一種基于轉(zhuǎn)臂式搖枕的跨坐式單軌車輛單軸走行部

張 讓， 任利惠， 沈 鋼

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院， 上海 201804)

跨坐式單軌交通采用橡膠輪胎和混凝土預制軌道梁，作為一種特色鮮明的城市軌道交通制式，具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、占地少、噪聲低、運量適中、造價低等顯著優(yōu)點，其獨特的3大主要技術(shù)特性即噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強[1]?？缱絾诬壾囕v騎在軌道梁上運行， 軌道梁一般是預應力混凝土箱型梁，車輛除底部走行輪外，在車體兩側(cè)下垂部分設(shè)有夾行于軌道梁兩側(cè)的導向輪和穩(wěn)定輪，以保證車輛沿軌道安全平穩(wěn)行駛[2]。

目前跨坐式單軌車輛主要有日立模式、龐巴迪模式和Scomi模式。

日立模式單軌車輛采用雙軸走行部，具有較強的承載能力，在單軌車輛中運量最大，懸掛系統(tǒng)采用膜式空氣彈簧，同時提供垂向和橫向緩沖功能。車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力采用橡膠堆傳遞。2個牽引電機斜對稱安裝在構(gòu)架上，通過齒輪箱和半軸驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)?；A(chǔ)制動裝置采用液壓制動缸和液氣轉(zhuǎn)換裝置，如圖1所示[3]。

龐巴迪模式跨坐式單軌車輛采用單軸走行部，走行部有4個導輪，2個穩(wěn)定輪，走行部通過沙漏型橡膠彈簧支撐車體，沙漏簧具有垂向和橫向彈性，能夠允許轉(zhuǎn)向架相對車體產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，使車輛順利通過小半徑曲線[4-5]，如圖2所示。

Scomi模式跨坐式單軌車輛走行部同樣采用單軸結(jié)構(gòu)，垂向懸掛采用轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臂的一端與框架鉸接，另一端由空氣彈簧支撐，車體和轉(zhuǎn)向架通過牽引銷和旁承連接，結(jié)構(gòu)比較簡單，如圖3所示。對于兩軸轉(zhuǎn)向架，使用單軸轉(zhuǎn)向架可實現(xiàn)客室的低地板化，車輛也具有靈活的編組能力[6]。

相對于輪軌形式的軌道車輛，跨坐式單軌車輛的產(chǎn)品類型較少，主要原因是走行部品種類型較少。文中所設(shè)計的基于轉(zhuǎn)臂式搖枕的跨坐式單軌車輛單軸走行部，豐富了跨坐式單軌車輛的類型。

1-二系懸掛；2-驅(qū)動裝置；3-走行輪；4-導向輪；5-輔助輪；6-穩(wěn)定輪。圖1 日立模式跨坐式單軌車輛走行部

1-走行輪；2-導向輪；3-沙漏橡膠彈簧；4-穩(wěn)定輪；5-牽引拉桿；6-構(gòu)架。圖2 龐巴迪模式跨坐式單軌車輛走行部

1-牽引銷；2-走行輪；3-構(gòu)架；4-導向輪；5-橡膠彈簧；6-轉(zhuǎn)臂；7-穩(wěn)定輪。圖3 Scomi模式跨坐式單軌車輛走行部

1 走行部結(jié)構(gòu)

文中所設(shè)計的新型跨坐式單軌車輛單軸走行部主要由1 對走行輪、4 個導向輪、2 個穩(wěn)定輪、“口”字型構(gòu)架、轉(zhuǎn)臂式搖枕空氣彈簧懸掛系統(tǒng)、吊桿、單牽引拉桿以及牽引傳動裝置和基礎(chǔ)制動裝置組成，如圖4所示。

走行輪采用高壓充氣橡膠輪胎，與軌道梁的上表面配合。走行輪的空心車軸固接在構(gòu)架一側(cè)側(cè)梁的內(nèi)側(cè)，車輪通過軸承安裝在車軸上，車輪旋轉(zhuǎn)而車軸不轉(zhuǎn)。4 個導向輪呈水平設(shè)置在走行部的端部，與軌道梁的上部側(cè)面配合，2個呈水平穩(wěn)定輪設(shè)置在走行部側(cè)面下部，與軌道梁的下部側(cè)面配合。導向輪和穩(wěn)定輪在高度上有一定距離，兩者配合使用來提供抗側(cè)滾的剛度。

構(gòu)架主體整體呈“口”字形，主要由2 根側(cè)梁和2 根橫梁組成。在構(gòu)架一個側(cè)梁的中央向上設(shè)置輪邊電機和輪邊減速箱的支撐座，用來安裝輪邊電機和輪邊減速裝置。在側(cè)梁中央向下設(shè)置穩(wěn)定輪的支撐梁，用來安裝穩(wěn)定輪。在構(gòu)架橫梁的端部向下設(shè)置導向輪的安裝座，用來安裝導向輪。在構(gòu)架橫梁的上方設(shè)置轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)安裝座，用于安裝搖枕的轉(zhuǎn)軸。在構(gòu)架橫梁的端部上部設(shè)置空氣彈簧安裝座，用于安裝空氣彈簧。在構(gòu)架內(nèi)側(cè)橫梁的中央設(shè)置牽引拉桿安裝座。

4個搖枕橫向布置在構(gòu)架的橫梁上方。搖枕采用轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)，搖枕可繞構(gòu)架橫梁上的縱向轉(zhuǎn)軸在側(cè)滾方向旋轉(zhuǎn)?？諝鈴椈稍O(shè)置在搖枕和構(gòu)架橫梁之間。由于搖枕只有繞縱向轉(zhuǎn)軸的運動，故空氣彈簧只承受垂向載荷，可使用約束模式的空氣彈簧。車體通過吊桿吊掛在搖枕上，通過搖枕體的轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)和空氣彈簧，實現(xiàn)了垂向振動的緩沖。在構(gòu)架同側(cè)橫梁上方的2 個搖枕，在轉(zhuǎn)軸內(nèi)側(cè)通過抗側(cè)滾彈簧連接，通過選擇抗側(cè)滾彈簧的剛度，可靈活改變懸掛系統(tǒng)的抗側(cè)滾剛度，如圖5所示。轉(zhuǎn)向架每側(cè)各2個吊桿，車體通過4根吊桿吊掛在搖枕外端。吊桿上端通過球形轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與搖枕外端連接，吊桿下端通過球形轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與車體連接。通過吊桿的橫向擺動，依靠車體重力實現(xiàn)橫向緩沖。通過吊桿的縱向擺動，適應車體與轉(zhuǎn)向架通過水平曲線時的位移。

1-構(gòu)架拉桿；2-走行輪；3-搖枕；4-空氣彈簧；5-吊桿；6-制動盤；7-導向輪；8-穩(wěn)定輪；9-抗側(cè)滾彈簧；10-牽引拉桿。圖4 走行部結(jié)構(gòu)的三維示意圖

1-車體；2-搖枕；3-空氣彈簧；4-吊桿；5-構(gòu)架；6-走行輪；7-導向輪；8-穩(wěn)定輪；9-軌道梁。圖5 轉(zhuǎn)臂式搖枕懸掛結(jié)構(gòu)的示意圖

牽引電機設(shè)置在構(gòu)架側(cè)梁的外側(cè)，減速齒輪裝置與牽引電機分別設(shè)置在走行輪的兩側(cè)，牽引電機的輸出軸聯(lián)接半軸，半軸穿過空心車軸與減速齒輪裝置的輸入軸聯(lián)接，減速齒輪裝置的輸出軸與車輪聯(lián)接，驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

2 動力學性能分析

2.1 車輛動力學模型

為了判斷該新型跨坐式單軌車輛單軸走行部的動力學性能，利用多體動力學軟件Universal Mechanism建立該新型跨坐式單軌車輛的動力學模型進行動力學分析。車輛動力學模型的主要組成有1個車體、2個構(gòu)架、4個走行輪、8個導向輪和4個穩(wěn)定輪，車體和走行部構(gòu)架視作剛體處理，具有伸縮、沉浮、橫移、側(cè)滾、點頭和搖頭 6 個自由度?？諝鈴椈珊喕癁閺椈勺枘崃υ?，吊桿、減振器可簡化為雙極力元，即力的方向沿兩點之間連線的方向。橡膠輪胎具有復雜的力學特性, 實用的輪胎模型可以分為純理論、半經(jīng)驗、純經(jīng)驗模型3 類, 其應用場合各有不同，文中采用Fiala理論模型，包括輪胎的側(cè)偏特性。表1給出了車輛的主要動力學參數(shù)，圖7給出了該新型跨坐式單軌車輛運動學關(guān)系和部件之間的連接關(guān)系拓撲結(jié)構(gòu)圖，圖8為使用UM軟件建立的動力學仿真模型。

1-電機；2-聯(lián)軸節(jié)；3-構(gòu)架；4-車軸；5-半軸；6-輪轂；7-車輪；8-行星輪系；9-制動盤。圖6 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖8 UM動力學仿真模型

參數(shù)數(shù)值車體質(zhì)量/kg12000轉(zhuǎn)向架質(zhì)量/kg2200走行輪徑向剛度/(MN·m-1)1.40走行輪側(cè)偏剛度/(MN·rad-1)0.35導向輪徑向剛度/(MN·m-1)0.65穩(wěn)定輪徑向剛度/(MN·m-1)0.65空氣彈簧垂向剛度/(MN·m-1)0.12抗剪彈簧垂向剛度/(MN·m-1)1吊桿長度/m0.75垂向減振器阻尼系數(shù)/(kN·(m·s-1))50橫向減振器阻尼系數(shù)/(kN·(m·s-1))50車輛定距/m8.0車體重心距軌面高度/m0.50轉(zhuǎn)向架重心距軌面高度/m0.45導向輪中心距軌面高度/m0.15穩(wěn)定輪中心距軌道高度/m0.90走行輪橫向距離之半/m0.15走行輪半徑/m0.50導向輪半徑/m0.27穩(wěn)定輪半徑/m0.27導向輪和穩(wěn)定輪的預壓力/N5000

2.2 曲線通過性能

轉(zhuǎn)彎半徑小是單軌交通的優(yōu)點之一，其正線的最小曲線半徑通常只有100 m。圖9給出了車輛以均衡速度通過曲線半徑為100 m曲線路段時，前后轉(zhuǎn)向架各輪載荷變化情況。從圖中可以看出：車輛在進入曲線路段時，前走行部的右側(cè)前導向輪和左側(cè)后導向輪以及后走行部的左側(cè)前導向輪和右側(cè)后導向輪徑向力逐漸增大然后趨于穩(wěn)態(tài)；前走行部的左側(cè)前導向輪和右側(cè)后導向輪以及后走行部的右側(cè)前導向輪和左側(cè)后導向輪徑向力逐漸減小然后趨于穩(wěn)態(tài)。前走行部右側(cè)前導向輪和左側(cè)后導向輪的徑向力較大，左側(cè)前導向輪和右側(cè)后導向輪徑向力較??；后走行部左側(cè)前導向輪和右側(cè)后導向輪徑向力較大，右側(cè)前導向輪和左側(cè)后導向輪徑向力較小，這樣前后走行部4個導向輪所受徑向力就會形成一個使車輛沿軌道行駛方向轉(zhuǎn)動的搖頭力矩，前后走行部的搖頭力矩方向相反，這兩個搖頭力矩是車輛更好地通過曲線路段的主要轉(zhuǎn)動力。前走行部右側(cè)穩(wěn)定輪徑向力在曲線路段增大，左側(cè)穩(wěn)定輪徑向力減小，后走行部左右穩(wěn)定輪徑向力變化不大。前后走行部走行輪側(cè)偏力方向相反，由于車體和走行部用吊桿連接，車體和走行部之間有一定的轉(zhuǎn)角，故走行輪側(cè)偏力一直存在側(cè)偏力。前后走行部左側(cè)走行輪徑向力均增大，右側(cè)走行輪徑向力均減小，左右輪增減載量較小。

圖10給出車輛以均衡速度分別通過各個曲線半徑的車體側(cè)滾角、導向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力和走行輪側(cè)偏力的穩(wěn)態(tài)最大值，其中曲線超高率設(shè)置為6%。可以看出：隨著曲線半徑的減小，車輛的側(cè)滾角、導向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力和走行輪側(cè)偏力均逐漸增大。

圖9 R100 m曲線走行部各輪載荷變化曲線

2.3 運行平穩(wěn)性

這里采用Sperling指標來評價該新型跨坐式單軌車輛的平穩(wěn)性。由于缺少跨坐式單軌車輛的軌道不平順譜相關(guān)資料，這里采用ISO 8608標準A級公路譜譜來模擬軌道不平順，得到車輛在直線上運行的加速度，然后按GB 5599-85方法處理后得到Sperling指標。

圖11給出了在ISO 8608標準A級公路譜激勵下(激勵譜系數(shù)分別取0.5和1)，車輛在各速度級的橫向和垂向Sperling指標值。從圖11中看出：隨著速度的增加，車輛的運行平穩(wěn)性逐漸變差；軌道譜系數(shù)為0.5，在90 km/h的速度范圍內(nèi)車輛橫向和垂向平穩(wěn)性指標均小于2.5，平穩(wěn)性等級為優(yōu)秀；軌道譜系數(shù)為1，在90 km/h 的速度范圍內(nèi)車輛橫向和垂向平穩(wěn)性指標均小于2.5，平穩(wěn)性等級為優(yōu)秀。

圖11 車輛的Sperling指標

3 結(jié) 論

文中設(shè)計了一種基于轉(zhuǎn)臂式搖枕的跨坐式單軌車輛單軸走行部，其懸掛方式采用轉(zhuǎn)臂式搖枕空氣彈簧結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)垂向減振；橫向懸掛采用吊桿，依靠吊桿的橫向擺動提供橫向彈性，依靠吊桿的縱向擺動適應曲線通過時車體與轉(zhuǎn)向架的變位；牽引電機設(shè)置在構(gòu)架側(cè)梁的外側(cè)，減速齒輪裝置與牽引電機分別設(shè)置在走行輪的兩側(cè)。

利用多體動力學軟件UM建立跨坐式單軌車輛動力學模型，通過仿真分析其動力學性能。動力學分析表明：文中設(shè)計的跨坐式單軌車輛具有良好的曲線通過性能；軌道譜系數(shù)分別為0.5和1時，90 km/h的速度范圍內(nèi)單軌車輛的垂向和橫向平穩(wěn)性指標均為優(yōu)秀。

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