跨坐式單軌車導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪預(yù)壓力研究*

張建全,黃運(yùn)華,李 芾,陶功安

(1 株洲電力機(jī)車有限公司,湖南株洲412001;2 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川成都610031)

1991年重慶市政府正式批準(zhǔn)軌道交通系統(tǒng)列入重慶市城市建設(shè)總體規(guī)劃,并成立重慶市軌道交通總公司。軌道交通線路中,校場(chǎng)口至新山村線為高架單軌線,也是我國(guó)第一條單軌交通線[2]。此外,杭州市、東莞和石家莊市也均對(duì)單軌交通系統(tǒng)對(duì)本市軌道交通線路的適應(yīng)性進(jìn)行了研究[1]。單軌交通作為一種城市公共交通系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)受到越來越多的關(guān)注,但對(duì)于單軌車輛動(dòng)力學(xué)方面的研究相對(duì)較少。本文即對(duì)影響單軌車輛動(dòng)力學(xué)性能的導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的預(yù)壓力進(jìn)行研究,以期對(duì)單軌交通在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。

1 單軌車轉(zhuǎn)向架工作原理

與傳統(tǒng)軌道交通相比,除供電方式、通信、信號(hào)系統(tǒng)等有所區(qū)別外,跨坐式單軌交通的最大區(qū)別主要反映在車輛轉(zhuǎn)向架、軌道梁和道岔等3方面,稱之為該交通系統(tǒng)的3大關(guān)鍵技術(shù)?？缱絾诬壾囕v轉(zhuǎn)向架是車輛的核心部件,是最能體現(xiàn)該交通系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)的部分。轉(zhuǎn)向架采用跨坐式無搖枕轉(zhuǎn)向架、中心銷牽引。每個(gè)轉(zhuǎn)向架有4個(gè)走行輪、4個(gè)導(dǎo)向輪、2個(gè)穩(wěn)定輪,都使用橡膠輪胎(如圖1所示)[2,3]。走行輪采用充氮?dú)鉄o內(nèi)胎鋼絲橡膠輪胎,以軌道梁的上表面為走行面,起承載、傳遞牽引力、制動(dòng)力和緩沖車輛豎向振動(dòng)的作用;導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪內(nèi)充壓縮空氣,都以軌道梁的側(cè)面為走行面,起到緩沖車輛橫向振動(dòng)的作用,其中導(dǎo)向輪在過彎道時(shí)起導(dǎo)向作用;穩(wěn)定輪是在車輛受到離心力、風(fēng)力的時(shí)候起穩(wěn)定作用。為防止輪胎失氣,每種車輪都備有輔助安全車輪。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由鋼板焊接而成,其左右側(cè)梁的前后有導(dǎo)向輪的支撐架,左右側(cè)梁的中部有穩(wěn)定輪的支撐架。車輛運(yùn)行時(shí),走行輪與穩(wěn)定輪緊緊“抱”住軌道梁,其軌道梁不僅是承重的橋梁結(jié)構(gòu),同時(shí)也是支承和約束車輛行駛的軌道,承受較大的扭轉(zhuǎn)荷載。

圖1 跨坐式單軌車轉(zhuǎn)向架原理圖

2 車體的抗傾覆穩(wěn)定性

車輛在橫向力作用下,車體將產(chǎn)生橫擺和側(cè)滾,當(dāng)外力消失后在懸掛裝置的復(fù)原力和復(fù)原力矩的作用下,車體向平衡位置移動(dòng)并引起自由振動(dòng),在各種阻力作用下,自由振動(dòng)逐漸衰減并恢復(fù)到靜平衡位置。車體離開平衡位置后,能自動(dòng)恢復(fù)到平衡位置的特性稱為車體在彈簧上具有抗傾覆穩(wěn)定性[7]。如果車體離開平衡位置后不能自動(dòng)恢復(fù)到平衡位置而繼續(xù)保持傾斜狀態(tài),甚至逐漸增加傾斜而使車體傾覆,車體將在彈簧上喪失抗傾覆穩(wěn)定性,出現(xiàn)這種現(xiàn)象是車輛安全運(yùn)行所不允許的。在車輛設(shè)計(jì)中應(yīng)確保車體在彈簧上有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性。

式中Kpz為一系懸掛垂向剛度;Ksz為二系懸掛垂向剛度為車體質(zhì)量;b1為一系懸掛橫向跨距之半;b2為二系懸掛橫向跨距之半。

為了確保車體在彈簧上有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性,前蘇聯(lián)鐵路規(guī)定車體浮心高度hm應(yīng)大于車體重心高度hc的量在2 m以上[7],即:

由跨坐式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)原理圖可以明顯看到,單軌車輛走行輪的橫向跨距很小,一般為400 mm,由公式(1)以及車輛相關(guān)參數(shù)可以得到單軌車空車的浮心高度只是比車體重心高50 mm左右,而在定員的情況下就遠(yuǎn)低于車體重心高度,所以單軌車輛很容易失穩(wěn),屬“隨遇不穩(wěn)定”模式。因此,跨坐式轉(zhuǎn)向架需要設(shè)置穩(wěn)定輪,由此產(chǎn)生橫向力從而形成反力矩來保證車輛的穩(wěn)定性?？缱絾诬壾囕v的導(dǎo)向是靠導(dǎo)向輪和軌道梁的壓力來提供的,因此,導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪與軌道梁之間的作用力對(duì)跨坐式單軌車輛的安全性、穩(wěn)定性和平穩(wěn)性有著重要的影響,本文即對(duì)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪與軌道梁之間的作用力進(jìn)行深入研究[4-6,8]。

3 直線線路上車輛有無預(yù)壓力時(shí)的仿真研究

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)跨坐式單軌車模型(參數(shù)見表1)其在定員情況下通過一帶有激擾的直線路面進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖 2(a)～(e)所示。

表1 計(jì)算模型主要計(jì)算參數(shù)

圖中各個(gè)字母的意義分別是B為導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁;C為穩(wěn)定輪和軌道梁有一間隙,導(dǎo)向輪貼靠在軌道梁上;D為導(dǎo)向輪和軌道梁有一間隙,穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁上;E為導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪和軌道梁均有一間隙;F為導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪和軌道梁均有一預(yù)壓力。

圖2 單軌車通過一路面激勵(lì)時(shí)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化曲線

從圖2的仿真結(jié)果可以看出:

(1)當(dāng)導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁上(B),車輛在通過路面激擾后經(jīng)過微小的振動(dòng)后很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),只是車體橫移、車體側(cè)滾、轉(zhuǎn)向架橫移、轉(zhuǎn)向架側(cè)滾均有一較小的偏移量。

(2)當(dāng)導(dǎo)向輪貼靠在軌道梁上,而穩(wěn)定輪有一間隙(C)的時(shí)候,車輛在通過路面激擾后要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)才能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),在穩(wěn)定狀態(tài)只有車體橫移能夠回到零位置附近,但仍有一較小的橫移量,而車體側(cè)滾、轉(zhuǎn)向架橫移、轉(zhuǎn)向架側(cè)滾均有一較大的偏移量。

(3)當(dāng)導(dǎo)向輪與軌道梁有一間隙,而穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁(D)上的時(shí)候,車輛在通過路面激擾后很快產(chǎn)生一較大的偏移量,并經(jīng)過一段時(shí)間的振動(dòng)才能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)當(dāng)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪同時(shí)和軌道梁有一間隙(E)的時(shí)候,車輛在通過路面激擾后很快產(chǎn)生一較大的偏移量,并經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)才能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),只是車體橫移較導(dǎo)向輪與軌道梁有一間隙,而穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁(D)上時(shí)稍大一點(diǎn),而車體側(cè)滾、轉(zhuǎn)向架橫移、轉(zhuǎn)向架側(cè)滾的偏移量則大了很多。

(5)當(dāng)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪同時(shí)和軌道梁有一預(yù)壓力(F)的時(shí)候,車輛在通過路面激擾后經(jīng)過微小的振動(dòng)后很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),在穩(wěn)定狀態(tài)車輛基本回到零位置。

(6)從車體橫向加速度圖可以看到,當(dāng)導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁上和有預(yù)壓力的時(shí)候車體振動(dòng)一兩次就達(dá)到穩(wěn)定,并且振幅很小;當(dāng)有間隙存在時(shí)會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng),并且幅值也比較大,尤其是導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪同時(shí)存在間隙的時(shí)候波動(dòng)最大。

由上述分析可知,導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪與軌道梁之間的間隙加劇了車輛的振動(dòng)和車輛的偏移量,使車輛的抗傾覆穩(wěn)定性變差。當(dāng)穩(wěn)定輪和軌道梁有一間隙的時(shí)候會(huì)比導(dǎo)向輪和軌道梁之間有一間隙時(shí)的振動(dòng)較大一些,是由于車輛的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)沒有得到有效的抑制,當(dāng)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪同時(shí)有一間隙的時(shí)候是最惡劣的情況,此時(shí)車輛的偏移量最大且振動(dòng)最劇烈。當(dāng)導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪貼靠在軌道梁上和有一預(yù)壓力的時(shí)候車體的偏移和振動(dòng)情況會(huì)改善很多,其中有預(yù)壓力的時(shí)候車輛的運(yùn)行狀態(tài)最好,此時(shí)車輛具有良好的抗傾覆穩(wěn)定性。

4 曲線線路上導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪預(yù)壓力研究

車輛在道路上運(yùn)行時(shí)不可避免的要受到風(fēng)力等其他外部激擾的影響,特別是在曲線通過時(shí),由于存在離心力、重力的分力以及風(fēng)力的作用,車體在曲線上會(huì)有較大的傾覆,此時(shí)導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪的預(yù)壓力就顯得尤為重要。

4.1 車輛圓曲線上橫向受力分析

圖3為車輛以一定速度通過圓曲線時(shí)橫向的受力情況,從圖中看出車輛在通過曲線時(shí)主要受到的橫向力有導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的徑向力、離心力和車輛重力在橫向的分力、走行輪的側(cè)向力。這些力在橫向有以下關(guān)系:

式中Fg為導(dǎo)向力;H為離心力;p為車輛重力;Fw為穩(wěn)定輪抗傾覆力;Fα走行輪側(cè)向力;φ為超高角。

從式(2)可以看出,這些力的變化是由車輛的運(yùn)行速度、線路的超高以及曲線半徑來決定的。

圖3 車輛圓曲線上的受力圖

4.2 有預(yù)壓力時(shí)的曲線通過仿真

為了考察導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪預(yù)壓力對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[4-6,8],仿真計(jì)算了單軌車輛在預(yù)壓力從0 kN到15 kN變化時(shí),通過100 m到500 m不同曲線半徑超高率為7%的曲線時(shí),車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的變化情況如圖4(a)～(f)所示。

從圖4可以看出,隨著預(yù)壓力的增加,導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪徑向力的變化量、車體側(cè)滾角、轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角和車體橫移量(車體相對(duì)于前后轉(zhuǎn)向架中心的連線)顯著變小后趨于平緩;隨著曲線半徑的增加,導(dǎo)向力變化量的減小比較明顯,穩(wěn)定輪徑向力變化量、車體側(cè)滾角、轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角和車體橫移略有減小;空氣彈簧垂向力的變化隨曲線半徑和預(yù)壓力的增加變化都比較小。

圖5是導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪與軌道梁有5 kN預(yù)壓力,跨坐式單軌車輛以均衡速度通過100 m半徑7%超高率的曲線時(shí),導(dǎo)向力和穩(wěn)定輪徑向力的變化隨時(shí)間歷程變化情況。

從圖5可以看出,右側(cè)導(dǎo)向輪和左側(cè)穩(wěn)定輪在緩和曲線上時(shí)就已經(jīng)離開了軌道梁,在圓曲線上穩(wěn)定輪徑向力有長(zhǎng)時(shí)間較小幅度的振蕩。而此時(shí)若車輛受到外部激擾如強(qiáng)風(fēng)的影響將給車輛帶來危險(xiǎn),從而影響車輛的穩(wěn)定性、安全性。

圖4 車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的變化圖

圖5 導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪徑向力的變化曲線

由以上分析可知,對(duì)導(dǎo)向輪胎和穩(wěn)定輪胎設(shè)置一個(gè)預(yù)壓力,使之緊貼在軌道梁側(cè)面,對(duì)保證跨坐式單軌車輛的平穩(wěn)導(dǎo)向和安全性有重要的作用。但如果導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的預(yù)壓力取得太小,在高速通過曲線或受到側(cè)向強(qiáng)風(fēng)作用時(shí),有可能會(huì)造成某些導(dǎo)向輪或穩(wěn)定輪與軌面分離,從而影響車輛的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性;如果導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的預(yù)壓力取得過大,則增加了車輛的運(yùn)行阻力,容易造成輪胎過快地磨耗,并對(duì)轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。因此為了確定導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪初始?jí)毫?需要綜合考慮線路的曲線半徑、超高,車輛的運(yùn)行速度,側(cè)向風(fēng)的作用,輪胎強(qiáng)度以及走行部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素,確保車輛在各種運(yùn)行條件下,導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪與軌道梁之間沒有間隙,即導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪對(duì)軌道的壓力不應(yīng)該為零,在此前提下,盡量取小值,對(duì)于本文的單軌交通車輛系統(tǒng),根據(jù)仿真結(jié)果將導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的預(yù)壓力取10 kN時(shí)可保證導(dǎo)向輪穩(wěn)定輪在運(yùn)行時(shí)既不脫離軌道也不至于太大而增加摩擦力的消耗,還可使車體、轉(zhuǎn)向架運(yùn)行時(shí)的側(cè)滾角較小,從而保證車輛的運(yùn)行安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過受力分析和仿真計(jì)算可知,導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的預(yù)壓力對(duì)單軌車的運(yùn)行安全性有重要的影響,預(yù)壓力太小不能起到保證車輛運(yùn)行安全的作用,但預(yù)壓力過大會(huì)增加運(yùn)行阻力。因此,應(yīng)綜合考慮車輛運(yùn)行的各種條件選擇合理的預(yù)壓力,從而既保證車輛的運(yùn)行安全也不至于使車輛運(yùn)行阻力增加太大,對(duì)于本文的單軌交通車輛系統(tǒng),將導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的預(yù)壓力取10 kN比較適宜。

[1] 張建全,黃運(yùn)華,李 芾,等.獨(dú)軌交通的發(fā)展及其在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛,2009,29(1):25-30.

[2] 劉紹勇.重慶跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架的研制[J].鐵道車輛,2003,41(9):18-21.

[3] 王省茜.跨坐式單軌鐵路的特點(diǎn)及其應(yīng)用前景[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2004,25(1):131-135.

[4] Kenjiro Goda,Nishigaito T,Hiraishi M.A curving simulation for a monorail car(C).Railroad Conference,Proceedings of the 2000ASM E/IEEE Joint.2000,171-177.

[5] Lee Chang Hun,Kim Chul Woo,Kawatani M,et al.Dynamic response analysis of monorail bridges under moving trains and riding comfort of trains[J].Engineering Structures.2005,27(14):1999-2013.

[6] Lee C H,Kim C W,Kawatani M,et al.Dynamic response of a monorail steel bridge under a moving train[J].Joumal of Sound and Vibration.2006,294(3):562-579.

[7] 嚴(yán)雋耄,傅茂海.車輛工程(第三版)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2008.

[8] 任利惠,周勁松,沈 鋼.跨坐式獨(dú)軌車輛動(dòng)力學(xué)模型及仿真[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2004,25(5):26-31.