跨坐式單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機構(gòu)試驗設(shè)計與研究

彭立群，林達文，吳興磊，張志強，王 進

(中國南車 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

跨坐式單軌交通起源于20世紀60年代，在日本的東京、大阪、多摩、沖繩等地相繼建成了數(shù)條單軌交通運營線路?？缱絾诬壗煌ㄜ囕v與普通地鐵車輛相比，有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、運行噪聲低、景觀性好等顯著特點，特別適合線路經(jīng)過區(qū)域山高坡陡、道路曲折、地形復雜等具體情況。在我國著名的山城重慶，校場口至新山村線為高架單軌線，也是我國第一條單軌交通線。此外，杭州、東莞和石家莊也對單軌交通系統(tǒng)對本市公共交通系統(tǒng)適應性進行了調(diào)研。單軌交通作為一種城市公共交通系統(tǒng)在國內(nèi)外備受關(guān)注［1-7］。而牽引機構(gòu)是單軌車轉(zhuǎn)向架中關(guān)鍵的牽引部件，在裝車使用前必須對其各項性能進行檢測，為確保車輛的安全性和舒適度，更需要對其進行合理、全面的檢驗。目前有關(guān)牽引機構(gòu)的技術(shù)條件中，試驗內(nèi)容涵蓋靜態(tài)性能、極限性能、破壞性能、疲勞性能等，而2點組合加載試驗則是安全性、可靠性判定中綜合性最強、最關(guān)鍵的試驗。文章著重對2點組合加載試驗進行了研究。

1 單軌車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

單軌車的種類較多，根據(jù)車輛重心在軌道位置不同分為直立式、跨坐式、懸掛式3種，其中跨坐式綜合性能最好、應用最為廣泛。與傳統(tǒng)軌道交通相比，跨坐式單軌車的最大區(qū)別在于車輛轉(zhuǎn)向架、軌道和道岔，其中轉(zhuǎn)向架是車輛的核心部件，也是最能體現(xiàn)該交通系統(tǒng)運行特征的部分。

跨坐式單軌車轉(zhuǎn)向架主要由牽引機構(gòu)、走行輪、導向輪、穩(wěn)定輪、沙漏簧、油壓減振器、構(gòu)架等組成，如圖1所示。

圖1 跨坐式單軌車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

其中牽引機構(gòu)是轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件，由4根牽引桿、2根扭桿軸、4個底座、1根橫向連桿、1個油壓彈簧組成，如圖2所示。通過牽引桿前端橡膠關(guān)節(jié)連接轉(zhuǎn)向架，由底座連接車體構(gòu)架，傳遞車體相對轉(zhuǎn)向架的牽引力，并吸收橫向偏擺載荷，保證車輛平穩(wěn)運行;走行輪為無內(nèi)胎鋼絲橡膠輪胎，行駛在軌道上表面，起承載、傳遞牽引力、制動力和緩和車輛垂向振動的作用;導向輪、穩(wěn)定輪內(nèi)充壓縮空氣，行駛在軌道側(cè)面，起緩沖車輛橫向振動的作用，導向輪在過彎道時起導向作用;穩(wěn)定輪是在車輛受到離心力、風力的時候起穩(wěn)定作用;高阻尼的油壓減振器用于衰減轉(zhuǎn)向架的垂向振動或側(cè)擺振動;沙漏簧具有相當于轉(zhuǎn)盤的功能，允許轉(zhuǎn)向架相對車體產(chǎn)生較大的偏擺角度，使車輛順利通過小半徑曲線。

圖2 牽引機構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 牽引機構(gòu)試驗簡述

目前單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機構(gòu)還沒有試驗標準，具體試驗參照《BST單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機構(gòu)技術(shù)條件》、BS EN 15049－2007《鐵路應用—懸掛部件—鋼扭桿》以及TB/T 3285－2011《動車組抗側(cè)滾扭桿》、TB/T 3284－2011《動車組牽引拉桿》等標準，相應技術(shù)條件中涉及兩種加載方式，分別是2點和3點組合加載方式，如圖3和圖4所示。

2點加載方式:豎向設(shè)計一個油缸施加平行軌道的牽引力，橫向設(shè)計一種曲柄連桿機構(gòu)，由油缸推動機構(gòu)使牽引機構(gòu)繞轉(zhuǎn)動中心形成偏擺角度，實現(xiàn)橫向加載。這種加載方式具有結(jié)構(gòu)簡單、占用試驗資源小、試驗成本低、方便操作等優(yōu)點。

圖3 2點組合加載

圖4 3點組合加載

3點加載方式:豎向加載方式不變，橫向設(shè)計2個油缸施加大小相等、方向相反的力偶，使牽引機構(gòu)繞轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)橫向加載。以下重點介紹2點組合加載試驗。

3 2點組合加載試驗

(1)2點組合加載試驗原理

跨坐式單軌車在運營過程中主要分直線和曲線軌道行駛2種工況。

直線軌道行駛時，車體與轉(zhuǎn)向架未產(chǎn)生橫向位移，牽引機構(gòu)只承受單一的豎向牽引力，由于上下兩組牽引桿安裝位置不同，豎向載荷按4∶1分配，此時的橫向拉桿和油壓彈簧不工作。

曲線軌道行駛時，由于離心力的作用，車體與構(gòu)架之間產(chǎn)生橫向載荷，此時，油壓彈簧和橫向連桿開始工作，整個牽引機構(gòu)以軌道為中心產(chǎn)生橫向偏擺角度，形成夾角β，此時的牽引機構(gòu)會同時承受縱向牽引力和橫向載荷。

豎向載荷實現(xiàn):設(shè)計縱向油缸推動承載平臺和偏心鉸鏈裝置，將縱向載荷施加到偏離中心175 mm位置，將載荷以4∶1分配到上下2組牽引桿。

橫向載荷實現(xiàn):設(shè)計水平油缸推動曲柄連桿機構(gòu)，使牽引機構(gòu)繞轉(zhuǎn)動中心形成橫向偏擺夾角。

(2)2點組合加載試驗裝置

整體方案采用模塊化“搭積木”的組合加載方式，試驗拆裝靈活方便、安裝空間、夾持尺寸可調(diào)，滿足不同牽引機構(gòu)試驗要求。具體的試驗裝置由懸掛機架、豎向加載、橫向偏擺3部分組成，分別如圖5和圖6所示，其中牽引機構(gòu)前端通過橡膠關(guān)節(jié)固定在豎向加載承載平臺上，尾部通過安裝座固定于橫向偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動臂，通過組合加載試驗臺對其同時施加載荷，完成2點組合加載試驗。

圖5 試驗裝置結(jié)構(gòu)組成(豎向)

4 試驗驗證

以株洲時代新材料科技股份有限公司(TMT)為國外某單軌車研制的轉(zhuǎn)向架牽引機構(gòu)為例，進行2點組合加載試驗研究(圖7～圖9)。橫向偏擺角度分別為0°，2°，4°，6°，研究不同角度對牽引機構(gòu)靜態(tài)性能、極限性能、破壞性能、疲勞性能的影響。

圖6 試驗裝置結(jié)構(gòu)組成(橫向)

圖7 牽引機構(gòu)應力檢測位置圖

圖8 試驗安裝(橫向)

圖9 試驗安裝(豎向)

(1)靜態(tài)性能

預加載:豎向加載69 kN，頻率0.05 Hz，橫向偏擺6°，頻率0.05 Hz，連續(xù)加載 3 次，間隔 5 min 后，正式加載1次，分別記錄4種工況牽引機構(gòu)不同測試點最大應力值。

表1 靜態(tài)性試驗數(shù)據(jù)

從表1得出牽引機構(gòu)上牽引桿(S1、S2)應力值為下牽引桿(S3、S4)的近4倍，表明試驗方案設(shè)計與實際承載一致，同時試驗結(jié)果均小于材料最大應力值190 MPa，表明該產(chǎn)品具有較高的安全系數(shù)。角度增加，牽引桿最大應力變化不大，表明牽引機構(gòu)在通過不同半徑曲線時，均具有足夠的強度。

(2)極限性能

豎向加載85 kN，頻率0.05 Hz，保持1 min，觀察產(chǎn)品是否破壞。

從表2得出在不同橫向偏擺角度下，對牽引機構(gòu)施加極限載荷，產(chǎn)品均未破壞。同時表明不同偏擺角度對極限性能無影響。

(3)破壞性能

豎向?qū)恳龣C構(gòu)施加載荷至橫向連桿破壞，記錄不同偏擺角度下的最大破壞載荷。

表2 極限性試驗數(shù)據(jù)

表3 破壞性試驗數(shù)據(jù)

從表3得出:牽引機構(gòu)最大破壞載荷均達到近2倍靜態(tài)載荷，且不同偏擺角度對最大破壞載荷影響不顯著。

(4)疲勞性能

直線軌道工況:橫向夾角為零，縱向加牽引載荷±30 kN，頻率1 Hz，循環(huán)加載50萬次;曲線軌道工況:橫向偏擺角度±6°，縱向加牽引載荷±30 kN，頻率1 Hz，循環(huán)加載50萬次。兩種工況交替進行共循環(huán)加載2 000萬次。

疲勞試驗后，牽引機構(gòu)各測試點最大應力均在許可范圍內(nèi)，金屬件和橡膠件均未破壞。

5 結(jié)束語

(1)通過分析單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機構(gòu)結(jié)構(gòu)與原理，采用了2點組合加載方式并進行分析比對，為牽引機構(gòu)及同類產(chǎn)品的試驗設(shè)計提供參考。

(2)試驗研究表明:試驗方案設(shè)計達到了預期效果，不同偏擺角度對牽引機構(gòu)力學性能無影響，牽引機構(gòu)在不同工況下均具有較好的安全性和可靠性。

(3)上述試驗方案及研究成果進一步完善了牽引機構(gòu)試驗標準，已申報發(fā)明專利1項，為牽引機構(gòu)類產(chǎn)品研發(fā)和試驗起指導作用。

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