广州地铁四号线车辆称重调簧.doc

广州地铁四号线车辆称重调簧计算分析

摘 要: 针对在广州地铁四号线车辆整车称重时出现的称重结果超标，无法准确确定加垫厚度的现场作业问题，建立以轮重为目标的调簧计算模型，根据 GB/T14894 －2005 关于轮重偏差的技术规定推导得出加垫量公式，并进行验证，为之后的整车称重调簧提供较为精确的算法和依据，避免了实际作业中反复加垫称重的工作。
关键词: 地铁车辆; 称重; 调簧; 计算模型

      广州地铁四号线是我国首次采用直线电机车辆的城市轨道交通系统，转向架采用了庞巴迪BM3000 柔性转向架。在运行里程达到 60 万 km后，进入了车辆架修期。为了提高车辆的动力学性能和粘着利用率，减少车轮的多边形和轨道的波浪形磨损，最大限度地发挥车辆的牵引力，在车辆架修完成后都会进行车辆的称重调簧检测。
      在实际的称重调簧作业中，由于无法准确计算出实际加垫量，使反复加垫、再次称重的情况时常发生。为了避免额外的工作量，根据 GB/T14894 －2005 关于车辆的轮重偏差不超过该轴平均轮重的4% 的规定，建立以轮重为目标的调簧计算模型，进行加垫量的公式推导。

1 车辆称重调簧模型计算分析
      车辆设置一系弹簧和二系弹簧( 空气弹簧) 悬挂，从载荷传递和分布结构上看，车体重量通过空气弹簧直接作用在转向架上，受力情况如图1 所示［1］。
1． 1 导致轮重分配不均的原因
      随着车辆运行速度的提高，轮重对轮轨作用力、车辆的动力学性能的影响越来越大。导致轮重分配不均的原因主要有［2］:
      ( 1) 各轮对滚动圆半径存在较大误差;
      ( 2) 转向架上的车体重心存在着偏差，从而导致前后转向架上重量的分配偏差；
      ( 3) 转向架本身的重心偏差致使轮重分配不均。

1． 2 调簧计算
      为了解决问题，结合车辆的实际使用情况，特作出以下假设［3］:
      ( 1) 与静止状态的车辆车轮接触的轨面是处于水平状态的平面; 静止状态下的车辆，只受铅垂力的作用;
      ( 2) 车辆因轨面对车轮作用力变化，导致车辆变形，引起车辆中心发生改变而造成的重力重新分布，忽略不计;
      ( 3) 假设车辆及其上设备的总重力为一集中力，作用于车体底架的车体平面重心位置处;
      ( 4) 假设车辆结构对称，其形心处在纵向和横向对称面的交线上; 车辆车轮相对于底架几何中心对称分布，且各车轮与轨之间接触点共面，同侧车轮与轨的接触点共线;
      ( 5) 假设 2 个转向架均匀承载，且只考虑一系弹簧受力，通过计算一系弹簧加垫量推导空气弹簧的加垫量;
      ( 6) 加垫物被视为刚体，且加垫高度为压缩量;
      ( 7) 位于轴箱两侧的一系弹簧的作用力简化为轴箱中心一点作用。
1． 2． 1 模型建立
      经过简化处理后的构架受力图如图 2 所示。

1． 2． 2 模型计算

      F1、F2、F3、F4是 4 个轮对承载力; P1、P2是车体弹簧传递到构架的力; y3、y4分别为 F3、F4对 x 轴的垂直力臂; x1、x2、x3、x4分别为 F1、F2、F3、F4关于 y轴的垂直力臂; Δ1、Δ2、Δ3、Δ4分别为各一系簧的虚拟加垫量; X1、X2、X3、X4分别为各一系簧的变形量;| Δ1+ Δ4－Δ2－Δ3| 为空气弹簧加垫厚度; L0为弹簧自由高。由于方程组第 4 式在左右两边绝对值符号异号的情况下与实际情况( 1、4 为同侧，故同时增高或降低) 不符，故不作解。

      因此，求解得:

      根据 GB/T14894 －2005 中的规定: 每个车轮的实际轮重与该轴两轮平均轮重之差不应超过该轴两轮平均轮重的 4%，即:

，从而计算出最终的加垫高度。

2 实际数据调簧验证
      为了验证公式的实用性，特选取架修车辆实际称重中一组单节车轮重数据进行分析。从表 1 可以看出，该节车 3、4 号轮对所组成的转向架左边受力小于右边，说明轮对受转向架压力偏载，应该调整空气弹簧垫片厚度。按照受力分布进行分析，轮重值大的一侧摇枕高度偏低，需要抬高重量较大侧的车体，将车体的重心向重量较小的一侧偏移，从而降低轮重偏差，即应该在该侧空气弹簧处加垫。

2． 1 实际加垫量计算
      从表 1 可以看出，该节车 3、4 号轮对所组成的转向架受力分别为 F1= 33． 48 kN，F2= 39． 96 kN，F3= 35． 82 kN，F4= 38． 32 kN。
      1 位一系弹簧的压缩量分别为: 10 mm、10 mm，得出平均压缩量为 10 mm。
      2 位一系弹簧的压缩量分别为: 13 mm、13 mm，得出平均压缩量为 13 mm。
      3 位一系弹簧的压缩量分别为: 11 mm、12 mm，得出平均压缩量为 11． 5 mm。
      4 位一系弹簧的压缩量分别为: 10 mm、11 mm，得出平均压缩量为 10． 5 mm。
      由 F = kS，得 k1= 3． 348 kN / mm，k2= 3． 074 kN /mm，k3= 3． 115 kN / mm，k4= 3． 650 kN / mm。
      带入公式，

      通过计算，可以预估在 2、3 位侧的空气弹簧上加大于 2． 60 mm 的垫片即可满足要求，因此选取现有 3 mm 的空气弹簧垫片进行加垫。
2． 2 实际调簧复测
      根据计算结果进行加垫。松开连接车体和转向架的起吊螺栓后，利用千斤顶将空气弹簧的两侧顶起，以留给垫片插入的空间，将垫片插入合适的位置，并用螺丝锁紧。加垫后，再次进行称重测量，结果见表 2 所示。可以看出，轮重称重结果已在范围内，符合 GB/T14894 －2005 中的规定。

3 结论
      针对实际称重加垫的情况进行分析，求解前对模型的受力进行了简化处理，未考虑空气弹簧的刚度，因实际情况比模型复杂，会出现一定的误差。对于将整车的轮重偏差控制在技术规定范围内的加垫调簧计算，可以作为实际运用的一个参考，从而避免反复加垫称重的工作。

参考文献
［1］杨振祥． 机车调簧研究与车体调簧试验台设计［M］． 湖南: 中南大学，2006．
［2］罗宏波，胡和平． 转向架称重调簧装置及其应用［J］． 电力机车技术．2001，24( 4) : 39 －41．
［3］李艳，张卫华，康椿龙． 转向架称重调簧试验台设计及调簧计算［J］． 中国科技论文在线．2006( 5) : 373 －378． □
文章来源： 《铁道机车车辆工人》原作者：胡彦