簡支梁式單軌車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性研究

鄧有林 崔鈺敏

摘 要：為研究簡支梁式跨座式單軌車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)原理和動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立簡支梁式單軌車輛動(dòng)力學(xué)模型，與傳統(tǒng)的懸臂梁式單軌車輛進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明，簡支梁式單軌車輛與傳統(tǒng)懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，車輛的傾覆系數(shù)會(huì)增大，抗脫軌穩(wěn)定性變好，車體側(cè)滾角變大。關(guān)鍵詞：跨座式單軌車輛;動(dòng)力學(xué)仿真;運(yùn)行穩(wěn)定性中圖分類號：U232 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）01-95-02

Study on Operational stability?of Simple Supported Beam Monorail Vehicle

Deng Youlin， Cui Yumin

（?Research Institute of Rail Transit， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074?）

Abstract：?In order to study the running stability of the simply supported beam type straddle monorail vehicle， the multi-body dynamics principle and dynamics simulation software are used to establish the dynamic model of the simply supported beam monorail vehicle， which is compared with the traditional cantilever beam monorail vehicle. The analysis results show that compared with the traditional cantilever beam structure， the vehicle's overturning coefficient will increase， the antiderail?-ment stability will be better， and the vehicle body roll angle will be reduced.Keywords： Straddle monorail vehicle; Running wheel; stabilityCLC NO.：?U232 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2019）01-95-02

引言

傳統(tǒng)的跨座式單軌列車在我國已成功運(yùn)行多年，在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的懸臂梁式單軌車輛存在諸多問題，主要有走行輪偏磨嚴(yán)重，走行輪拆卸復(fù)雜等。為解決這些問題，前人從輪胎模型參數(shù)研究了偏磨^[1]，以及加入差速器等方法減小輪胎偏磨^[2]。但都沒有改變構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究，因此通過改變跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善單軌車輛輪胎偏磨，解決拆卸復(fù)雜的問題。

1 簡支梁式單軌車輛模型的建立

1.1?簡支梁式轉(zhuǎn)向架總成

簡支梁式跨座式單軌車輛雙軸轉(zhuǎn)向架完全可以避免上述缺點(diǎn)。這種轉(zhuǎn)向架的走行輪總成一端與動(dòng)力總成相連，另一端通過軸承座與構(gòu)架相連^[3]。

1.2?簡支梁式單軌車輛動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立自由度為37的車輛輪軌耦合動(dòng)力學(xué)模型，此模型包括一個(gè)車體子結(jié)構(gòu)模型，兩個(gè)轉(zhuǎn)向架子結(jié)構(gòu)模型。重慶軌道交通3號線車輛曲線運(yùn)行工況是在常規(guī)速度36km/h和極限速度43km/h安全通過半徑100m彎道。據(jù)此，本文研究選取36km/h和43km/h作為研究工況。

2?穩(wěn)定性能評價(jià)指標(biāo)

2.1?傾覆穩(wěn)定性

車輛經(jīng)過彎道時(shí)，走行輪的垂向力會(huì)發(fā)生變化，一側(cè)垂向力增載，一側(cè)垂向力減載。根據(jù)GB5599-1985的規(guī)定，車輛傾覆系數(shù)為D<0.8。

式（1）中 P_z—增載側(cè)走行輪垂向力;P_J—減載側(cè)走行輪垂向力。

2.2 抗脫軌穩(wěn)定性

跨座式單軌車輛通常運(yùn)行時(shí)車必然受到各種橫向力的作用，如風(fēng)力、離心力等。在這些橫向力作用下，會(huì)造成單軌車輛的各個(gè)輪胎力的變化，會(huì)使得車輛一側(cè)的導(dǎo)向輪增載，同側(cè)的穩(wěn)定輪減載，另一側(cè)的導(dǎo)向輪減載，而穩(wěn)定輪增載，當(dāng)橫向力大到某一值時(shí)，導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪可能會(huì)離開軌面^[4]。

2.3?臨界側(cè)滾角

跨座式單軌車輛因?yàn)榫哂歇?dú)特的機(jī)理，因此我們假設(shè)一側(cè)導(dǎo)向輪中心與走行面齊平（上移0.16m），此時(shí)轉(zhuǎn)向架處于臨界傾覆狀態(tài)，臨界側(cè)傾角應(yīng)滿足如下關(guān)系;

式（2）中L_d—導(dǎo)向輪質(zhì)心到轉(zhuǎn)向架橫梁的垂距;

L₁—走行輪支點(diǎn)在橫梁上的投影到轉(zhuǎn)向架橫梁的距離;

h—走行輪支點(diǎn)到轉(zhuǎn)向架橫梁的距離。

此時(shí)臨界傾覆狀態(tài)的γ=8.4°，并規(guī)定該值為轉(zhuǎn)向架臨界側(cè)滾限值。

3?簡支梁單軌車輛穩(wěn)定性研究

本文采用simpack軟件做動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算。

3.1 傾覆穩(wěn)定性分析

當(dāng)走行輪經(jīng)過曲線段時(shí)，其垂向力會(huì)有所變化，并且左右走行輪垂向力增減量相等。在36km/h的速度下，當(dāng)懸臂梁式單軌車輛的前右走行輪最大垂向力為67kN，前左走行輪最小垂向力為33kN ，此時(shí)的傾覆系數(shù)為0.34。簡支梁式單軌車輛前右走行輪最大垂向力70kN，而此時(shí)前左走行輪最小垂向力為29.9kN，這個(gè)時(shí)候車輛的傾覆系數(shù)為0.4。

我們再來比較43km/h的速度通過彎道時(shí)，此時(shí)車輛的走行輪的增減載明顯大于在36km/h時(shí)，懸臂梁式單軌車輛前右走行輪最大垂向力為70kN，前左走行輪最大垂向力為29kN，此時(shí)車輛的傾覆系數(shù)為0.41。簡支梁式單軌車輛前右走行輪載荷增加到72kN，前左走行輪減載到27.3kN，這個(gè)時(shí)候車輛的傾覆系數(shù)為0.45。

由此可以得出結(jié)論，改變轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架結(jié)構(gòu)后，簡支梁式單軌車輛的傾覆系數(shù)要比懸臂梁式單軌車輛的傾覆系數(shù)要大，但走行輪還在路面上行駛，在43km/h的速度下，傾覆系數(shù)依然遠(yuǎn)小于規(guī)定值0.8。

3.2?抗脫軌穩(wěn)定性受力分析

在36km/h速度下，懸臂梁式單軌車輛前轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪徑向力變化大，前轉(zhuǎn)向架前左導(dǎo)向輪橫向力增加到7.8kN，前右導(dǎo)向輪橫向力減少到2.5kN，車輛左側(cè)穩(wěn)定輪有一定的減載，右側(cè)穩(wěn)定輪增載。簡支梁式單軌車輛前左導(dǎo)向輪橫向力6.3kN，前右導(dǎo)向輪橫向力為3.7kN ，而穩(wěn)定輪過彎道時(shí)橫向力變化很小。

在43Km/h速度下，懸臂梁式單軌車輛轉(zhuǎn)向架右側(cè)兩個(gè)導(dǎo)向輪減載到0，說明此時(shí)車輛轉(zhuǎn)向架右側(cè)導(dǎo)向輪離開軌面，另一側(cè)導(dǎo)向輪增載到14000N，而穩(wěn)定輪左側(cè)減載到0，右側(cè)增載到12000N，此時(shí)車輛出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。這個(gè)時(shí)候車輛抗脫軌穩(wěn)定性較差。簡支梁式單軌車輛前轉(zhuǎn)向架中的前右導(dǎo)向輪橫向力減小到0，后右導(dǎo)向輪橫向力有較大減載，但未脫離軌面，前左側(cè)導(dǎo)向輪橫向力增加到10000N，后左導(dǎo)向輪橫向力增加到11000N，左側(cè)穩(wěn)定輪橫向力減小到2500N，右側(cè)穩(wěn)定輪橫向力增加到7500N。

綜上簡支梁式單軌車輛的抗脫軌穩(wěn)定性比懸臂梁式單軌車輛要好。

3.3?車體側(cè)滾角分析

當(dāng)車輛以36km/h運(yùn)行時(shí)，簡支梁式單軌車體側(cè)滾角達(dá)到1.3°。

車輛在43km/h速度下，簡支梁式車體側(cè)滾角達(dá)到2.0°。綜上，簡支梁式單軌車輛比懸臂梁單軌車輛側(cè)滾角大，但小于臨界側(cè)滾限值。

4?結(jié)語

通過對簡支梁式單軌車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析，簡支梁式單軌車輛動(dòng)力學(xué)性能與傳統(tǒng)懸臂梁單軌車輛有較大差別，主要表現(xiàn)在傾覆穩(wěn)定性變差，抗脫軌穩(wěn)定性變好，車體側(cè)滾角變大。

參考文獻(xiàn)

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[3]?杜子學(xué).簡支梁式跨座式單軌車輛雙軸動(dòng)力轉(zhuǎn)向架：中國， 201510 544945.4[P]2015-08-31.

[4] 王淵，孫守光，任尊松..橡膠輪轉(zhuǎn)向架車輛動(dòng)態(tài)曲線通過行為研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2003，25（3）40.