懸掛式單軌列車關(guān)鍵懸掛參數(shù)研究

馮遵委楚永萍何斌斌

懸掛式單軌列車關(guān)鍵懸掛參數(shù)研究

馮遵委楚永萍何斌斌

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)部，210031，南京//第一作者，高級工程師）

采用大型多體動(dòng)力學(xué)軟件Universal Mechanism建立懸掛式單軌列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模型中考慮了各減振器、彈簧、止檔的非線性特性，以及橡膠輪胎-軌道的非線性作用特性。通過數(shù)值積分求解車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對單軌列車關(guān)鍵懸掛參數(shù)進(jìn)行研究。研究表明：導(dǎo)向輪高度應(yīng)盡量放低，與軸心高度一致較為合理；導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌應(yīng)有一定的預(yù)壓，但不宜過大；橫向減振器等效阻尼應(yīng)取50 kN·s/m以上，以保證車輛橫向平穩(wěn)性的同時(shí)，讓車輛進(jìn)出曲線時(shí)橫向振動(dòng)能夠快速收斂；垂向減振器等效阻尼取30～40 kN·s/m能夠保證車輛具有良好的垂向平穩(wěn)性。

懸掛式單軌列車；懸掛參數(shù)；導(dǎo)向輪；減振器

Author′s addressBogie Design Department，CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

思路剖析 由三角形的中位線和平行四邊形的性質(zhì)可知，BC∥EF且BC=2EF，所以求BC的長就轉(zhuǎn)化為求EF的長．而在直角三角形EFN中，只知所以需求其銳角的某個(gè)三角函數(shù)值或找出三邊之間的數(shù)量關(guān)系．由AB=OB和E為OA的中點(diǎn)想到連接BE，則BE⊥AC．又∠BCE=∠CEF=45°，所以△EBC為等腰直角三角形，得BM=EM=EF，則四邊形EFMB為平行四邊形，得運(yùn)用勾股定理可得故

懸掛式單軌交通利用的是空間資源，具有占地少、適應(yīng)性強(qiáng)、投資小、工期短、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，適合作為大城市現(xiàn)有軌道交通系統(tǒng)的補(bǔ)充，在中小城市更可作為公共交通干線，在景區(qū)可作為觀光線使用。目前，懸掛式單軌列車在德國的烏珀塔爾和杜塞爾多夫，日本的湘南和千葉均有運(yùn)營。然而在我國，懸掛式單軌列車的運(yùn)營仍是一片空白。研究一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的懸掛式單軌列車是非常有必要的。中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司在此契機(jī)下，率先開展了懸掛式單軌列車研制。

本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立非線性動(dòng)力學(xué)模型，采用數(shù)值積分方法研究關(guān)鍵懸掛參數(shù)對車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，為國內(nèi)首列懸掛式單軌列車設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 懸掛式單軌列車結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)模型

1.1 懸掛式單軌列車結(jié)構(gòu)

懸掛式單軌列車軌道系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向架、車體、軌道梁組成。其中，轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、橡膠走行輪、導(dǎo)向輪、橡膠簧、枕梁、中心銷、懸吊機(jī)構(gòu)、橫向減振器、垂向減振器、驅(qū)動(dòng)裝置以及制動(dòng)裝置等組成，如圖1所示。

計(jì)算導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌取4、2、0、-2和-4 mm間隙時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖7、8為車輛通過曲線時(shí)導(dǎo)向輪間隙對構(gòu)架和車體加速度的影響。計(jì)算結(jié)果表明：導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌間隙對車體振動(dòng)加速度影響很??；對構(gòu)架振動(dòng)加速度有一點(diǎn)影響，當(dāng)導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌0間隙或有預(yù)壓時(shí)，構(gòu)架除了離心加速度外沒有額外沖擊；當(dāng)導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌存在間隙時(shí)，車輛在進(jìn)出曲線時(shí)構(gòu)架存在明顯的沖擊，且間隙越大，沖擊越大。圖9為導(dǎo)向輪間隙對車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。由圖9可見，隨著間隙減小，車輛運(yùn)行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增大，乘坐舒適感變差。與此同時(shí)，過大的預(yù)壓力將產(chǎn)生更大的額外能耗。綜合來看，考慮到車輪運(yùn)行存在磨耗，導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌應(yīng)有一定的預(yù)壓，但不宜過大。

管理制度的落后，管理部門的不健全，在這雙重的缺失之下，管理者對自己的管理職責(zé)不清楚，互相推諉。這就會(huì)直接導(dǎo)致一個(gè)問題，幾個(gè)部門會(huì)下發(fā)多個(gè)管理政策和文件，重復(fù)的文件會(huì)讓工作的效率大大減弱，也讓改革的步伐很難加快。

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件Universal Mechanism（UM）建立系統(tǒng)模型，并根據(jù)懸掛式單軌列車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對部分連接進(jìn)行簡化處理。構(gòu)架、齒輪箱、電機(jī)視為一個(gè)剛體，走行輪通過差速齒輪與構(gòu)架連接，構(gòu)架與搖枕之間由橡膠彈簧和垂向減振器連接，搖枕與車體通過懸吊裝置連接，并在懸吊裝置與構(gòu)架之間設(shè)置止檔，懸吊機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置橫向減振器和限位止擋，導(dǎo)向輪與構(gòu)架連接起到導(dǎo)向和抗傾覆作用。懸掛式單軌列車多體動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

輪軌接觸模型采用適用于實(shí)心橡膠輪胎的Fiala模型描述，其中輪軌法向力為

圖1 懸掛式單軌列車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

dz——實(shí)心橡膠輪胎的阻尼；

kz——實(shí)心橡膠輪胎的非線性剛度；

吹掃氣體必須干燥、潔凈，檢查時(shí)要注意空氣過濾減壓閥的濾芯，確認(rèn)其是否潔凈。為指定的應(yīng)用確定吹掃氣體推薦流量是很困難的，因?yàn)樗Q于氣體在灰塵中的流速，法蘭長度和法蘭直徑等。法蘭中的吹掃流速等于灰塵中氣體流速的10%，如果持續(xù)吹掃一段時(shí)間后，待測氣體的體積分?jǐn)?shù)完全恒定，可嘗試用以下步驟去測量吹掃流量：

式中：

Δr——法向變形量；

2.2 導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌間隙

輪胎縱向力為：

其中：

cx——縱向蠕滑剛度；

綜上分析，正確理解和使用代詞，是中學(xué)生應(yīng)該具備的語文能力。如判斷下面句子中的代詞運(yùn)用得有沒有毛病：王老師對全班學(xué)生說：“同學(xué)們，別忘了我們是學(xué)生，我們的主要任務(wù)是學(xué)習(xí)?！边@一題中，“我們”這一代詞兩次出現(xiàn)，在這特定的語境中指的是學(xué)生，誰也不會(huì)把老師誤作學(xué)生，相反，它使師生間縮小了距離，反映出王老師和學(xué)生親密無間的感情。這里啟示我們，像《雷雨》中的這些代詞妙用，中學(xué)語文教材中還有很多，對此，我們應(yīng)多加閱讀研磨，以不斷提高對具有特定表達(dá)效果的代詞的鑒賞能力。

μ1——?jiǎng)討B(tài)摩擦因數(shù)。

Sx——縱向蠕滑率；

Sy——橫向蠕滑率；

運(yùn)行CiteSpace，將Node Type選擇為“Keyword”，得到了混合式教學(xué)在中小學(xué)研究的關(guān)鍵詞可視化的分析圖譜。如圖2所示，圖中一共是17個(gè)節(jié)點(diǎn)，23條連線,圖中的原點(diǎn)代表關(guān)鍵詞，原點(diǎn)越大則表示該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越高。圖2中“混合式學(xué)習(xí)”關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次最高，一共出現(xiàn)了37次；其次是“混合式培訓(xùn)”，出現(xiàn)了7次；排在第三位的是“中小學(xué)教師”，出現(xiàn)了7次?？梢钥闯觯F(xiàn)在研究者的關(guān)注點(diǎn)在中小學(xué)教師的培訓(xùn)上，力圖將混合式教學(xué)模式深入到教師的教學(xué)理念當(dāng)中，使教師更好地把混合式教學(xué)模式應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)教學(xué),推動(dòng)混合式教學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展。

趙仙童說，我不怪你打我，我該好好檢討了，這兩天我干了太多的爛事，我不該打電話跟那些不認(rèn)識的男人說那么多無聊話，我更不應(yīng)該臭罵那些我不認(rèn)識的女人。

μ0——靜態(tài)摩擦因數(shù)；

式中：

輪胎橫向力為：

其中：

式中：

cy——橫向蠕滑剛度。

(2)方案設(shè)計(jì)比賽。該比賽主要依托我校的物理沙盤實(shí)驗(yàn)室，如圖2所示。該比賽將參賽人員隨機(jī)分成五人小組(抽簽決定)；各小組代表抽取比賽案例；各小組現(xiàn)場兩個(gè)小時(shí)進(jìn)行討論分析，形成合理的方案；小組代表匯報(bào)方案，由企業(yè)嘉賓進(jìn)行點(diǎn)評打分，并做總結(jié)。

輪胎滾動(dòng)阻力為：

式中：

rt——輪胎環(huán)形半徑。

圖2 懸掛式單軌列車動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵懸掛參數(shù)研究

2.1 導(dǎo)向輪高度

懸掛式單軌列車不像傳統(tǒng)軌道交通車輛具有自動(dòng)對中功能，需要設(shè)置導(dǎo)向輪來起到導(dǎo)向支撐作用。計(jì)算導(dǎo)向輪高度取0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m時(shí)車輛通過曲線的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了準(zhǔn)確描述趨勢，計(jì)算時(shí)不考慮軌道隨機(jī)不平順的影響。圖3～5為導(dǎo)向輪高度對車體、搖枕、構(gòu)架側(cè)滾角的影響。由圖可見，導(dǎo)向輪高度對車體、構(gòu)架、搖枕側(cè)滾角影響較大，隨著導(dǎo)向輪高度增加，車體、構(gòu)架、搖枕側(cè)滾角增大。圖6為導(dǎo)向輪高度對走行輪垂向力的影響。由圖6可見，隨著導(dǎo)向輪高度增加，左右兩側(cè)走行輪垂向力差值增大，車輪最大垂向力增大。對于人體乘坐舒適感和限界來說，側(cè)滾角越小越好，同時(shí)走行輪最大垂向力也不能過大。綜合來說，導(dǎo)向輪高度應(yīng)盡量放低，與0.27 m的軸心高度設(shè)置相同較為合理。

VΔr——法向變形率。

據(jù)董事長王茂莆介紹，公司創(chuàng)業(yè)之初，國內(nèi)噴灌機(jī)產(chǎn)業(yè)面臨外資機(jī)構(gòu)大規(guī)模并購的尷尬局面，但為了實(shí)現(xiàn)行業(yè)民族品牌的發(fā)展，華雨公司迎難而上，憑借“踏實(shí)、拼搏、責(zé)任”的企業(yè)精神和“誠信、共贏、開創(chuàng)”的經(jīng)營理念，通過不懈努力，終于生產(chǎn)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的大型噴灌機(jī)設(shè)備，為贏得國產(chǎn)噴灌機(jī)市場定價(jià)權(quán)起到了積極的促進(jìn)作用。王茂莆說，我國灌溉產(chǎn)業(yè)是個(gè)存量很大的市場，隨著十八屆三中全會(huì)的召開，“調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式”已經(jīng)被納入國家體制改革的宏觀計(jì)劃，未來新興灌溉產(chǎn)業(yè)將會(huì)有更大的發(fā)展空間，因此把握產(chǎn)業(yè)命脈的關(guān)鍵是打好基本功，夯實(shí)自身優(yōu)勢。

1.2 懸掛式單軌列車動(dòng)力學(xué)模型

圖3 導(dǎo)向輪高度對車體測滾角的影響

圖4 導(dǎo)向輪高度對構(gòu)架測滾角的影響

圖5 導(dǎo)向輪高度對搖枕測滾角的影響

圖6 導(dǎo)向輪高度對走行輪垂向力的影響

圖7 導(dǎo)向輪間隙對構(gòu)架加速度的影響

圖8 導(dǎo)向輪間隙對車體加速度的影響

圖9 導(dǎo)向輪間隙對運(yùn)行平穩(wěn)性的影響

2.3 橫向減振器

情況 3.3 若f3(v)=2,由于G不含4-圈,故兩個(gè)3-面不可能相鄰,它們只能有一個(gè)公共點(diǎn)v點(diǎn),此時(shí)最壞的情況是v關(guān)聯(lián)兩個(gè)3-面,3個(gè)6-面且3-面的鄰面均為6-面。由R1和R3.5得

計(jì)算橫向減振器等效阻尼從0～100 kN·s/m變化時(shí)車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖10為不同橫向減振器等效阻尼下車輛通過曲線時(shí)的車體側(cè)滾角。由圖10可見，橫向減振器阻尼對車體側(cè)滾影響較大，在進(jìn)出曲線時(shí)，隨著橫向減振器阻尼增大，車體側(cè)滾收斂性更好。圖11為不同橫向減振器等效阻尼下車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。由圖11可見，隨著橫向減振器等效阻尼的增大，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)先減小后增大，均遠(yuǎn)小于平穩(wěn)性指標(biāo)限值2.5。綜合來看，為抑制車輛通過曲線的低頻晃動(dòng)，同時(shí)橫向平穩(wěn)性并不大，橫向減振器等效阻尼取50 kN·s/m以上。

圖10 不同橫向減振器等效阻尼對車體側(cè)滾角的影響

圖11 不同橫向減振器等效阻尼對車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響

2.4 垂向減振器

計(jì)算車輛在20、40和60 km/h車速下，垂向減振器等效阻尼對車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。計(jì)算結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，隨著垂向減振器等效阻尼增大，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)減小，在30 kN·s/m以上變化較小。因此，垂向減振器等效阻尼可取30～40 kN·s/m。

皇窯景區(qū)在標(biāo)準(zhǔn)化試點(diǎn)工作之前，基層員工與上層之間缺乏溝通渠道，部門之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力弱，十分不利于景區(qū)的長遠(yuǎn)健康發(fā)展。而通過標(biāo)準(zhǔn)化試點(diǎn)創(chuàng)建，為皇窯領(lǐng)導(dǎo)層、中層、基層員工提供了一個(gè)溝通平臺和契機(jī)，實(shí)現(xiàn)了縱向、橫向的管理協(xié)調(diào)，且標(biāo)準(zhǔn)體系中的標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過多輪標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)會(huì)、推進(jìn)會(huì)、交流會(huì)和研討會(huì)，由景區(qū)領(lǐng)導(dǎo)、各部門及員工共同協(xié)商一致的結(jié)果，有效提高了景區(qū)的整體運(yùn)營管理水平。

圖12 不同速度下不同垂向減振器等效阻尼對車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響

3 結(jié)論

建立了懸掛式單軌列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模型考慮了各減振器、彈簧、止擋的非線性特性，以及橡膠輪胎-軌道的非線性作用特性。通過數(shù)值積分求解車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對懸掛式單軌列車關(guān)鍵懸掛參數(shù)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

群樁基礎(chǔ)的承臺頂面荷載分布見表3，其中X向?yàn)轫槝蚍较?，Y向?yàn)槠矫娲怪本€路方向，Z向豎直方向。采用不利的重型荷載組合(設(shè)備及梁重+離心力+雙孔重載+列車橫向搖擺力)。

（1）導(dǎo)向輪高度應(yīng)盡量放低，這樣有利于減小車體、構(gòu)架和搖枕的側(cè)滾角，同時(shí)能有效降低走行輪法向力。

（2）導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌間應(yīng)有一定預(yù)壓，但不能過大，這樣能減小構(gòu)架振動(dòng)沖擊，同時(shí)不至于惡化橫向平穩(wěn)性和運(yùn)營能耗。

（3）橫向減振器等效阻尼設(shè)置應(yīng)取50 kN·s/m以上，這樣能有效抑制車輛進(jìn)出曲線的低頻晃動(dòng)，同時(shí)車輛仍具有良好的橫向平穩(wěn)性。

（4）垂向減振器等效阻尼宜取30～40 kN·s/ m，能夠確保車輛在各速度級具有良好的垂向平穩(wěn)性。

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Study on the Key Suspension Parameters of Sky Train

FENG Zunwei，CHU Yongping，HE Binbin

A dynamic model of sky train is set up by using the multi-body dynamic software Universal Mechanism.The nonlinearity of tire track interaction，damper and stoping are considered in the model.The dynamic response of vehicle system is calculated to study the key suspension parameters of sky train system，and the results show that the height of guide wheel should be set as low as possible to the height of drive wheel axle，this is a reasonable change；a certain pre-pressing force between guide wheel and rail is necessary，but should not be too large；the equivalent damping of lateral damper should be greater than 50kN.s/m，to ensure the well behavior of lateral stability，so the lateral swing of train can quickly converge when passing a curve.The equivalent damping of vertical damper should be set in a range of 30～40kN.s/m，in order to ensure good behavior of train's vertical stability.

sky train；suspension parameter；guide wheel；damper

U232

10.16037/j.1007-869x.2017.08.009

2017-02-11）