跨坐式單軌鉸接式轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)分析

錢艷

摘 要：通過研究跨座式單軌和鉸接式轉(zhuǎn)向架的原理，設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用于跨座式單軌列車的鉸接式轉(zhuǎn)向架。利用ADAMS建立三車四轉(zhuǎn)向架模型后進(jìn)行仿真，確定其最優(yōu)參數(shù)后，從列車的運(yùn)行平穩(wěn)性以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)跨座式單軌的鉸接式轉(zhuǎn)向架的性能，同時(shí)論證鉸接式轉(zhuǎn)向架在跨坐式單軌列車中運(yùn)用的可行性。

關(guān)鍵詞：跨坐式單軌;鉸接式轉(zhuǎn)向架;ADAMS;動(dòng)力學(xué)仿真

1前言

20世紀(jì)90年代末，我國(guó)從日本引進(jìn)跨坐式單軌交通技術(shù)，于2000年開始建設(shè)重慶軌道交通2號(hào)線，成為我國(guó)單軌交通建設(shè)的首條線路。鉸接式轉(zhuǎn)向架技術(shù)最早應(yīng)用于法國(guó)TGV高速列車，TGV是歐洲高速鐵路中研制最早、運(yùn)用考驗(yàn)時(shí)間最長(zhǎng)、世界上運(yùn)營(yíng)速度最高、試驗(yàn)速度多次創(chuàng)造世界紀(jì)錄、性能優(yōu)良的高速列車。然而目前，將鉸接式轉(zhuǎn)向架應(yīng)用于跨坐式單軌列車尚未出現(xiàn)相關(guān)研究，所以研究跨坐式單軌的鉸接式轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能十分有必要。

2鉸接式轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)

通過分析，可以得出鉸接式單軌列車主要運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為：

（1）車體具有伸縮、橫移、沉浮、點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾6個(gè)自由度，經(jīng)由中心銷和空氣彈簧與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相連。

（2）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架具有伸縮、橫移、沉浮、點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾6個(gè)自由度，其中，構(gòu)架與中心銷之間的減振器起減振作用，橫向止擋起止擋作用，牽引橡膠堆則起到傳遞動(dòng)力的作用。

（3）每臺(tái)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上安裝有兩根車軸，用于安裝橡膠輪胎，每個(gè)輪胎相對(duì)于構(gòu)架只考慮繞軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。

綜上，該動(dòng)力學(xué)模型中，鉸接式列車的運(yùn)動(dòng)自由度為（4+4+2）×4+6×7=82個(gè)自由度。

3鉸接式列車動(dòng)力學(xué)模型

通過分析單軌列車的運(yùn)行機(jī)理，聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立三車四轉(zhuǎn)向架的“車輛—輪胎—軌道梁”耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型。在三車四轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)模型中，頭尾車為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，故而頭尾車為動(dòng)車;而中間車兩端的轉(zhuǎn)向架為非動(dòng)力鉸接式轉(zhuǎn)向架，因此中車為拖車。

在所建動(dòng)力學(xué)模型中，將彈性變形相對(duì)懸掛系統(tǒng)變形可以忽略不計(jì)的部件（比如輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體等）均假設(shè)為剛體，仿真計(jì)算中不考慮彈性變形。建模過程中，對(duì)于兩端車的傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架與車體之間的由空氣彈簧、中心銷、中心銷座、橫向止擋、牽引橡膠堆、橫向油壓減振器實(shí)現(xiàn)縱向、垂向、橫向的連接;而鉸接式轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)建模，空氣彈簧與車體直接相連的部分，稱為支撐端，鉸接在支撐端上面的車體稱為鉸接端，二系懸掛均與支撐端車體連接。

4 仿真結(jié)果分析

利用ADAMS完成建模后，設(shè)定列車運(yùn)行工況為：軌道半徑R100，車速30km/h，路面屬性文件中空間功率譜密度 ，進(jìn)行仿真分析計(jì)算能夠得到其動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)。

軌道車輛運(yùn)行安全性由車輛動(dòng)力學(xué)性能決定。車輛的動(dòng)力學(xué)性能主要包括運(yùn)行平穩(wěn)性、穩(wěn)定性以及曲線通過性能。由于單軌車輛是軌道車輛的一種典型制式，而目前我國(guó)尚未建立單獨(dú)適用于單軌車輛的動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范，所以，本次計(jì)算分析將參考GB5599—85評(píng)價(jià)體系，對(duì)跨坐式單軌鉸接式轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)定和分析。

4.1? 運(yùn)行平穩(wěn)性

參照GB5599—85《軌道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，分析單軌車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。運(yùn)行平穩(wěn)性由平穩(wěn)性指數(shù)W評(píng)定，W的計(jì)算公式如下：

F（f） _頻率修正系數(shù)，取值參考表1

4.2? 運(yùn)行穩(wěn)定性

運(yùn)行工況為：導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪預(yù)壓力4900N;轉(zhuǎn)彎半徑R100;車速30km/h;仿真結(jié)果如下圖（按照前左、前右、后左、后右排序）：

a）轉(zhuǎn)向架1走形輪垂向力 b）轉(zhuǎn)向架2走形輪垂向力

c）轉(zhuǎn)向架3走形輪垂向力 d）轉(zhuǎn)向架4走形輪垂向力

由圖4.1可以得出以下結(jié)果：當(dāng)走形輪開始進(jìn)入曲線路段的時(shí)候，其垂向力會(huì)發(fā)生較大的變化，取相差最大的時(shí)刻計(jì)算其傾覆系數(shù)（D1、D2、D3 、D4 分別為轉(zhuǎn)向架1、2、3、4的傾覆系數(shù)）為：

滿足GB5599—85所規(guī)定的機(jī)車的機(jī)車容許傾覆系數(shù)D<0.8，說明將鉸接式轉(zhuǎn)向架應(yīng)用到跨坐式單軌車輛后，其抗傾覆穩(wěn)定性是足夠的。

5結(jié)論

1）本文首次運(yùn)用ADAMS建立了三車四轉(zhuǎn)向架的鉸接式單軌動(dòng)力學(xué)模型，并找出了模型相關(guān)較優(yōu)參數(shù)。

2）該動(dòng)力學(xué)模型能夠保證單軌列車的運(yùn)行安全性、運(yùn)行平穩(wěn)性以及穩(wěn)定性。

3）該模型并未達(dá)到最優(yōu)，為實(shí)現(xiàn)鉸接式轉(zhuǎn)向架在跨座式單軌更好應(yīng)用，還需要進(jìn)一步對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]任利惠，周勁松，沈鋼.跨座式獨(dú)軌車輛動(dòng)力學(xué)模型及仿真[J].中國(guó)鐵道科學(xué).2004

[2]M. Haiba， D.C. Barton， P.C. Brooks， M.C. Levesley， The development of an optimization algorithm

[3]杜子學(xué)，左長(zhǎng)永.基于MD ADAMS的跨坐式單軌車輛動(dòng)力學(xué)性能研究

[4]虞大聯(lián).輕軌車輛新型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)研究西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文

[5]王福天，楊國(guó)禎.鉸接式高速客車轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)與研究.鐵道學(xué)報(bào)，1997

[6]汪群生，曾京，董浩.基于SIMPACK鉸接式列車的動(dòng)力學(xué)性能分析

[7]卜繼玲，沈繼強(qiáng).鉸接式轉(zhuǎn)向架在城軌車輛中的應(yīng)用及其性能研究