0 引言
电子导向胶轮车辆是一种新型交通车辆，载客量接近有轨电车，但不需要建设专有钢轨，具有建设周期短、基础设施投资小等优点，在中等运量交通工具中具有广阔的市场前景[1]。在欧洲及美洲等国外市场已成熟应用基于18米大巴设计的三模块胶轮列车，国内也已开发出更加先进、具备全轮转向的三模块胶轮列车，但四模块胶轮列车是国内外首次开发的超长胶轮列车[2]。铰接装置作为连接前后模块并实现车辆转向的关键部件，其产品的性能关系到车辆的运行安全和乘坐舒适性。
1. 铰接装置结构特点
盐城SRT2.1电子导向胶轮车辆采用了四模块的编组形式，铰接装置分为单铰接装置和双铰接装置两种，布置如图1所示。
图1 车辆编组及铰接装置布置图
1.1 单铰接装置
单铰接装置主要由前后架、球铰、减震器和轴承组成，如图2所示。其中前架通过两个球铰与前模块实现连接，后架通过螺栓与后模块形成刚性连接，使铰接装置具有一个垂直转动中心。前后架之间通过轴承连接，使铰接装置具有一个水平转动中心，并设置有一对减震器增加转向阻尼。
图2 单铰接装置结构示意
Mc模块设有两对轴桥，具有静态平衡；而Tp模块只设有一对轴桥，单个模块在垂向上无法实现静态平衡。因此Mc模块和Tp模块之间采用单铰接装置，连接后为Tp模块提供垂向约束，可适应模块间的水平转动和点头运动，实现静态和动态平衡。
1.2 双铰接装置
双铰接装置主要由前后架、球铰、减震器和轴承组成，如图3所示。其中前架、后架分别通过三个球铰与前后模块实现连接，使铰接装置具有两个垂直转动中心，两转动中心间的垂向高度差可变化。前后架之间通过轴承连接，使铰接装置具有一个水平转动中心，并设置有一对减震器增加转向阻尼。
图3 双铰接装置结构示意
Mc和Tp模块已通过单铰接装置组成了一个稳定单元，两个稳定单元除了水平转动和点头运动外，还会存在垂向位移，因此需通过双铰接装置连接两个稳定单元。
1.3 铰接装置极限载荷
在胶轮列车行驶过程中，由于线路不平顺以及各模块牵引/制动情况的差异，模块之间会发生多方向的相对运动[3]，产生的作用力通过球铰施加在铰接装置上。车体设定压缩强度为200kN，拉伸强度为150kN，由于铰接装置需传递车辆纵向上受力，因此压缩强度和拉伸强度与车体保持一致。同时铰接装置需承受车体传递的部分垂向载荷，以及车辆相对扭转的转矩。综合分析确定铰接装置的极限承载工况主要为以下3种：
工况1，极限纵向载荷，大小为200kN，代表列车行驶过程中，前、后模块相对移动时向前/向后的极限载荷；
工况2，极限垂向载荷，大小为35kN，代表列车行驶过程中，前、后模块相对移动时向上/向下的极限载荷；
工况3，极限扭转载荷，大小为60kN，代表列车行驶过程中，前、后模块围绕车辆纵向相对扭动时的极限载荷。
对上述3种极限载荷工况进行ＡＮＳＹＳ有限元计算[4]，在工况2时铰接装置出现最大应力，且未超过材料屈服极限350MPa，如图4所示。
图4 工况2铰接装置应力云图
2. 动态力试验
通过试验检测车辆各种运行工况下铰接装置球铰处的动态力，试验包含载荷标定试验和现场测试两部分。
2.1 载荷标定试验
对球铰空向和实向的载荷标定需要在两个方向分别进行，定义车辆前进方向为实向，垂直方向为空向。应变片粘贴位置如图5所示。
（a）实向 （b）空向
图5 球铰空应变片粘贴位置
由于设备在施加压力时存在失稳的风险，因此在标定过程中，载荷标定加载设备只提供拉力，如图6所示。在标定过程中先对球铰进行第一次拉力测试，然后将球铰翻转180°后继续进行第二次拉力测试。对球铰第二次的拉力测试相当于是对翻转前球铰的压力测试。
图6 载荷加载设备及夹具
测试过程中，采用描点法记录力与球铰应变的对应关系，每个应力测试点需要进行三次采值。将三次拉力测试和压力测试记录的应变和力数据组合进行线性拟合，可以得到球铰处的力与应变的关系，如图7所示。
（a）实向 （b）空向
图7 球铰标定结果
2.2 现场测试
将已标定的球铰按照原安装顺序重新装车（见图8），并将应变片的信号线接入数据采集系统中，同时接入GPS信号记录车辆的速度信息。列车调整至整备状态后进行动态试验。
图8 标定后的球铰
胶轮列车行驶过程的恶劣工况主要为制动和转向工况，而列车存在三种制动模式，因此最终选定的试验工况如表1所示。其中在行车制动（带电制动）时，车辆从远离占用端的模块依次响应制动信号，各模块间响应间隔几十毫秒；在紧急制动时，车辆可视为六轴同时制动，提供制动力；应急制动时，车辆的第1轴和第6轴不提供制动力，第2、3、4、5轴同时提供制动力。
表1 试验工况
3. 试验结果分析
在制动试验工况中，纵向载荷和垂向载荷同时通过球铰作用于铰接装置，最大值分别为12.9kN和9.4kN，均小于铰接装置的极限载荷，如表2所示。三种制动模式通过将制动力均匀分配至各模块，有效减小了模块间铰接装置的载荷不均，同时球铰最大动态力受制动初始速度的影响较小。
表2 制动工况下球铰最大动态力
在U型弯试验工况中，纵向载荷和扭转载荷同时通过球铰作用于铰接装置，最大值分别为37.9kN和13.9kN，均小于铰接装置的极限载荷。球铰最大动态力与列车速度呈正相关，速度越大，列车进入曲线时所受的向心力越大，导致模块间的扭转力越大。
双铰接装置一侧设置有三个球铰，在所有试验工况中，双铰接装置的受力均集中在1#和3#球铰，2#球铰（即中球铰）受力远小于其它球铰，最大动态力仅为2.3kN（见图9），因此中球铰所起的分摊载荷的作用较小。
图9 2#球铰（中球铰）转向工况动态力曲线
4. 结语
本文通过分析盐城SRT2.1电子导向胶轮车辆铰接装置的结构与原理，设计了动态力测试的试验方案，对铰接装置在车辆运行过程中的载荷情况进行了分析。研究表明，在车辆行驶过程中，通过球铰作用于铰接装置的载荷分布均匀，且均小于铰接装置的极限载荷；双铰接装置的中球铰对分摊载荷几乎无帮助，建议在后续项目去除，在不影响铰接装置强度的同时减轻重量。试验结果达到预期目的，所采集的动态力数据可为后续的疲劳仿真计算提供依据。
参考文献
[1] 许丽丽. 建设标准对地铁造价的影响研究[D]. 北京交通大学, 2007.
[2] 帅纲要, 黄豪, 匡希超,等. 超级大巴主动控制铰接系统应用研究[J]. 现代制造技术与装备, 2018(8):3.
[3] 王甲聚, 徐斌, 张建武. BRT客车铰接装置的柔性多体动力学仿真研究[J]. 汽车工程学报, 2012, 2(5):6.
[4] 张永德, 汪洋涛, 王沫楠,等. 基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(17):4.