基于ADAMS的直線電機(jī)軌道交通安全性研究

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（天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110）

直線電機(jī)軌道交通具有較好的選線性能，其采用了直線電機(jī)和徑向轉(zhuǎn)向架，但是還是具有一定的安全隱患。主要是在軌道坡度增大時(shí)，會(huì)使得輪緣爬軌加劇，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致脫軌事故的產(chǎn)生。在直線電機(jī)軌道交通運(yùn)行的過程中，一旦橫向力過大就會(huì)使得乘客的舒適度有所降低，這也是ADAMS運(yùn)用于直線電機(jī)軌道交通的原因之一。就我國(guó)目前的直線電機(jī)軌道交通來說，系統(tǒng)線路設(shè)定值比較保守，可以依靠ADAMS軟件的研究增強(qiáng)系統(tǒng)性能和安全性。

1 分析車輛在運(yùn)行過程中的評(píng)標(biāo)規(guī)范

當(dāng)車輛行駛在直線電機(jī)軌道交通路段的時(shí)候首先需要保障車輛行駛過程是絕對(duì)安全可靠的，還需要讓乘客保持舒適的狀態(tài)。運(yùn)行過程中的安全性和平穩(wěn)性需要以車輛的脫軌系數(shù)、軌道橫向穩(wěn)定性及傾覆系數(shù)等確定，舒適性則主要需要滿足旅客的需求。舒適性主要的判定指標(biāo)是疲勞時(shí)間評(píng)定、加速度最大限值等。在研究直線電機(jī)軌道交通安全性的時(shí)候，需要首先將車輛行駛的安全性考慮在內(nèi)，然后將列車路線的動(dòng)力系統(tǒng)考慮在內(nèi)，所以在選擇研究控制指標(biāo)的時(shí)候需要慎重，可以選擇脫軌的安全性以及車輛行駛過程中的平穩(wěn)性作為評(píng)價(jià)規(guī)范。

1.1 脫軌安全性

車輛在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)通過曲線，而曲線運(yùn)動(dòng)會(huì)在離心力、側(cè)向風(fēng)力和橫向振動(dòng)慣性力的作用下導(dǎo)致外側(cè)前輪輪緣緊靠鋼軌。在這種情況下，前輪還會(huì)在導(dǎo)向力的作用下對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向架沿曲線方向運(yùn)行。有時(shí)候側(cè)向力會(huì)比較大，導(dǎo)致車輪會(huì)往上爬，輪緣就會(huì)沿著鋼軌側(cè)面滾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)車輪還會(huì)落出軌外，導(dǎo)致脫軌。發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，主要是車輪與鋼軌接觸點(diǎn)存在臨界，使得車輪有向下滑的趨勢(shì)。對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)來說，直線電機(jī)軌道交通對(duì)輪軌起到了一定的支撐導(dǎo)向作用，在評(píng)價(jià)其安全性的過程中就可以利用脫軌系數(shù)進(jìn)行判定。

1.2 車輛穩(wěn)定性

車輛傾覆是危及直線電機(jī)軌道交通安全性的重要原因。發(fā)生傾覆的車輛主要是由于受到離心力、橫向振動(dòng)慣性力的雙重作用，進(jìn)而使得車輛運(yùn)行具有一定的危險(xiǎn)性。在考量車輛是否存在傾覆的危險(xiǎn)性時(shí)，需要利用傾覆系數(shù)D進(jìn)行衡量，計(jì)算公式為D=Pd/Pst。在式中，Pd表示的是同一側(cè)車輪上的總的動(dòng)荷載，Pst表示的是車輛在同一側(cè)車輪上的總的靜荷載。如果計(jì)算得出D＞8，則說明車輛存在傾覆的可能，因此，直線電機(jī)軌道線路的設(shè)計(jì)參數(shù)一般是D＜8。

2 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件輪軌模塊簡(jiǎn)介

2.1 輪對(duì)建模

在進(jìn)行直線電機(jī)軌道交通安全性研究的過程中，需要考慮很多方面的因素，其中轉(zhuǎn)向架中有一對(duì)屬性一致的輪對(duì)，這是最需要考慮在內(nèi)的，所以，一般當(dāng)軌道是直線電機(jī)形式的時(shí)候，在軌道上行駛的車輛其耦合動(dòng)力學(xué)模型的表示需要將一對(duì)相同的輪對(duì)模型包含在內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行車輪的邊緣建模處理的時(shí)候，可以借助富點(diǎn)擬合的方法，在這個(gè)擬合過程中需要考慮到輪緣的幾何形狀，可以將幾何形位轉(zhuǎn)換為大量的點(diǎn)來擬合。利用這種方法，可以將車輪中不規(guī)范的幾何行為模擬出來，并且具有較大的準(zhǔn)確性，操作比較簡(jiǎn)單。有時(shí)候可以直接采用等效函數(shù)表示模型，但是多點(diǎn)擬合方式得出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2 構(gòu)架建模

在利用ADAMS軟件研究直線電機(jī)軌道交通安全性的過程中，需要先確定建模的構(gòu)架，才能保證建模的準(zhǔn)確性。一般來說，需要采用內(nèi)置式H形整體構(gòu)架，在整個(gè)系統(tǒng)中，可以將構(gòu)架建模視為剛體，確定構(gòu)架位置。

2.3 對(duì)于懸掛系統(tǒng)建模處理

當(dāng)對(duì)于懸掛系統(tǒng)進(jìn)行建模的時(shí)候，主要思路是對(duì)于輪對(duì)以及轉(zhuǎn)向架機(jī)構(gòu)上找出配合建模的連接點(diǎn)，然后將這些連接點(diǎn)作為整個(gè)懸掛單元的起點(diǎn)，在這些連接點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行新的彈簧單元的建立。

2.4 止檔建模

所謂止檔建模，指的是建模的位置選擇在轉(zhuǎn)向架以及車體之間，建模的主要目的是對(duì)于各個(gè)零部件的擺動(dòng)行為進(jìn)行控制。在止檔建模中，還能夠利用彈性拉力控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保障運(yùn)行的可靠性，但是進(jìn)行止檔建模，需要重點(diǎn)注意的是止檔的作用力和作用力引發(fā)的形變之間沒有線性關(guān)系。

2.5 對(duì)于自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)裝置進(jìn)行建模處理

一般來講城市交通系統(tǒng)比較發(fā)達(dá)，并且具有很明顯的特點(diǎn)，那就是曲線較小，所以如果在建模過程中充分利用自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)設(shè)備能夠使直線電機(jī)軌道交通更加適應(yīng)城市軌道交通的運(yùn)行。

在利用這種傳動(dòng)裝置建模的過程中，自導(dǎo)徑向轉(zhuǎn)向架可以通過機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向架的前后兩輪銜接起來，使其能夠借助蠕滑力實(shí)現(xiàn)相對(duì)回轉(zhuǎn)，并且這種作用力的實(shí)現(xiàn)是比較簡(jiǎn)單的。在進(jìn)行自導(dǎo)徑向轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)裝置建模的過程中，需要在前輪和后輪上對(duì)輪軸加裝傳動(dòng)輪桿，保障輪軸和桿件能夠自由旋轉(zhuǎn)，但是對(duì)兩者的橫向移動(dòng)以及自由程度卻是有限制的，在轉(zhuǎn)向設(shè)置的中間位置，需要使用彈簧裝置將傳動(dòng)桿件聯(lián)系起來，然后設(shè)置阻尼設(shè)備。同時(shí)，需要將傳動(dòng)桿件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)置為很小的數(shù)值，這樣能夠使得轉(zhuǎn)向架的幾何特性不會(huì)受到添加桿件的影響，彈簧和阻尼的質(zhì)量可以忽略不計(jì)。

2.6 直線電機(jī)建模

轉(zhuǎn)向架與直線電機(jī)的連接方式是5點(diǎn)懸吊式。在按照實(shí)際連接效果將輪軸與直線電機(jī)連接在一起時(shí)，需要將直線電機(jī)設(shè)置為有一定橫向自由度的模型。直線電機(jī)允許出現(xiàn)橫向的少量移動(dòng)，并且當(dāng)出現(xiàn)移動(dòng)的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生橫向作用力。在建模過程中可能會(huì)忽略掉直線電機(jī)與輪軸之間的剛度，而在具體的結(jié)構(gòu)中，直線電機(jī)和輪軸的連接位置一般有一個(gè)彈性膠墊層，并且這個(gè)膠墊的強(qiáng)度一般較大，所以即使直線電機(jī)和電磁力共同作用，也不會(huì)產(chǎn)生較大的形變，在建模過程中需要將其認(rèn)為是剛性連接。

2.7 車體建模

在進(jìn)行車體建模的過程中，不需要經(jīng)歷過于復(fù)雜的步驟，其主要為空間剛體，只需要對(duì)相關(guān)的線自由度和角自由度進(jìn)行設(shè)置和研究即可。在設(shè)置車體的長(zhǎng)、寬、高和質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及中心位置時(shí)，可以通過文件或者界面輸入完成。

2.8 整車模型

整車模型是在轉(zhuǎn)向架模型及車體模型結(jié)合基礎(chǔ)上建立的，其能夠與這兩者進(jìn)行重新組合，進(jìn)而使直線電機(jī)軌道交通安全性能得到有效保障。

3 仿真計(jì)算

直線電機(jī)車輛在自身的形成特點(diǎn)上，比普通車輛更加突出，主要表現(xiàn)在徑向轉(zhuǎn)向架的作用和直線電機(jī)感應(yīng)力作用上。在進(jìn)行仿真計(jì)算的過程中，需要保證車體的參數(shù)相同，并且兩者需要在相同的線路上，行車速度也不能存在差異，比照仿真計(jì)算結(jié)果就能夠?qū)Y(jié)果特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 徑向轉(zhuǎn)向架仿真計(jì)算

后輪對(duì)和前輪對(duì)的脫軌系數(shù)曲線整體來說是比較類似的，但是后輪對(duì)的數(shù)值還是大于前輪對(duì)數(shù)值，特別是在圓曲線段中，后輪對(duì)比前輪對(duì)的固定值基本都要大，說明前輪對(duì)對(duì)于后輪對(duì)來說具有一定的導(dǎo)向作用，并且后輪對(duì)的動(dòng)力響應(yīng)要更大。

3.2 對(duì)于直線電機(jī)進(jìn)行仿真處理

當(dāng)線路情況一致的情況下，計(jì)算直線電機(jī)軌道需要借助車輛模型，主要的目的是驗(yàn)證模型添加直線電機(jī)的正確性。

在計(jì)算過程中，需要明確仿真條件，其中線路全長(zhǎng)為32m，主要是5m直線+4m緩和曲線+4m圓曲線（半徑為5m）+4m緩和曲線+延長(zhǎng)的5m直線，圓曲線超高為5mm，緩和曲線的圖形可以大致看成是三次拋物線型，直線型超高順坡。在這個(gè)過程中，車輛的參數(shù)保持不變，并且一直處于勻速運(yùn)行狀態(tài)，速度始終保持在7km/h。

4 結(jié)語

綜上所述，通過本文的計(jì)算講解，計(jì)算過程涉及到的脫軌系數(shù)，橫向轉(zhuǎn)動(dòng)力等相比較正常車輛都是偏小的，所以，同自導(dǎo)向徑向的轉(zhuǎn)向架性質(zhì)也是相吻合的。當(dāng)加設(shè)直線電機(jī)之后，車輛運(yùn)行狀態(tài)更加穩(wěn)定，并且促進(jìn)了車輛行駛過程更加安全可靠，并且行駛過程沒有使得脫軌系數(shù)有較大的改變。在ADAMS模塊中研究直線電機(jī)軌道交通安全性是符合實(shí)際工程要求的，在仿真計(jì)算中，還能夠驗(yàn)證組合整車模型的正確性和有效性。

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