輕量化鉸接跨座式單軌列車(chē)故障工況動(dòng)力學(xué)性能研究

舒?zhèn)ッ?，王孔明，周建成，楊?yáng)

（1. 南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，南昌 330038；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，成都 610031；3.中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司大連研發(fā)中心，遼寧大連 116052）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通擁堵的城市病逐漸向中小城市蔓延。國(guó)內(nèi)中小型城市以及旅游景區(qū)對(duì)便捷高效、經(jīng)濟(jì)適用的交通系統(tǒng)需求急迫[1-2]?？缱浇煌ㄏ到y(tǒng)具有適應(yīng)能力強(qiáng)、噪聲低、占用道路資源少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到較多的應(yīng)用，對(duì)解決交通擁堵問(wèn)題起到顯著作用[3]。

傳統(tǒng)中大型跨座式交通系統(tǒng)建設(shè)成本較高，運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，使其在中小型城市以及旅游景區(qū)推廣和應(yīng)用受限。因此，亟需一種新型的輕量化跨座式單軌交通系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足廣闊的市場(chǎng)需求。

車(chē)輛作為軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，輕量化的列車(chē)是跨座式單軌交通系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化、經(jīng)濟(jì)適用的關(guān)鍵[4]。本研究提出一種新型的鉸接式跨座式單軌列車(chē)方案，分析列車(chē)在故障工況下的列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，并給出列車(chē)在故障工況下運(yùn)行建議。

1 鉸接跨座式單軌車(chē)輛方案

1.1 車(chē)輛編組

列車(chē)采用4輛編組，如圖1所示。列車(chē)共有5個(gè)轉(zhuǎn)向架，比傳統(tǒng)非鉸接式列車(chē)減少3個(gè)轉(zhuǎn)向架，有效地降低車(chē)輛總重，降低車(chē)輛投資。

圖1 列車(chē)編組圖

列車(chē)有鉸接轉(zhuǎn)向架和非鉸接轉(zhuǎn)向架兩種形式，兩端車(chē)前端坐落在非鉸接轉(zhuǎn)向架上，后端通過(guò)鉸接轉(zhuǎn)向架與另外一個(gè)車(chē)體相連接。中間車(chē)輛兩車(chē)體共用一個(gè)轉(zhuǎn)向架。在進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性分析時(shí)，前后觀測(cè)點(diǎn)以及1位、4位轉(zhuǎn)向架在圖1中標(biāo)出。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

列車(chē)主要技術(shù)參數(shù)列于表1，車(chē)輛采用4輛編組，列車(chē)兩端車(chē)鉤連掛面之間長(zhǎng)度為37.82 m，列車(chē)走行輪、減振器、沙漏簧剛度等參數(shù)通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化得到。

表1 列車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

在多體動(dòng)力學(xué)軟件UM中建立4編組鉸接式跨座式單軌列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。在動(dòng)力學(xué)模型考慮了輪胎剛度、沙漏彈簧剛度阻尼、減振器的阻尼特性、牽引拉桿和橫向止擋的力學(xué)特性等因素[5-6]。

圖2 非鉸接單軌轉(zhuǎn)向架

3 故障工況動(dòng)力學(xué)性能研究

輕量化鉸接跨座式單軌列車(chē)采用沙漏橡膠墊，沙漏橡膠墊性能相對(duì)穩(wěn)定，基本不會(huì)出現(xiàn)故障。因此本列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障為爆胎、垂向減振器失效和橫向減振器失效，分析不同工況條件下車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。

3.1 爆胎工況下

輕量化鉸接跨座式單軌列車(chē)所采用的車(chē)輪主要包括輪胎、防爆支撐體、輪轂、胎壓監(jiān)測(cè)裝置，以及輪轂與防爆支撐體之間的橡膠墊。當(dāng)輪胎爆胎時(shí)，內(nèi)部支撐體具有一定的支撐作用，保證車(chē)輛安全行駛。但是由于輪胎具有一定的減振作用，輪胎爆胎后車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性以及曲線(xiàn)通過(guò)性能將會(huì)受到一定的影響，對(duì)輪胎爆胎后不同條件下的車(chē)輛運(yùn)行性能進(jìn)行分析[7]。

3.1.1 直線(xiàn)sperling平穩(wěn)性指標(biāo)

分別計(jì)算各轉(zhuǎn)向架不同車(chē)輪爆胎情況下不同車(chē)輛的平穩(wěn)性指標(biāo)，運(yùn)行速度為30～70 km/h，在兩側(cè)導(dǎo)向面及走行面設(shè)置軌道不平順。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)端車(chē)非鉸接轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎時(shí)列車(chē)整體平穩(wěn)性指標(biāo)最差，端車(chē)的平穩(wěn)性指標(biāo)最大；其他輪胎爆胎后列車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)相似。因此，以圖1中1位、4位轉(zhuǎn)向架為例，給出輪胎爆胎情況下列車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)。

1位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)如圖3所示，爆胎情況下前后觀測(cè)點(diǎn)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)較正常工況下平穩(wěn)性指標(biāo)分別增加了約0.89～1.06和0.35～0.43，前后觀測(cè)點(diǎn)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)較正常工況下平穩(wěn)性指標(biāo)分別增加了約0.77～1.13和0.49～0.77。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，車(chē)輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均超過(guò)了GB 5599-85中優(yōu)等級(jí)的限定值2.5。

圖3 平穩(wěn)性指標(biāo)（1位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎）

4 位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)如圖4所示，爆胎情況下前后觀測(cè)點(diǎn)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)比正常工況下平穩(wěn)性指標(biāo)分別增加了約0.73 ～0.88和0.79～0.77，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)較正常工況下平穩(wěn)性指標(biāo)分別增加了約0.54 ～0.72和0.42～0.77。4位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性的影響小于1位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，車(chē)輛橫向指標(biāo)均超過(guò)了GB 5599 -85 中優(yōu)等級(jí)的限定值，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度為7 0 km/h時(shí)垂向平穩(wěn)性超過(guò)2.5。

圖4 平穩(wěn)性指標(biāo)（4位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎）

綜上分析，在任意輪胎爆胎的工況下，為保證人員運(yùn)行安全及車(chē)輛平穩(wěn)性要求，建議車(chē)輛運(yùn)行速度不超過(guò)40 km/h。

3.1.2 曲線(xiàn)通過(guò)性能

對(duì)不同轉(zhuǎn)向架、不同輪胎爆胎情況進(jìn)行分析，以4位轉(zhuǎn)向架為例，研究列車(chē)運(yùn)行速度為20～40 km/h時(shí)單一輪胎爆胎通過(guò)100 m半徑曲線(xiàn)時(shí)輪軌垂向力、導(dǎo)向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力、修訂的傾覆系數(shù)等指標(biāo)變化。為方便描述，定義轉(zhuǎn)向架曲線(xiàn)外側(cè)前車(chē)輪為1號(hào)輪、曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)前車(chē)輪為2號(hào)輪、曲線(xiàn)外側(cè)后車(chē)輪為3號(hào)輪、曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)后車(chē)輪為4號(hào)輪。

1～4號(hào)單一車(chē)輪爆胎其他車(chē)輪輪軌垂向力計(jì)算結(jié)果如圖5所示，分析可知，爆胎后輪軌作用力最大值約為正常工況下的2倍。主要是由于原來(lái)有2個(gè)輪胎承擔(dān)的力，爆胎后將變成由1個(gè)車(chē)輪承擔(dān)。輪胎故障后將會(huì)對(duì)另外一個(gè)輪胎提出更高的要求，在進(jìn)行車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮輪胎在故障工況下的承載能力。

圖5 輪軌垂向力

1～4 號(hào)單一車(chē)輪爆胎情況下，導(dǎo)向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力、修訂的傾覆系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。比正常工況下導(dǎo)向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力、修訂的傾覆系數(shù)均大幅增加，當(dāng)速度為35 km/h時(shí)，修訂的傾覆系數(shù)大于1，說(shuō)明穩(wěn)定輪已經(jīng)脫離軌面，運(yùn)行不再安全。因此建議車(chē)輪胎爆胎工況下運(yùn)行速度不超過(guò)30 km/h。

圖6 導(dǎo)向輪徑向力

圖8 修訂的傾覆系數(shù)

根據(jù)上述方法研究不同曲線(xiàn)半徑輪胎爆胎條件下列車(chē)限速情況，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)曲線(xiàn)半徑大于200 m時(shí)，列車(chē)運(yùn)行速度建議小于40 km/h。

圖7 穩(wěn)定輪徑向力

3.2 垂向減振器失效

分別研究不同轉(zhuǎn)向架不同位置垂向減振器失效對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響，計(jì)算結(jié)果顯示，不同減振器失效對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響基本相同。某位置減振器失效后前后觀測(cè)點(diǎn)的橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)如圖9～圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示，單一減振器失效列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性變差，在設(shè)計(jì)速度80 km/h以下運(yùn)行時(shí)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5限值。

圖9 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖10 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

3.3 橫向減振器失效

橫向減振器失效對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響與垂向減振器失效對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)向影響規(guī)律相同。某位置橫向減振器失效后前后觀測(cè)點(diǎn)的橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)如圖11～圖12所示。計(jì)算結(jié)果顯示，單一減振器失效列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性變差，在設(shè)計(jì)速度80 km/h以下運(yùn)行時(shí)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5限值。

圖11 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖12 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

4 結(jié)論

利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件建立輕量化鉸接式跨座式單軌列車(chē)故障工況動(dòng)力學(xué)分析模型，研究列車(chē)在爆胎，垂向減振器、橫向減振器失效等工況下的列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能。分析結(jié)果顯示，爆胎直線(xiàn)工況下，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，車(chē)輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均超過(guò)優(yōu)等級(jí)的限定值2.5，推薦運(yùn)行速度不超過(guò)40 km/h。曲線(xiàn)工況時(shí)半徑大于200 m時(shí)列車(chē)運(yùn)行速度建議小于40 km/h，曲線(xiàn)半徑大于200 m時(shí)列車(chē)運(yùn)行速度不大于30 km/h。單一減振器失效，在設(shè)計(jì)速度80 km/h以下運(yùn)行時(shí)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5限值，列車(chē)可按正常工況下速度運(yùn)行。