采用国产化一二系簧城轨车辆柔度系数特性分析
薛源
摘要：为进一步了解采用国产化一、二系簧的转向架车辆在运行时其动态限界、车辆与沿线固定设备和移动设备是否相碰，以其判定车辆运行的安全性，特在不同工况下对某安装有国产化一、二系簧转向架的一辆动车和一辆拖车分别进行了柔度系数试验。结果表明：空气弹簧在充气状态情况下，该车辆均满足UIC505规定的柔度系数小于0.4的要求，具有很好的安全性和平稳性。
关键词：国产化；安全性；柔度系数
1.概述
对于中国城市的轨道交通建设，城轨装备的国产化率是制约其发展的主要因素之一。城轨车辆的国产化可以提高城市轨道交通设备的技术水平，降低建设投资，促进轨道交通产业发展。近些年来，中国城市轨道车辆制造业在自身的不断努力下和与国外成熟的轨道交通装备制造商的合作基础上，车辆设计制造能力取得了跨越式发展，实现的国产化率高于70%，设备价格和运行维护费用也大幅度的降低。我国的城轨制造已逐步达到世界领先水平，车辆的安全性和舒适性也得到提升。
通过国内技术人员的刻苦攻关，我国城轨部分产品实现了自主生产，技术指标和质量甚至已优于发达国家水平，但在牵引、传动和控制等领域，大部分技术仍掌握在西门子、阿尔斯通、庞巴迪等手中，克诺尔与NABCO则在制动领域优势明显，以上公司的相关产品在国内仍占有很大的市场份额。国外的产品和技术普遍存在着采购周期长、产品及维修价格高、技术复杂、贸易争端等多种弊端，因此，我国的城轨技术仍要坚持全面国产化，统一技术标准，实现专业化生产，在借鉴国外先进技术的同时搞好国内配套厂家的分工协作。
城轨车辆的各类产品中，国产化的一系簧与二系簧有其重要的意义，它们是缓和轨道对机车的冲击振动，改善车辆各部件工作可靠性和车辆舒适度的重要部件，其参数作为转向架的悬挂参数，更是直接影响着车辆的运行稳定性、安全性和舒适性。在众多评价车辆的运行指标中，车辆的柔度系数是整车参数优化后的校验参数，是确定车辆动态限界范围的重要指标，关系到车辆在曲线上倾覆的安全性和线路运行适应性。本文对某采用国产化一、二系簧转向架的地铁车辆进行了柔度系数试验，进一步了解该车辆在运行时其动态限界、车辆与沿线固定设备和移动设备是否相碰，以其判定车辆运行的安全性。
2.柔度系数原理及试验方法
车辆柔度系数是轨道车辆的重要参数，国际铁路联盟（UIC）以及欧洲（EN）标准规定车辆需提供柔度系数来明确车辆的动态限界，避免车辆行进过程中与线路旁的固定设备或移动设备相互碰撞导致行车安全受到影响。伴随着轨道车辆出口项目的增多、国内标准与国际标准的对接以及国际标准的需求，测量车辆柔度系数显得尤为重要。当一个静止的车辆停在一个左右轨高不一致的轨道（超高线路）上时，轨道走行面与水平面之间有一个夹角δ，在悬挂上倾斜的车体重心线与轨道中心线之间形成一个夹角η，二者之比s称为柔度系数，即：
附图为车辆柔度系数示意图，图中h为车辆高度，δ为走行面与水平面之间的夹角，η为车体重心线与轨道中心线的夹角。
UIC标准中要求车辆的柔度系数一般不能超过0，4，柔度过大易使人出现不舒适的倾斜感。在计算或测量柔度系数的过程中，车辆需要考虑运行状态以及满载状态，以及去掉不列称、弹簧摩擦和减振器的影响。柔度系数试验方法有重锤法、倾角法和加速传感器测量法等。通常试验在试验台上进行，首先需将车辆静止放置于水平轨道上，在车辆地板面中心放置角度仪并调零。随后抬高轴箱使车轮离开轨道接触点达到所需要的位移，测量不同条件下的柔度系数，由于影响因素较多，结果离散性较大，通常取多次测量的最大值为最终结果，试验也可在不同超高的线路上进行。
3.悬挂参数对柔度系数的影响
弹簧悬挂装置的作用主要体现在将车辆质量与载荷较均衡地传递到各个轮轴，以确保车辆能够正常连挂：缓和车辆因轮对问题导致的振动和冲击：提高车辆运行的平稳性和舒适性；延长车辆零部件和钢轨的使用寿命。
一系悬挂装置中常用的有橡胶弹簧，其内阻随变形速度的提高而增大，因而有良好的隔声效果，有吸收冲击和高频振动的能力，可以同时承受几个方向的载荷。二系悬挂装置中常用的有空气弹簧，利用空气压缩的非线性恢复力来实现隔振和缓冲作用，具有优良的非线性硬特性，能够有效限制振幅，避开共振，防止冲击。
通过对以往仿真计算及试验结果的分析，柔度系数会随着一、二系悬挂刚度的增大而减小，并呈指数衰减的形式，即悬挂系统的横向、垂向刚度越小，悬挂系统的柔度系数随着刚度变化越显著，车辆的抗倾覆性能也越差。此外，车辆柔度系数会随着车体以及构架的重心高度的增加而增大，但通常这项指标不能随意更改。因此，在设计时，针对柔度系数的影响需要重点考虑各个悬挂参数的设置。对于柔度系数指标，通常国内外采用降低二系垂向和横向刚度来满足舒适度要求。
4.试验内容对某采用国产化一、二系簧的一辆动车和一辆拖车分别进行了柔度系数试验，试验如下：
4.1试验条件
整车停放在平直轨道上，AW0载荷状态：
试验车辆为一辆动车M1和一辆拖车Tel：
空气簧处于正常充气状态：
抬升超高试验过程中关闭空簧充排气截气阀，防止充排气：
车辆运行线路的最大超高120mm。
4.2试验仪器和设备及试验方法
城轨车辆整车称重试验台，要求（距轨面）最大抬升量120mm；数字式角度仪2个。
4.3试验方法
通过称重台位的抬升将车辆同一侧的四个车轮同步抬升120mm，而另一侧车轮保持不动，从而模拟形成轨道超高。设抬升侧至静止侧横向间距（称重台位结构尺寸）为D（mm），则超高角δ=120/D。
4.4试验步骤
（1）将待测车辆置于试验台上，载荷条件为AW0，且不与其它车辆联挂。
（2）检查所有的空气弹簧在充气状态下处于正常高度。
（3）通过使用倾斜计确认车辆位置停放恰当，通过测量工具确认中心位置朝向轨道中心且处于转向架中心。
（4）抬升两台转向架的A侧车轮至最大外轨超高120mm，如图2、图3所示，车轮抬升过程中要保持匀速缓慢，始终保持车体不能晃动，并对车辆增加侧翻防护措施。
（5）测量车体的倾斜角度，并将结果记录在记录表上。
（6）同时落下A侧车轮。
（7）在回归到原始位置后，验证没有残余位移。如果有，进行更正。
（8）抬升两台转向架的B侧车轮至最大外轨超高120mm，车轮抬升过程中要保持匀速缓慢，始终保持车体不能晃动，并对车辆增加侧翻防护措施。
（9）测量车体的倾斜角度，并将结果记录在记录表上。
（10）同时落下B侧车轮。
4.5试验判定条件
在任何载荷状态下，S<0.4。
4.6试验记录
详见表1、表2。
4.7试验结果
经过对某国产化地铁车辆M1车和TCl车2种车型进行柔度系数测试，两种车型的柔度系数s均远小于0.4，试验结果表明装有国产化一、二系簧的转向架车辆完全可以满足国家标准要求，车辆具有很好的安全性和平稳性。
5.结论
国产化的一系簧与二系簧直接影响着我国城轨车辆的运行稳定性、安全性和舒适性。本文在不同工况下对安装有国产化一、二系簧转向架的某地铁车辆的一辆动车和一辆拖车分别进行得柔度系数试验结果表明：空气弹簧在充气状态情况下，均满足UIC505规定的柔度系数小于0.4的要求，国产化一、二系簧的转向架车辆在运行时其动态限界符合国家标准要求，具有良好的车辆运行安全性。
