導(dǎo)軌式膠輪電車排障裝置的設(shè)計(jì)及研究★

李 茜

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

導(dǎo)軌式膠輪電車，簡(jiǎn)稱“膠輪電車”,是中車研制的一種集公共汽車和輕量軌道交通優(yōu)勢(shì)于一體的新型現(xiàn)代有軌電車，具有轉(zhuǎn)彎半徑小和爬坡能力強(qiáng)的特點(diǎn)，有效填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)城市公共交通的空白。膠輪電車一般和汽車公用一條馬路，不設(shè)專用路權(quán)[1]，路面上不可避免的存在一些磚塊、碎石等障礙物。為排除規(guī)定內(nèi)側(cè)的這些障礙物[2]，保證列車運(yùn)行的安全性，在列車司機(jī)室前端底部設(shè)有排障裝置如圖1所示。本文建立了車輛坡道曲線通過(guò)數(shù)學(xué)模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型和排障裝置有限元模型，對(duì)排障裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地校驗(yàn)，對(duì)提升車輛運(yùn)行安全性有著非常重要的意義。

圖1 膠輪電車結(jié)構(gòu)組成示意圖

1 排障裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠輪電車排障裝置，通過(guò)螺栓固定于司機(jī)室前端底部，用于排除車輛運(yùn)行線路上的磚塊、碎石等小型障礙物，以保障車輛運(yùn)行的安全性。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠輪電車排障裝置主要有排障板組件、吊裝臂、橡膠板及鋼絲繩吊具組成，犁頭狀外形設(shè)計(jì)，有利于排除車輛運(yùn)行線路上的障礙物[3]。排障板組件由外圍板和內(nèi)筋板組成，組焊成型，通過(guò)吊裝臂和鋼絲繩吊具固定在司機(jī)室前端底部，是排障裝置的主要組成部件，在排除障礙物過(guò)程中吸收大部分的碰撞能。排障裝置主承載結(jié)構(gòu)見圖2（橡膠板與鋼絲繩吊具圖中未示）。

圖2 膠輪電車排障裝置主承載結(jié)構(gòu)

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

為了排除列車運(yùn)行線路上的小型障礙物以保障車輛運(yùn)行安全性，并滿足車輛坡道通過(guò)性能要求，排障裝置通過(guò)螺栓安裝固定后，排障板下沿離地高度40 mm，排障板最前端面距離頭車與中間車鉸接中心的距離8 930 mm。排障裝置在車體上固定牢固后，排障板前端板能夠承受相當(dāng)于25 kN靜壓力的沖擊力。排障裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 排障裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 坡道通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析

膠輪電車最小轉(zhuǎn)彎半徑為15 m，最大爬坡坡度為13%，具有轉(zhuǎn)彎半徑小和爬坡能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。排障裝置通過(guò)螺栓固定在司機(jī)室前端底部后，列車在平直道及彎道上運(yùn)行時(shí)，排障裝置下沿離地高度面始終保持在40 mm左右，排障裝置安裝與否并不影響車輛的曲線通過(guò)性能。列車通過(guò)坡道時(shí)，隨著頭車逐漸駛?cè)肫碌肋^(guò)渡曲線，排障裝置前端底部離地高度逐漸減小，直至頭車后輪駛?cè)肫碌肋^(guò)渡曲線，離地高度減至最小值并維持不變。上述過(guò)程可分解為如下三個(gè)子過(guò)程。

2.1 子過(guò)程（一）

如圖3所示，頭車前端包括排障裝置已經(jīng)駛過(guò)水平直道與坡道過(guò)渡曲線分解線但前端車輪尚未駛?cè)肫碌肋^(guò)渡曲線過(guò)程。該過(guò)程中，由于頭車前后端車輪均行駛在水平道路上，從而頭車始終保持水平姿態(tài)不變；但是由于頭車前端包括排障裝置已經(jīng)進(jìn)入坡道過(guò)渡曲線，該過(guò)程顯而易見地會(huì)導(dǎo)致排障裝置離地高度逐漸減小。該子過(guò)程可理想化為圖4所示的數(shù)學(xué)模型。

圖3 頭車前輪駛向但未駛?cè)肫碌狼€過(guò)程

圖4 頭車前輪駛向但未駛?cè)肫碌狼€過(guò)程的理想化數(shù)學(xué)模型

2.2 子過(guò)程（二）

如圖5所示，頭車前輪已經(jīng)駛?cè)肫碌狼€且后輪尚未駛?cè)肫碌狼€過(guò)程。該過(guò)程，由于頭車前后端車輪分別行駛在坡道曲線和水平直道路線上，頭車處于不斷變化的坡道攀升姿態(tài)，頭車前端及其底部的排障裝置被逐漸地抬升。該子過(guò)程可理想化為附圖6所示的數(shù)學(xué)模型。

圖5 頭車前輪駛?cè)肫碌狼€但后輪尚未駛?cè)脒^(guò)程

圖6 頭車前輪駛?cè)肫碌狼€但后輪尚未駛?cè)脒^(guò)程的理想化數(shù)學(xué)模型

方程（1）中，（x1，y1）為排障裝置前端底部坐標(biāo)值，θ為頭車爬升過(guò)程中的爬升角度；方程（2）中，（x0，0.04）為頭車與中間車鉸接連接點(diǎn)坐標(biāo)值；方程（4）中，D為點(diǎn)（x1，y1）至點(diǎn)（0，200）的直線距離。

求解方程組（1）和（2）可得x1和y1如下：

求解方程組（3）和（4）可得：

根據(jù)（5）、（6）、（7），可求得點(diǎn)（x1，y1）到點(diǎn)（0，200）的距離為：

此過(guò)程中，排障裝置離地高度為（200-D）m。因此可推斷出，在頭車前輪已經(jīng)駛?cè)肫碌狼€且后輪尚未駛?cè)肫碌狼€過(guò)程中，排障裝置離地高度仍然在逐漸減小。

2.3 子過(guò)程（三）

如98頁(yè)圖7所示，頭車前后端車輪均行駛在坡道曲線上。該過(guò)程中，由于頭車和中間車是通過(guò)鉸接連接的相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)個(gè)體，既相互鉸接連接，又相互獨(dú)立存在；因而，通過(guò)分析可顯而易見地得出“頭車處于既非直線又非爬升的固化行駛姿態(tài)”，進(jìn)而得出該過(guò)程中“排障裝置距離軌面高度維持不變”的結(jié)論。

圖7 頭車前后車輪均駛?cè)肫碌狼€數(shù)學(xué)模型

3 結(jié)論

通過(guò)上述運(yùn)動(dòng)分析，可以得出如下結(jié)論：膠輪導(dǎo)軌電車按照既定設(shè)計(jì)參數(shù)配置排障裝置后，車輛從頭車前端駛?cè)肫碌狼€開始，排障裝置距離軌面的高度一直在減小，直至頭車后輪駛?cè)肫碌狼€，高度降到最小并保持不變，可順利通過(guò)R為200m過(guò)渡曲線的13%坡道，排障裝置可以滿足設(shè)計(jì)所需的排障能力，對(duì)提升車輛運(yùn)行安全性有著非常重要的意義。