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一种100%低地板虚拟轨道列车走行系统研究
先进载运装备 | 更新时间：2024-08-02
|

    • 一种100%低地板虚拟轨道列车走行系统研究

    • Research on running system of a 100% low floor virtual rail train

    • 李稳

      12 ，  

      陆海英

      1 ，  

      任利惠

      2 ，  

      高纯友

      1 ，  

      李诺

      1 ，  

      高珊

      1 ，  
    • 机车电传动   2022年第4期 页码：26-32

    • DOI：10.13890/j.issn.1000-128X.2022.04.004    

      中图分类号： U121

    • 纸质出版日期：2022-07-10，

      收稿日期：2022-02-18，

      修回日期：2022-05-12，

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  • 李稳, 陆海英, 任利惠, 等. 一种100%低地板虚拟轨道列车走行系统研究[J]. 机车电传动, 2022,(4):26-32. DOI： 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.04.004.

    LI Wen, LU Haiying, REN Lihui, et al. Research on running system of a 100% low floor virtual rail train[J]. Electric drive for locomotives, 2022,(4):26-32. DOI： 10.13890/j.issn.1000-128X.2022.04.004.

  •  
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    摘要

    虚拟轨道列车是一种轨道车辆与公共汽车相结合的产物，可利用光电原理或电磁原理识别公路路面上设置的虚拟轨道并沿其行驶。为使虚拟轨道列车具有100%低地板率和满足实际运用需求的动力，设计了一种轮毂电机驱动、独立悬架结构形式的走行系统。针对这种全新设计的走行系统结构，采用动态包络计算方法对走行系统结构布局的合理性进行校核；采用有限元分析软件ANSYS建立悬架有限元模型，对主销、转向节、上下横臂及安装销等主要受力零部件静强度和疲劳强度进行分析；采用UM软件建立虚拟轨道列车动力学计算模型，对配置该走行系统的虚拟轨道列车平稳性和舒适性进行仿真分析。计算和分析结果表明：在运动状态下走行系统各零部件之间无干涉，结构空间利用合理；在各种静载荷工况下悬架主要受力零部件所承受的最大Von_Mises应力均小于对应材料屈服强度，在疲劳载荷工况下，悬架各主要受力零部件材料利用率均小于1，即悬架静强度和疲劳强度满足标准要求；列车平稳性、舒适性指标随速度的升高而升高，但在列车最高试验速度（80 km/h）范围内，平稳性指标小于2.5，属于优级，舒适性指标小于2.5，属于舒适级。因此，该虚拟轨道列车走行系统结构设计合理，参数设置满足动力学性能要求。

    译

    Abstract

    Virtual rail train is a product of the integration of railway vehicles and buses. It uses the principle of photoelectricity or electromagnetism to identify the virtual track set on the road surface and drive along it. In order to make virtual rail train with 100% low-floor rate and meet actual operation requirements power, a running system of wheel hub motor drive and independent suspension structure was designed. In view of this newly designed running system structure, the dynamic envelope calculation method was used to check the rationality of the running system structure layout. The finite element model of suspension system was established by using the finite element analysis software ANSYS to analyze the static strength and fatigue strength of the main load-bearing parts such as kingpin, steering knuckle, upper and lower cross arms and their mounting pins. The dynamic calculation model of virtual track train was established by UM software, and the stability and comfort of virtual track train equipped with this running system were simulated and analyzed. The calculation and analysis results show that there is no interference between the parts of the running system and the utilization of structural space is reasonable; The maximum Von-Mises stress of the main load-bearing parts is less than the yield strength of the corresponding material under various static load conditions, and under the fatigue load condition, the material utilization rate of the main load-bearing parts is less than 1, that is, the static strength and fatigue strength of the suspension system meet the standard requirements; The stability and comfort indexes of the train increase with the increase of speed, but within the range of the maximum test speed (80 km/h), the stability indexes are less than 2.5, belonging to the excellent level, and the comfort index is less than 2.5, belonging to the comfort level. Therefore, the structure design of the virtual track train running system is reasonable, and the parameter setting meets the requirements of dynamic performance..

    译

    关键词

    虚拟轨道列车; 走行系统; 结构设计; 动态包络; 强度; 舒适性; 仿真

    译

    Keywords

    virtual rail train; running system; structural design; dynamic envelope; strength; comfort; simulation

    译

    0 引言

    虚拟轨道列车是一种新兴的公共交通载运工具，它是轨道车辆和公共汽车有机结合的产物，利用光电原理或电磁原理识别虚拟轨道，实现车辆自动导向并沿虚拟轨道运行，无传统的钢轮钢轨接触关系，从而降低线路铺设成本，并可达到列车灵活编组的要求[

    1-5]。
    译

    走行系统是虚拟轨道列车关键系统，不仅影响列车运行安全性、舒适性等指标，同时，走行系统的结构影响整车布局、曲线通过能力和爬坡能力。

    译

    目前，虚拟轨道列车共有3种基本架构形式，分别是三模块六轴架构、四模块六轴架构和三模块四轴（门式）架构[

    6-8]。其共同特点是为保证客室内低地板率，客室下方走行系统均采用弯轴式无动力轴桥结构，只有端部司机室下方轴桥为动力轴桥，这导致列车动力不足，爬坡能力差。为解决虚拟轨道列车动力与客室低地板率之间的矛盾，本文将研究一种轮毂电机驱动、独立悬架结构形式的走行系统，并分析其零部件空间布局的合理性、主要承载部件的强度可靠性和配置有该走行系统的虚拟轨道列车的运行平稳性和舒适性。
    译

    1 走行系统结构设计

    走行系统采用集成化设计原则，充分利用车下的有限空间，实现100%低地板率。走行系统总体结构如图1所示，主要包括车轮总成、独立悬架、悬挂系统及转向机构等。同时，为实现自动驾驶与人工驾驶之间的相互切换，头车司机室侧走行系统的转向机构可与司机室内方向盘连接。走行系统主要技术参数如表1所示。

    译

    fig

    图1  走行系统总体结构

    Fig. 1  General structure of running system

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    表1  走行系统主要技术参数
    Table 1  Main technical parameters of running system
    参数项目参数值或说明
    最高运行速度/（km·h-1） 70
    轮距/mm 2 240
    轴距/mm 5 200
    主销跨距/mm 1 850
    最大允许轴重/t 9
    轮胎规格 385/65/R22.5
    电机类型 永磁轮毂电机
    基础制动形式 液压盘形制动
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    1.1 车轮总成

    车轮总成包括橡胶轮胎、轮毂、永磁电机、行星减速器和液压制动单元，如图2所示。采用轮毂电机技术可将永磁电机、行星减速器、液压制动单元集成到橡胶车轮的轮毂上。这种集成化设计既可以保证每个车轮都拥有动力，解决虚拟轨道列车动力不足问题，又不占用走行系统中部空间，有利于车辆实现100%低地板率。

    译

    fig

    图2  车轮总成

    Fig. 2  General structure of wheel

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    通过综合考虑轮重、公路路面的承载能力、轮胎磨损和转向阻力，确定轮胎规格型号；根据列车动力需求、爬坡能力和最高运行速度要求，确定电机基本参数和减速器减速比；根据制动减速度要求，确定液压制动单元性能。

    译

    1.2 独立悬架

    悬架为走行系统主要承载部件，本文所研究的走行系统采用双横臂式独立悬架，主要结构包括转向节、上横臂、下横臂、主销等零部件[

    9]。独立悬架可使车桥为断开式结构，有利于降低车辆地板面高度和实现100%低地板率。上、下横臂为不等长结构，一端通过横臂销与转向节连接，另一端通过弹性节点与车体连接，不等长横臂可以使车轮在上下运动时自动改变外倾角，并且减少轮距变化和轮胎磨损，增大轮胎与地面的接触面积，保证良好的贴地性能。
    译

    悬架通过主销与车轮总成连接，同时悬架作为车体与车轮之间的主要传力部件，为空气弹簧、液压减振器、高度调整机构、横向稳定杆、转向机构等提供了安装接口，保证各种载荷的正常传递。

    译

    1.3 悬挂系统

    采用电控悬挂系统，包括电控空气弹簧系统ECAS、电控阻尼系统ADS、传感器和横向稳定杆。电子控制器ECU通过载荷传感器和高度传感器反馈的信号实时控制空气弹簧充排气，以实现空气弹簧刚度的自动调节，保证车辆高度基本维持不变；同时，ECU也可根据不同模式（停站、检修）调整车辆离地高度，以便于在站台上乘客的上下车和在检车位对车辆的检修作业。另外，ECU通过加速度传感器反馈的信号实时调节液压减振器阻尼，保证车辆具有优良的乘坐舒适性，单模块车辆电控悬挂系统的原理如图3所示[

    10]。
    译

    fig

    图3  电控悬挂系统工作原理图

    Fig. 3  Working principle diagram of electric control suspension system

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    为提高车辆的横向稳定性，防止车辆转弯时侧倾，每个走行系统设置一套横向稳定杆组成，稳定杆通过衬套和紧固件与车体连接，通过连杆与悬架连接。当左、右车轮同时上下跳动时，稳定杆在衬套内自由转动，稳定杆不起作用；当左、右车轮跳动方向相反时，稳定杆将促使左、右独立悬架向相反方向运动，此时横向稳定杆连杆一侧将有向上运动的趋势，另一侧将有向下运动的趋势，稳定杆承受扭转载荷，而在稳定杆扭转刚度作用下，抑制左右悬架的反向运动，从而抑制车辆的侧倾。

    译

    1.4 转向机构

    转向机构包括断开式转向梯形机构和液压作动器。转向机构一端通过轴承连接到车体上，转向横拉杆连接到车轮总成上。列车通过循迹控制策略和列车姿态，预判车轮转角，并将转动需求反馈给液压作动器，液压作动器按照需求开始动作，将转向动力通过转向梯形机构传递到车轮，实现车轮转向。该机构实现了全车车轮自动转向功能，提高了列车循迹精度。

    译

    2 走行系统运动干涉校核

    为验证走行系统空间布局和空间利用的合理性，避免零部件在运动过程中发生干涉，需对走行系统运动干涉进行计算和校核。由于走行系统相对中心面左右完全对称，故仅对1/2走行系统进行干涉分析。

    译

    根据走行系统在运用过程中的实际情况，分析包括车轮跳动和车轮转向2个工况。根据一般公路路面不平顺状态、车辆的载荷变化和列车通过最小半径曲线时的车轮转角，并考虑安全裕量，确定车轮跳动工况下车轮的跳动量为向上100 mm，向下80 mm，车轮转向工况下车轮转角为23°。

    译

    经计算和分析，在车轮跳动工况下，下横臂与减振器之间的间隙最小，为13.3 mm；在车轮转向工况下，转向节与转向臂之间的间隙最小，为11.8 mm；在车轮跳动和车轮转向叠加工况下，转向机构中的动力臂与悬架中的下横臂之间的间隙最小，为13.0 mm。对应的包络分析结果如图4~图6所示。由此可知，本文所提出的走行系统结构设计、空间利用率合理，不存在运动干涉现象。

    译

    fig

    图4  车轮跳动工况下走行系统动态包络

    Fig. 4  Dynamic envelope of running system under the wheel jumping condition

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    fig

    图5  车轮转向工况下走行系统动态包络

    Fig. 5  Dynamic envelope of running system under the wheel steering condition

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    fig

    图6  车轮跳动和转向叠加工况下走行系统动态包络

    Fig. 6  Dynamic envelope of running system under the wheel jumping and steering condition

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    3 承载部件强度计算

    走行系统主要承载部件为独立悬架，包括上下横臂及其安装销、转向节、主销等，对其进行静强度和疲劳强度计算，评估可靠性。

    译

    3.1 悬架静强度

    根据悬架各零部件结构形式及受力情况，选用不同的材料。上下横臂、横臂安装销和转向节采用满足GB 3077—2015的高强度合金钢42CrMo，材料屈服强度为930 MPa；主销采用满足GB 3077—2015的高强度合金钢30CrMnTi，材料屈服强度为1 245 MPa[

    11]。
    译

    采用有限元分析软件ANSYS建立悬架有限元分析模型，并对转向冲击、垂向冲击、撞路牙、过深沟等超常载荷工况进行静强度分析。分析结果显示，在各载荷工况下，零部件所承受的最大Von_Mises应力均小于零部件材料对应屈服强度，表明各零部件静强度满足要求。图7为过深沟工况下，主要受力部件应力云图。表2列出不同工况下，各零部件最大Von_Mises应力。

    译

    fig

    （a） 上横臂

    （b） 上横臂安装销

    （c） 下横臂

      

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    fig

    （d） 下横臂安装销

    （e） 转向节

    （f） 主销

      

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    图7  过深沟工况下悬架各主要受力零部件应力云图

    Fig. 7  Stress nephogram of suspension system main load-bearing parts under crossing deep ditch condition

    表2  悬架各主要受力零部件在不同工况下的最大Von_Mises应力
    Table 2  Maximum Von_Mises stress of suspension system main load-bearing parts under different conditions ( MPa )
    载荷工况上横臂上横臂安装销下横臂下横臂安装销转向节主销
    复合工况 318.07 218.53 417.39 298.66 504.36 269.05
    垂向冲击 226.21 197.89 439.52 295.94 621.17 364.69
    纵向过深坑 367.37 271.74 571.07 404.64 664.08 336.25
    倒车撞路牙 243.34 197.25 374.12 229.74 531.47 292.51
    侧向撞路牙 195.05 136.34 247.87 162.80 365.48 204.81
    前行制动 201.48 115.63 218.36 137.96 272.57 119.17
    转向冲击 224.41 175.96 362.65 225.99 484.76 272.69
    过减速带 154.05 108.14 265.96 179.12 401.47 222.28
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    3.2 悬架疲劳强度

    根据UIC B12/RP17提供的疲劳强度分析方法[

    12]，对悬架主要受力零部件进行疲劳强度计算。利用有限元软件ANSYS计算每个节点的最大等效主应力和最小等效主应力，使用材料42CrMo 和30CrMnTi 的Goodman曲线，确定疲劳极限。使用材料利用率评价结构是否满足疲劳强度要求，利用率不大于1，则表明疲劳强度满足要求。
    译

    经计算，在疲劳载荷工况下，悬架各主要受力零部件材料利用率均小于1，疲劳强度满足要求，计算结果如图8所示。

    译

    fig

    （a） 上横臂

    （b） 上横臂安装销

    （c） 下横臂

      

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    fig

    （d） 下横臂安装销

    （e） 转向节

    （f） 主销

      

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    图8  疲劳载荷工况下悬架各主要受力零部件材料利用率云图

    Fig. 8  Material utilisation nephogram of suspension system main load-bearing parts under fatigue loads condition

    4 舒适性计算

    为验证本文提出的走行系统平稳性和舒适性，以三模块六轴架构布置形式为例，使用UM软件建立列车动力学模型，如图9所示[

    13]。如上文所述，走行系统采用电控阻尼可调减振器，以车体垂向振动加速度最小为目标，建立阻尼控制策略，将阻尼上限值设置为40 kN·s/m，下限值设为20 kN·s/m。选取ISO 8608中的B级线路谱作为输入激励，根据GB 5599—2019计算不同速度级空载（AW0）和满载（AW3）工况下列车横向平稳性指标和垂向平稳性指标，根据EN 12299: 2009计算不同速度级空载（AW0）、满载（AW3）工况下列车舒适性指标[14-15]。
    译

    fig

    图9  虚拟轨道列车动力学模型

    Fig. 9  Dynamic modal of virtual rail train

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    经仿真计算可知，随列车运行速度的升高，横向平稳性指标、垂向平稳性指标逐渐升高；在相同运行速度条件下，AW3载荷工况平稳性指标高于AW0载荷工况下相应指标；在运行速度80 km/h以下时，列车横向平稳性指标最大值为1.840，垂向平稳性指标最大值为2.426，均不大于2.5，平稳性等级为优，指标变化曲线如图10所示。

    译

    fig

    （a）  横向平稳性

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    fig

    （b）  垂向平稳性

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    图10  虚拟轨道列车平稳性

    Fig. 10  Ride stability of virtual rail train

    列车舒适性指标仿真计算结果如图11所示。从计算结果可以看出，随列车速度的升高，舒适性指标逐渐升高，AW3载荷工况下列车的舒适性指标高于AW0载荷工况下相应指标，在80 km/h运行速度以下，列车的舒适性指标最大值为2.162，小于2.5，故根据EN 12299: 2009舒适性等级划分，该列车舒适性等级为舒适级。

    译

    fig

    图11  虚拟轨道列车舒适性

    Fig. 11  Comfort of virtual rail train

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    5 结语

    为使虚拟轨道列车具有充足的动力，并实现车内100%低地板率，本文研究了一种轮毂电机驱动、独立悬架结构形式的走行系统，实现全轮驱动、全轮制动和全轮自动转向。

    译

    对走行系统运动干涉情况进行校核，验证了走行系统空间布局的合理性；对独立悬架主要受力零部件强度进行仿真计算和分析，分析结果表明悬架主要受力零部件静强度和疲劳强度满足标准要求；对配置有该走行系统的虚拟轨道列车平稳性和舒适性进行仿真计算和性能评价，计算结果表明配置有该走行系统的虚拟轨道列车平稳性指标不大于2.5，属优级，舒适性指标小于2.5，属舒适级。

    译

    虚拟轨道列车采用橡胶轮胎在公路路面上运行，胎地相互作用关系既影响轮胎磨损，又影响路面车辙的形成，进而影响运用成本，故虚拟轨道列车胎地作用关系将是下一阶段研究的主要内容之一；同时，列车的循迹控制策略对列车循迹精度、编组形式、车间铰接装置受力、胎地作用力及列车运行安全性均有较大影响，因此，虚拟轨道列车循迹控制策略也是下一阶段的主要研究内容。

    译

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    张欣伟
    张相宁
    安超
    高峰
    刘小霞

    相关机构

    中车株洲电机有限公司
    中车唐山机车车辆有限公司　技术研究中心
    西南交通大学　机械工程学院
    昆明理工大学 交通工程学院
    中国铁道科学研究院集团有限公司
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