李天一，王伯銘，張德乾，曹 愷

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

空氣彈簧對(duì)懸掛式單軌車(chē)動(dòng)力學(xué)性能影響分析

李天一，王伯銘，張德乾，曹 愷

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

根據(jù)懸掛式單軌車(chē)輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)分析軟件建立懸掛式單軌車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型，分析空氣彈簧參數(shù)對(duì)該車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。重點(diǎn)分析空氣彈簧垂向剛度、橫向剛度、垂向阻尼對(duì)懸掛式車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性以及車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)空氣彈簧載荷、車(chē)輛側(cè)滾角的影響。

空氣彈簧參數(shù)；懸掛式單軌車(chē)輛；動(dòng)力學(xué)性能

0 引言

懸掛式單軌是一種中等運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)[1]。該交通系統(tǒng)的軌道梁是長(zhǎng)條狀的箱型梁，通過(guò)立柱懸掛在半空中。箱型梁內(nèi)部包括車(chē)輛運(yùn)行需要的供電、控制、走行軌和導(dǎo)向軌等系統(tǒng)。車(chē)輛的走行部位于軌道梁內(nèi)部，車(chē)體通過(guò)懸掛裝置吊在走行部下方。其中車(chē)輛走行部的走行輪和導(dǎo)向輪均采用充滿(mǎn)惰性氣體的橡膠輪胎，驅(qū)動(dòng)部分含有差速機(jī)構(gòu)，所以這種形式的交通系統(tǒng)具有建設(shè)速度快、成本低廉、運(yùn)行噪聲低、爬坡能力強(qiáng)和曲線半徑小等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]?？諝鈴椈墒菓覓焓絾诬壾?chē)輛的重要部件，對(duì)緩和沖擊、提高懸掛式單軌車(chē)輛舒適性以及車(chē)輛曲線通過(guò)性能有著重要的作用。本文重點(diǎn)對(duì)空氣彈簧對(duì)懸掛式單軌車(chē)動(dòng)力學(xué)性能影響進(jìn)行分析。

1 懸掛式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

懸掛式單軌車(chē)輛的走行部主要包括構(gòu)架、枕梁、空氣彈簧、齒輪箱、牽引電機(jī)、走行輪、導(dǎo)向輪、懸吊桿等，各部分在走行部中的位置詳見(jiàn)圖1。在走行部中，構(gòu)架是安裝其他部件的基礎(chǔ)，走行輪和空氣彈簧在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要的減振作用。

圖1 懸掛式單軌車(chē)輛走行部結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)懸掛式單軌車(chē)輛組成部分的特點(diǎn)以及各部之間的連接關(guān)系，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將導(dǎo)向輪、構(gòu)架、走行輪、懸吊桿、中心銷(xiāo)和枕梁等作為重點(diǎn)內(nèi)容，并根據(jù)不同部分間相互作用關(guān)系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。本文在SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立懸掛式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 SIMPACK軟件中建立的懸掛式單軌車(chē)輛模型

該模型為單節(jié)編組，包括一個(gè)車(chē)體、前后各一個(gè)轉(zhuǎn)向架以及連接車(chē)體和轉(zhuǎn)向架的懸掛系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和走行軌(Isys)之間具有6個(gè)自由度，走行輪和構(gòu)架之間具有繞y軸旋轉(zhuǎn)(β)的自由度。枕梁和中心銷(xiāo)之間有0個(gè)自由度。中心銷(xiāo)和構(gòu)架之間具有4個(gè)自由度，即沿y軸與z軸移動(dòng)、繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)(α)、繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(γ)。懸吊桿和中心銷(xiāo)具有繞x軸旋轉(zhuǎn)(α)自由度，車(chē)體與懸吊桿之間通過(guò)約束(限制x、y、z)連接在一起。車(chē)體和走行軌之間具有6個(gè)自由度?？諝鈴椈伞M向拉桿、減振器和止擋等均用力元模擬。該模型的動(dòng)力學(xué)拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。圖3中虛線框內(nèi)部為車(chē)輛的二系懸掛組成，由上到下依次為枕梁、中心銷(xiāo)和懸吊桿。

2 空氣彈簧參數(shù)對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

空氣彈簧是車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，具有衰減振動(dòng)、緩和沖擊等作用，對(duì)懸掛式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能影響顯著[3]。本文建立的動(dòng)力學(xué)模型中每個(gè)轉(zhuǎn)向架中心左、右側(cè)各設(shè)有一個(gè)空氣彈簧，空氣彈簧下端安裝在構(gòu)架上，上端與枕梁連接，枕梁通過(guò)中心銷(xiāo)、懸吊桿等連接到車(chē)體。

圖3 懸掛式單軌車(chē)輛仿真模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.1 平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算方法

判斷乘客乘坐車(chē)輛舒適程度的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)就是車(chē)輛運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)，它可以表現(xiàn)出車(chē)輛運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)人的影響。參照GB5599-85，平穩(wěn)性計(jì)算公式如下：

W=7.08×[A3F(f)/f]0.1.

(1)

其中：W為車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)；f為振動(dòng)的頻率，Hz；F(f)為頻率值的修正系數(shù)；A為測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)加速度，g。其中頻率修正系數(shù)的選擇參照GB5599-85的規(guī)定。

2.2 列車(chē)平穩(wěn)性觀測(cè)點(diǎn)的選擇

按照GB5599-85的要求，在評(píng)測(cè)車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)時(shí)，測(cè)點(diǎn)選取轉(zhuǎn)向架正上方距離中心一側(cè)1 m的車(chē)輛地板面上[4]。由于懸掛式單軌車(chē)輛車(chē)體位于轉(zhuǎn)向架正下方，按照標(biāo)準(zhǔn)選擇加速度測(cè)量點(diǎn)為圖4中所示B點(diǎn)和E點(diǎn)。為更加全面地評(píng)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，在結(jié)合懸掛式單軌車(chē)輛座椅等空間布置的前提下，增加駕駛室司機(jī)位置A點(diǎn)、車(chē)體中心點(diǎn)C、偏離車(chē)體中心點(diǎn)C1 m的D點(diǎn)以及距離轉(zhuǎn)向架最遠(yuǎn)(距離1.5 m)的乘客位置F點(diǎn)。

圖4 平穩(wěn)性測(cè)量點(diǎn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)沒(méi)有實(shí)際運(yùn)營(yíng)的懸掛式單軌車(chē)輛，此處借鑒國(guó)外的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況將車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)速度定為80 km/h。選擇美國(guó)6級(jí)譜作為軌道不平順的輸入激勵(lì)[5]。平穩(wěn)性測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同測(cè)量點(diǎn)的平穩(wěn)性

分析圖5可以得出，垂向平穩(wěn)性Wzz最大值出現(xiàn)在測(cè)量點(diǎn)A，為1.84，橫向平穩(wěn)性Wzy最大值出現(xiàn)在測(cè)量點(diǎn)F，為1.39，符合國(guó)標(biāo)中一級(jí)平穩(wěn)性的規(guī)定；并且，垂向和橫向最差的點(diǎn)并不重合，為了后續(xù)分析結(jié)果更加合理可靠，后續(xù)分析中分別測(cè)量A點(diǎn)和F點(diǎn)的平穩(wěn)性表現(xiàn)。

2.3 空氣彈簧對(duì)車(chē)輛直線運(yùn)行平穩(wěn)性的影響

本文研究的空氣彈簧參數(shù)包括垂向阻尼、橫向與垂向剛度。在模擬運(yùn)行的過(guò)程中，車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)速度為80 km/h，直線段的距離為0.3 km，在左、右軌道分別施加不平順激勵(lì)。

2.3.1 空氣彈簧垂向剛度對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響。

圖6為空氣彈簧垂向剛度在0.05 MN/m～0.7 MN/m的區(qū)間變化時(shí)，車(chē)輛A點(diǎn)與F點(diǎn)的垂向平穩(wěn)性與橫向平穩(wěn)性的變化曲線。從圖6中可以看出，懸掛式單軌車(chē)輛的垂向平穩(wěn)性由1.62增大至2.15，變化幅值為0.53；橫向平穩(wěn)性由1.28增大至1.62，變化幅值為0.34。這兩個(gè)指標(biāo)的最大值均未超過(guò)一級(jí)平穩(wěn)性的要求。通過(guò)對(duì)比變化幅值，可以看出垂向剛度對(duì)車(chē)輛的垂向平穩(wěn)性影響更加明顯。

圖6 空氣彈簧垂向剛度對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

2.3.2 空氣彈簧橫向剛度對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

圖7為空氣彈簧橫向剛度在0.05 MN/m～0.3 MN/m的區(qū)間變化時(shí)，車(chē)輛A點(diǎn)與F點(diǎn)的垂向平穩(wěn)性與橫向平穩(wěn)性的變化曲線。其中，垂向平穩(wěn)性的變化幅值為0.01，橫向平穩(wěn)性的變化幅值為0.3，并且兩個(gè)指標(biāo)的最大值均符合國(guó)標(biāo)中一級(jí)平穩(wěn)性的要求。通過(guò)對(duì)比兩個(gè)指標(biāo)的變化幅值可以看出，橫向剛度幾乎對(duì)垂向平穩(wěn)性沒(méi)有影響，對(duì)橫向平穩(wěn)性影響很顯著。

圖7 空氣彈簧橫向剛度對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

2.3.3 空氣彈簧阻尼對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

圖8為空氣彈簧阻尼在5 000 N·s/m～60 000 N·s/m的區(qū)間變化時(shí)，車(chē)輛A點(diǎn)與F點(diǎn)的垂向平穩(wěn)性與橫向平穩(wěn)性的變化曲線。從圖8(a)中可以看出：垂向平穩(wěn)性最小值為1.85，最大值為2.05，變化的幅值為0.2；A點(diǎn)與F點(diǎn)的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均出現(xiàn)了先降低后增加的趨勢(shì)，指標(biāo)的最小值出現(xiàn)在阻尼為22 500 N·s/m左右，在該阻尼下，車(chē)輛具有最佳的平穩(wěn)性。分析圖8(b)可以看出，橫向平穩(wěn)性最小值為1.25，最大值為1.58，變化幅值為0.33。兩個(gè)指標(biāo)的最大值均符合國(guó)標(biāo)一級(jí)平穩(wěn)性的要求。

圖8 空氣彈簧阻尼對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

3 空氣彈簧對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響

3.1 曲線設(shè)置

當(dāng)前國(guó)內(nèi)沒(méi)有實(shí)際運(yùn)營(yíng)的懸掛式單軌車(chē)輛，此處借鑒國(guó)外相關(guān)線路的情況，選擇較小的曲線半徑(R=50 m)進(jìn)行分析。在參照傳統(tǒng)鐵路和相關(guān)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)曲線通過(guò)工況設(shè)置如下：直線段100 m，緩和曲線段60 m，圓曲線段100 m，緩和曲線段60 m，直線段100 m，共計(jì)420 m。線路超高為外軌抬高7%。車(chē)輛的通過(guò)速度為35 km/h。

3.2 剛度對(duì)空氣彈簧載荷變化的影響

圖9為懸掛式單軌車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)，空氣彈簧剛度變化(0.1 MN/m～0.7 MN/m)對(duì)空氣彈簧載荷的影響。由圖9可以看出車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)，兩側(cè)空氣彈簧載荷呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，即一側(cè)增載，一側(cè)減載。當(dāng)剛度在0.1 MN/m～0.7 MN/m間變化時(shí)，隨空氣彈簧剛度的逐漸增大，左側(cè)空氣彈簧載荷的最大值逐漸增大，右側(cè)空氣彈簧載荷的最小值逐漸減小。當(dāng)剛度取值為0.7 MN/m時(shí)，左、右側(cè)空氣彈簧載荷變化最大，增載率和減載率分別為10.7%與8.9%。

3.3 剛度對(duì)車(chē)輛側(cè)滾角的影響

圖10為車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)，空氣彈簧剛度變化(0.1 MN/m～0.7 MN/m)對(duì)車(chē)體側(cè)滾角的影響。車(chē)輛在直線行駛時(shí)，車(chē)輛不會(huì)發(fā)生側(cè)滾，進(jìn)入曲線后，側(cè)滾角逐漸增大，在圓圈線段，側(cè)滾角達(dá)到最大值，然后逐漸減小并趨于零。隨著空氣彈簧剛度增加，最大側(cè)滾角

逐漸減小。在空氣彈簧剛度變化范圍(0.1 MN/m～0.7 MN/m)內(nèi)，側(cè)滾角最大值為0.05 rad，約為2.9°。由此可以看出空氣彈簧對(duì)車(chē)輛側(cè)滾的影響并不顯著。

圖9 不同剛度的空氣彈簧載荷變化曲線

圖10 空氣彈簧剛度對(duì)車(chē)體側(cè)滾角β的影響

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 懸掛式單軌車(chē)輛的平穩(wěn)性受空氣彈簧參數(shù)的影響顯著，對(duì)車(chē)輛垂向平穩(wěn)性影響最大的是空氣彈簧的垂向剛度和阻尼，對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性影響最顯著的是空氣彈簧的橫向剛度。在仿真參數(shù)變化范圍內(nèi)，懸掛式單軌車(chē)輛的平穩(wěn)性均符合GB5599-85的一級(jí)要求，具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。

(2) 車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)，構(gòu)架兩側(cè)空氣彈簧一側(cè)載荷增大，一側(cè)載荷減??；載荷變化的幅值隨空氣彈簧的剛度的增大而增大。

(3) 車(chē)輛在曲線上的最大側(cè)滾角隨空氣彈簧剛度增加逐漸減??；車(chē)輛的側(cè)滾角最大值較小，空氣彈簧剛度對(duì)車(chē)輛的側(cè)滾角影響不顯著。

[1] 許文超.懸掛式單軌車(chē)動(dòng)力學(xué)性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014:1-2.

[2] 胡曉玲.懸掛式單軌車(chē)輛曲線通過(guò)性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013:2-3.

[3] 王伯銘.高速動(dòng)車(chē)組總體及轉(zhuǎn)向架[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[4] 鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量所.GB/T5599-85鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986:1-32.

[5] 鄭凱飛，沈剛.基于SIMPACK的四軸電力機(jī)車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性分析[J].城市軌道交通研究，2012(1)：80-82.

Influence of Air Spring on Dynamic Performance of Suspended Monorail Vehicle

LI Tian-yi, WANG Bo-ming, ZHANG De-qian, CAO Kai

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the influence of air spring parameters on the dynamic performance of suspended monorail vehicle，a model of suspended monorail vehicle was built in the SIMPACK dynamic software on the basis of vehicle structural characteristics. The study focused on the influences of the vertical stiffness, lateral stiffness and vertical damping of air spring on the riding stability, the air spring load and vehicle roll angle on curve passing.

air spring parameters; suspended monorail vehicle; dynamic performance

1672- 6413(2015)06- 0051- 03

2015- 01- 16；

2015- 07- 16

李天一(1989-)，男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，研究方向：車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

TP391.7

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