应远大于0.4，。另外，当导向轮抬升量小于导向轮轮缘高度20 mm时，认为电车没有脱轨。
基于胶轮+导轨式有轨电车动力走行部导向机理以及导向轮脱轨机理的分析，与中车四方车辆有限公司一起设计了电车动力走行部试验台。试验台能够对动力走行部的运行状态进行模拟，包括不同速度、不同荷载、以及运行过程中不同轨道不平顺的工况，尤其是电车曲线通过导向轨时的工况。整个试验台由机械系统、计算机测控系统两部分组成。
3.1 试验台机械系统
胶轮+导轨式有轨电车动力走行部滚振试验台机械部分如图3所示。试验台采用地坑式设计，地坑内是试验台主体，地上放置龙门架和被测试动力走行部。试验台主体结构从上到下依次是轨道轮安装底座、转动器、垂向激振液压缸安装支架和曲线导轨安装底座。
图3 动力走行部滚振试验台
轨道轮安装底座用于安装轨道轮和三相交流变频电机。为了模拟导向轮在导向轨上的运动，用与导向轨相同轨头轮廓的轨道轮代替导向轨，通过导向轮在轨道轮上的转动模拟在无限长导向轨上的滚动。三相交流变频电机通过联轴器与轨道轮连接在一起，可以模拟电车0～100 km/h的运行速度。
转动器上端通过竖直放置的4个滑块导轨与轨道轮安装底座连接在一起，底端与垂向激振液压缸安装支架顶端固定在一起，不仅可以实现轨道轮安装底座与垂向激振液压缸安装支架之间的相对转动，而且可以实现两者之间的垂向相对移动。地坑内的垂向激振液压缸推动转动器及以上部分作垂向振动，与轨道谱保持同样的振幅和频率，模拟电车运行时的轨道不平顺。轨道轮安装底座和垂向激振液压缸安装支架之间装有电动推杆，通过控制轨道轮安装底座和垂向激振液压缸安装支架之间的相对角度，实现导向轮与轨道轮之间的相对角度的控制，模拟电车转向时导向轮和导向轨之间的冲角变化。
垂向激振液压缸安装支架通过曲线滑块安装在曲线导轨安装底座上，实现试验台主体沿一定曲率的曲线导轨转动。控制转向角的电动推杆与垂向激振液压缸安装支架通过耳环式连接，可以推动垂向激振液压缸安装支架和轨道轮安装底座一起沿曲线导轨转动，模拟动力走行部转向的工况。
曲线导轨安装底座与地基之间通过调整垫铁和地脚螺栓完成水平调整和固定。龙门架上装有2个液压缸，液压缸通过假枕梁作用在被测试动力走行部上的空气弹簧上，通过控制液压缸的加载力可以模拟电车空载和满载的工况。
3.2 试验台计算机测控系统
计算机测控系统由控制系统和数据采集系统两部分组成。在控制系统中，上位机通过通信电缆把控制信号传输给伺服液压系统控制器、电动推杆控制器、变频器，从而完成对伺服液压缸、电动推杆和三相交流变频电机的控制。
数据采集系统完成对导向轮的垂向力、横向力和垂向位移等信号的采集。导向轮的垂向位移、垂向力可以由位移传感器、力传感器测得，导向轮的横向力一般很难直接测得，可通过在动力走行部上的转向臂上贴应变片的方法换算得到，动力走行部转向臂上测量得到的力与导向轮横向力之间的关系如式(1)所示。采集到的信号经过信号调理器调理后由DAQ数据采集卡完成A/D转换，之后传输给上位机。胶轮+导轨式有轨电车动力走行部滚振试验台测控方案如图4所示。
图4 胶轮+导轨式有轨电车动力走行部滚振试验台测控方案
F横
式中 F横——导向轮横向力，N；
F右——右转向杆上的力，N；
F左——左转向杆上的力，N；
α——导向轮与右转向杆之间的夹角，rad；
ρ——导向轮与左转向杆之间的夹角，rad；
L1——转向杆与转轴之间的距离，mm；
L2——转向杆与导向轮之间的距离，mm。
由于胶轮+导轨式有轨电车动力走行部结构的特殊性，设计的滚振试验台要与被试验的动力走行部相匹配。试验台的主要技术指标如表1所示。
试验台通过模拟运行时导向轮在线路激扰下的性能分析动力走行部的性能。对被测试动力走行部可以
表1 胶轮+导轨式有轨电车动力走行部滚振试验台的主要技术指标
名称参数最高运行转速V/(km/h)100最大轴重F轴/t12最大转向角ζ/(°)±19最大冲角β/(°)±2.7走行部曲线半径R/m13.5最高垂向激振频率fvmax/Hz10最高垂向激振振幅Avmax/mm±10最高垂向加速度avmax/(m/s2)1导向轮最大垂向位移测量值L/mm20导向轮最大垂向力测量值F垂/kN200导向轮最大横向力测量值F横/kN200
完成的试验包括：(1)0～100 km/h无冲角直线行驶性能测试；(2)0～100 km/h某一冲角工况下直线行驶性能测试；(3)某一速度工况下直线行驶最大冲角的测定；(4)无冲角不同速度工况下最大转向角的测定；(5)某一冲角不同速度工况下最大转向角的测定；(6)0～50 km/h无冲角不同转向角工况下曲线通过性能测试；(7)0～50 km/h某一冲角不同转向角工况下曲线通过性能测试。通过以上试验及采集到的试验数据，可以研究导向轮脱轨时的横向力和垂向力的比值和导向轮垂向位移量之间的关系，从而为研究胶轮+导轨式有轨电车动力走行部脱轨机理提供试验基础。
通过对胶轮+导轨式有轨电车动力走行部导向机理的分析，完成了动力走行部滚振试验台的方案设计。试验台可以模拟电车直线和曲线通过时的运行状态，并能够采集该状态下动力走行部上导向轮的横向力、垂向力和垂向位移等信息，分析其导向性能。试验台不仅为电车导向机构的优化提供了试验条件，而且为今后设计胶轮+导轨式有轨电车整车试验台提供了理论和实践基础。
在试验台上进一步通过改变激振液压缸的激振谱，可以反向研究电车的导向轨铺设标准；通过更换电车走行胶轮与试验台之间的接触材料，还可以研究不同路面材料与走行胶轮之间的磨耗关系。
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XU Cun-bao， WANG Xue-mei， NI Wen-bo
(School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)
Abstract：The paper analyzes the steering mechanism and derailment mechanism of the power running gear of rubber-tired tram， and introduces three kinds of guiding structures of the power running gear. The rolling vibration test-rig is designed to understand the wheel-rail relationship of the steering mechanism. The rolling vibration test-rig is designed to simulate the no-load and full load conditions running on straight and curve lines. The working steering mechanism and derailment mechanism of the power running gear are studied and analyzed by the measurement of the guiding rollers’ lateral force， vertical force and vertical displacements， and relevant evaluation criteria are then established. This test-rig helps improving guiding structures and operational safety of the tram．
Key words：Rubber-tired tram; Rolling vibration test-rig; Power running gear; Design
收稿日期：2016-04-23；
修回日期：2016-05-10
基金项目：中车四方车辆有限公司科研课题(SFC2 015KF-JK-005)
作者简介：徐存宝(1990—)，男，硕士研究生，主要从事轨道车辆走行部及整车滚振试验台设计技术研究，E-mail：xucunbao904@163.com。
文章编号：1004-2954(2016)12-0149-04
中图分类号：U482.1
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.033
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