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        穩(wěn)定輪失效對跨坐式單軌車輛運(yùn)行安全性及舒適性的影響

        2018-04-27 07:17:46杜子學(xué)何欽洪
        城市軌道交通研究 2018年3期
        關(guān)鍵詞:載率平穩(wěn)性輪軌

        杜子學(xué) 何欽洪

        (重慶交通大學(xué)軌道交通研究院,400074,重慶∥第一作者,教授)

        水平輪總成裝置(又稱導(dǎo)向穩(wěn)定裝置)是跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的重要組成部分,能保證車輛的橫向平穩(wěn)性,防止車輛傾覆,確??缱絾诬壾囕v沿軌道正常行駛[1]。為了保證在水平輪輪胎無氣時列車能夠安全地運(yùn)行到最近站點(diǎn)或檢修基地,水平輪均裝備有安全輪。正常情況下,輔助輪半徑小于水平輪半徑,且處于不工作狀態(tài)。

        一旦穩(wěn)定輪出現(xiàn)故障,車輛將加劇側(cè)滾,若同時遇到橫向強(qiáng)風(fēng),將對車輛安全性及乘坐舒適性造成顯著影響。所以本文建立穩(wěn)定輪失效而設(shè)置安全輪的車輛動力學(xué)模型,通過運(yùn)行安全性及舒適性指標(biāo),分析評價失效后車輛在橫風(fēng)下的運(yùn)行安全性及乘坐舒適性[2]。

        1 橫風(fēng)下穩(wěn)定輪失效的跨坐式單軌車輛動力學(xué)模型

        本文將車體和轉(zhuǎn)向架假定為剛體,通過Simpack軟件建立1個27自由度的多剛體動力學(xué)車輛模型[3],如圖 1 所示。

        圖1 跨坐式單軌車輛動力學(xué)計(jì)算模型

        為便于分析,將橫風(fēng)作用點(diǎn)移至車體重心位置,當(dāng)橫風(fēng)力從風(fēng)壓中心平移到重心后會產(chǎn)生附加的力矩。本文設(shè)置橫風(fēng)等級為6級強(qiáng)風(fēng)。

        2 跨坐式單軌車輛運(yùn)行安全性及乘坐舒適性評價指標(biāo)

        2.1 安全性評價指標(biāo)

        2.1.1 減載率

        跨坐式單軌車輛抗側(cè)滾能力主要由走行輪和水平輪提供,因此采用走行輪和水平輪減載率來衡量傾覆穩(wěn)定性。

        式中:

        P——左右側(cè)走行輪(水平輪)的平均輪重;

        ΔP——走行輪(水平輪)的輪重減載量;

        Pz——增載側(cè)走行輪(水平輪)垂向力;

        Pj——減載側(cè)走行輪(水平輪)垂向力。

        GB 5599—1985規(guī)定,減載率第一限度應(yīng)小于等于0.65,第二限度應(yīng)小于等于0.6。

        2.1.2 輪軌橫向力及傾覆力矩

        車輛與軌道梁之間的輪軌力由錨桿傳遞到支座[5]。當(dāng)車輛出現(xiàn)較大外傾或較大內(nèi)傾時,錨桿容易發(fā)生破壞。為便于計(jì)算,假設(shè)列車在直線段處于惡劣工況(一側(cè)導(dǎo)向輪脫軌,另一側(cè)穩(wěn)定輪脫軌),此時軌道梁及支座的橫向受力如圖2所示。

        圖2 軌道梁及支座橫向受力分析簡圖

        圖2中,F(xiàn)d為導(dǎo)向輪橫向力;Fw為穩(wěn)定輪橫向力;FA和FB為前后支座橫向反力;γ為轉(zhuǎn)向架側(cè)傾角;s為走行輪間距;h為右側(cè)走行輪支點(diǎn)到轉(zhuǎn)向架橫梁的垂距;L1和L2為右側(cè)走行輪支點(diǎn)分別到橫梁投影到轉(zhuǎn)向架橫梁左側(cè)及右側(cè)的距離;Ld和Lw分別為導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪質(zhì)心到轉(zhuǎn)向架橫梁的垂距;Δy為轉(zhuǎn)向架橫移量。

        假設(shè)4個錨桿均勻受力,根據(jù)力矩及橫向力平衡得:

        經(jīng)計(jì)算,F(xiàn)≤81 kN。

        根據(jù)輪軌傾覆力矩分析,有:

        式中:

        B——錨桿橫向間距;

        Fm——錨桿承受的拉力;

        M——輪軌傾覆力矩。經(jīng)計(jì)算,M ≤ 259.67 kN·m。

        綜上,軌道梁能承受的最大橫向力Fmax=81 kN,最大傾覆力矩M=259.67 kN·m。

        由于曲線段存在曲率變化,故水平輪橫向力不能同時達(dá)到最大值。當(dāng)個別水平輪達(dá)到限值時,錨桿仍不會被破壞,因此,曲線段的列車輪軌橫向力及傾覆力矩也應(yīng)小于上述最大值。

        2.1.3 外傾臨界側(cè)滾角

        跨坐式單軌車輛具有獨(dú)特的走行機(jī)理,只有一側(cè)導(dǎo)向輪移動到軌面上才能導(dǎo)致傾覆[6-7]。假設(shè)一側(cè)導(dǎo)向輪中心與走行面平齊(上移0.16 m),此時轉(zhuǎn)向架處于臨界傾覆狀態(tài),臨界側(cè)傾角應(yīng)滿足以下關(guān)系:

        求得臨界傾覆狀態(tài)的γ=8.4°,并規(guī)定該值為轉(zhuǎn)向架側(cè)滾限值。

        2.2 舒適性評價指標(biāo)

        2.2.1 未平衡離心加速度

        TB/T 2360—1993規(guī)定,機(jī)車以不同限制速度通過不同半徑曲線時,車體未被平衡的離心加速度aec應(yīng)符合:aec≤ 0.784 m/s2。

        2.2.2 平穩(wěn)性指數(shù)

        GB 5599—1985規(guī)定,客車運(yùn)行平穩(wěn)性按照平穩(wěn)性指數(shù)W評價(評價標(biāo)準(zhǔn)見表1)。W的經(jīng)驗(yàn)公式為:

        式中:

        A——振動加速度,m/s2;

        f——振動頻率,Hz;

        F(f)——頻率修正系數(shù)。

        表1 客車運(yùn)行平穩(wěn)性等級評價標(biāo)準(zhǔn)

        3 橫風(fēng)條件下穩(wěn)定輪失效的跨坐式單軌車

        輛安全性及舒適性分析

        參考實(shí)際運(yùn)行情況,確定仿真工況為:滿載、36 km/h車速、線路曲線半徑為100 m及6級橫風(fēng)作用(加劇外傾方向)。采用Simpack軟件進(jìn)行仿真。

        3.1 安全性分析

        安全性仿真結(jié)果如圖3~5所示。

        從圖3~5可見,列車在直線段時因受側(cè)風(fēng)作用,車體向右傾斜,故右側(cè)走行輪垂向力大于左側(cè),導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪一側(cè)受力減小,另一側(cè)受力增大。列車通過曲線時,左右側(cè)走行輪垂向力大小差別加劇,導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪一側(cè)脫軌。走行輪減載率最大為0.365(小于0.6),導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪減載率最大為1(大于0.65),可見,此時車輛抗傾覆穩(wěn)定性較差。

        導(dǎo)向輪最大橫向力為22 kN,穩(wěn)定輪最大橫向力為29 kN,均小于81 kN,滿足限值要求。

        由車體側(cè)傾引起的各力作用點(diǎn)偏移很小,相對于力臂可忽略,所以計(jì)算時不予考慮。計(jì)算得到,最大傾覆力矩為159.2 kN·m,出現(xiàn)在彎道,滿足限值要求。

        根據(jù)前后轉(zhuǎn)向架側(cè)傾角模擬結(jié)果。轉(zhuǎn)向架最大側(cè)傾角為1.3°,未超過臨界側(cè)傾角,滿足要求。

        3.2 曲線段的列車舒適性分析

        曲線工況的基本參數(shù)同上,添加路面不平度激勵,通過仿真,得車體未平衡的最大離心加速度為aec=1.581 1 m/s2,遠(yuǎn)大于規(guī)定值。

        3.3 直線段的列車舒適性分析

        采用仿真工況,添加路面不平度激勵進(jìn)行列車舒適性仿真計(jì)算。仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        圖3 前、后轉(zhuǎn)向架走行輪垂向力

        圖4 前、后轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪橫向力

        圖5 前、后轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定輔助輪橫向力

        表2 舒適性仿真計(jì)算結(jié)果及評價

        4 結(jié)語

        本文建立了穩(wěn)定輪失效輔助輪正常工作的跨坐式單軌車輛的動力學(xué)模型,對車輛在特定工況下的運(yùn)行安全性和乘坐舒適性進(jìn)行了分析。

        在安全性方面,只有水平輪減載率超出限值,其余指標(biāo)均符合規(guī)定。這表明失效車輛可以安全運(yùn)行,但其抗傾覆穩(wěn)定性較差,運(yùn)行工況較惡劣。

        從舒適性考慮,車體未平衡加速度已經(jīng)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn);車速為45 km/h時的橫向和垂向平穩(wěn)性評價結(jié)果合格,車速為60 km/h時的橫向平穩(wěn)性評價結(jié)果合格,其余結(jié)果均不合格。可見車輛正常運(yùn)行速度時的乘客乘坐舒適性較差,應(yīng)減速行駛。

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

        [2] HIROAKI S.The comfortable evaluation of trains[J].Foreign Rolling Stock.1999,(2):26.

        [3] 任利慧,周勁松,沈鋼.跨坐式獨(dú)軌車輛動力學(xué)模型及仿真[J].中國鐵道科學(xué),2004,25(5):26.

        [4] 馬衛(wèi)華,王自力.抗脫軌穩(wěn)定性的評定方法及實(shí)際[J].鐵道車輛,2004,42(8):1.

        [5] 川喜田効.跨坐式モのレールとその特徴[J].電気車の科學(xué),1974,27(4):45.

        [6] 汪宏雁,董文灝.客車側(cè)翻的運(yùn)動學(xué)分析[J].交通科學(xué)與工程,2012,28(3):60.

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