王孔明 魏德豪 徐銀光 范 琪 孫付春
(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,610031,成都;2.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610106,成都//第一作者,高級(jí)工程師)
懸掛式單軌也稱“空軌”、“空鐵”,是近年來在我國興起的一種單軌交通系統(tǒng)。其具有地形適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)營安全可靠、環(huán)境適應(yīng)性好、景觀效果好、造價(jià)低、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)[1-2],具有廣闊的應(yīng)用前景。我國已有20多個(gè)城市和景區(qū)對(duì)懸掛式單軌進(jìn)行了規(guī)劃和前期研究。陜西韓城市懸掛式單軌交通系統(tǒng)將是國內(nèi)首條商業(yè)運(yùn)營線,現(xiàn)正進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)[3]。
懸掛式單軌車輛結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的輪軌車輛,懸掛式單軌車輛的車體懸吊于走行部下方,車體在通過曲線或遇到側(cè)風(fēng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)滾[4]。若車體側(cè)滾角過大,會(huì)降低乘坐舒適性,增大車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線尺寸,增加工程建設(shè)投資。因此,有必要對(duì)車輛側(cè)滾狀態(tài)進(jìn)行分析,并設(shè)置側(cè)滾止擋對(duì)其加以限制。
鑒于懸掛式單軌車輛目前尚處于研制階段,缺乏工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和車輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),故車輛側(cè)滾止擋合理的設(shè)置方案亦處于技術(shù)空白,有待進(jìn)行系統(tǒng)性的研究確定。本文結(jié)合陜西韓城懸掛式單軌交通1號(hào)線工程設(shè)計(jì)實(shí)際需求,建立SIMPACK動(dòng)力學(xué)仿真模型,對(duì)比分析不同工況下車體的側(cè)滾情況,據(jù)此研究確定適當(dāng)?shù)膫?cè)滾角限值并設(shè)置側(cè)滾止擋。該研究結(jié)果已應(yīng)用于韓城懸掛式單軌項(xiàng)目車輛選型和工程設(shè)計(jì)。
韓城懸掛式單軌交通1號(hào)線位于陜西韓城市境內(nèi),起于龍亭機(jī)場,止于西韓城際站,線路全長約27.9 km。其中,一期工程為龍亭機(jī)場至古城游客中心,線路長約16.2 km,最高運(yùn)行速度為50 km/h。
工程正線全線共設(shè)半徑大小不等的水平曲線20處,其中最小曲線半徑為200 m,最大曲線半徑為800 m。車輛基地及出入段線曲線半徑為50 m。
韓城懸掛式單軌車輛懸吊于鋼制箱型軌道梁下方運(yùn)行,轉(zhuǎn)向架置于軌道梁內(nèi),走行輪和導(dǎo)向輪均為實(shí)心橡膠輪。列車采用全動(dòng)車3節(jié)固定編組形式,DC 750 V接觸軌供電。列車全長33.45 m,車體寬2.4 m,最大軸重為5.5 t。
懸掛式單軌車輛的結(jié)構(gòu)和原理與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌車輛有相似之處,但兩者的輪軌關(guān)系明顯不同,其與道路車輛更為接近。本文分析韓城懸掛式單軌車輛的結(jié)構(gòu)及走行原理,利用SIMPACK軟件建模并進(jìn)行仿真分析。
2.2.1 車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
懸掛式單軌車輛系統(tǒng)主要由軌道梁、走行部、車體等組成。車輛運(yùn)行時(shí),走行部在箱型軌道梁內(nèi)運(yùn)行,走行輪與軌道梁走行面接觸,起到承載車輛系統(tǒng)垂向力和傳遞牽引制動(dòng)力的作用;導(dǎo)向輪和軌道梁導(dǎo)向面接觸,起導(dǎo)向作用。走行部通過搖枕與車體頂部相連接。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。
a) 正視圖b) 側(cè)視圖
2.2.2 走行部結(jié)構(gòu)
懸掛式單軌車輛走行部主要包括構(gòu)架、搖枕、空氣彈簧、齒輪箱、牽引電機(jī)、一系橡膠彈簧、走行輪、導(dǎo)向輪等。在走行部中,構(gòu)架是其他部件的安裝基礎(chǔ),齒輪箱的兩端分別通過彈性節(jié)點(diǎn)和一系橡膠彈簧與構(gòu)架相連。走行輪和導(dǎo)向輪均為實(shí)心橡膠輪胎,走行輪安裝于齒輪箱兩側(cè),導(dǎo)向輪共4組,每組2個(gè)。構(gòu)架下端通過1個(gè)中心銷與搖枕相連,兩者之間還裝有斜置減振器。車體通過空氣彈簧吊掛于搖枕上,其間還裝有橫向減振器、垂向減振器和牽引拉桿。
2.3.1 車輛仿真參數(shù)
韓城懸掛式單軌1號(hào)線車輛動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)如表1所示。
2.3.2 車輛仿真模型
根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù),利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立韓城懸掛式單軌1號(hào)線車輛的動(dòng)力學(xué)模型。由于車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多,為提高計(jì)算效率,根據(jù)研究目的對(duì)車輛模型進(jìn)行了簡化。將車體、構(gòu)架、搖枕等結(jié)構(gòu)件視作剛體.空氣彈簧、減振器等看作是線彈性元件??紤]到懸掛式單軌車輛獨(dú)特的輪軌關(guān)系,以及實(shí)心橡膠輪胎的側(cè)偏和滑轉(zhuǎn)特性,走行輪采用Pacejka模型計(jì)算。
表1 車輛主要參數(shù)
由于SIMPACK軟件固有的局限,無法建立非垂向輪胎力元,導(dǎo)向輪只能通過構(gòu)架和導(dǎo)向軌之間的單邊接觸力來近似模擬。懸掛式單軌車輛動(dòng)力學(xué)關(guān)系拓?fù)錁?gòu)型如圖2所示。圖2中,車體、構(gòu)架、車軸、搖枕分別有6個(gè)自由度,走行輪、齒輪箱只有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,單節(jié)車輛共66個(gè)自由度。
圖2 車輛拓?fù)錁?gòu)型
懸掛式單軌車輛在運(yùn)行過程中,走行輪與導(dǎo)向輪受到軌道不平順作用引起的振動(dòng)會(huì)向下傳遞到車體,進(jìn)而使車體出現(xiàn)晃動(dòng)。為了更真實(shí)地反映車輛運(yùn)行過程中的側(cè)滾情況,本文在動(dòng)力學(xué)模型中加入了軌道不平順激勵(lì)。
由于懸掛式單軌車輛的走行原理與汽車更加接近,本文主要參考公路路面不平順的相關(guān)研究,用路面功率譜密度來描述路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性[5]。使用空間頻率來表征路面功率譜密度的表達(dá)式為:
Gd(n)=Gd(n0)·(n/n0)-w
(1)
式中:
Gd(n0)——參考空間頻率下的路面功率譜密度;
n——空間頻率;
n0——參考空間頻率,取0.1 m-1;
w——頻率指數(shù),取值為2。
本文選擇B級(jí)公路路面作為軌道不平順激勵(lì)來進(jìn)行仿真研究。
仿真計(jì)算中,為了反映車輛在實(shí)際線路上的動(dòng)力學(xué)特性,曲線半徑選擇實(shí)際線路設(shè)計(jì)值,相應(yīng)的緩和曲線長度也取實(shí)際線路設(shè)計(jì)值,全線不設(shè)置曲線超高。由此可得曲線工況設(shè)置,如表2所示。其中,50 m半徑曲線為出入段線曲線,其余為正線曲線,正線最小曲線半徑為200 m。車輛在出入段線曲線上限速為15 km/h,而在正線曲線上不限速,能夠以50 km/h的最高運(yùn)行速度通過曲線。為了分析較為惡劣的曲線工況,本文僅考慮200 m和300 m半徑曲線,不對(duì)大半徑曲線作分析。
表2 曲線設(shè)置
為反映實(shí)際線路上懸掛式單軌車輛的側(cè)滾狀態(tài),本文在動(dòng)力學(xué)分析過程中考慮了多種典型的計(jì)算工況。計(jì)算工況總體分為正常和故障兩大類:正常工況中考察側(cè)風(fēng)和曲線對(duì)車輛側(cè)滾的影響;故障工況中考察空簧失氣和斜置減振器失效的影響。
根據(jù)韓城懸掛式單軌工程設(shè)計(jì)文件規(guī)定[3],當(dāng)環(huán)境風(fēng)力達(dá)到9級(jí)時(shí),車輛需停運(yùn)。此時(shí)風(fēng)速為20.8~24.4 m/s,可折斷樹枝,會(huì)給車輛運(yùn)行帶來危險(xiǎn)。另外,有研究指出,單軌車輛在15 m/s風(fēng)速(7級(jí)風(fēng))時(shí),應(yīng)減速運(yùn)行[6]。本文在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中設(shè)置兩種側(cè)向風(fēng)力,分別為7級(jí)(風(fēng)壓120 N/m2)和9級(jí)(風(fēng)壓270 N/m2),且為了反映最不利狀態(tài),側(cè)向風(fēng)力始終垂直于車體并指向曲線外側(cè)。車輛動(dòng)力學(xué)仿真工況設(shè)置如表3、4所示。
在上述工況設(shè)置下,仿真得到懸掛式單軌車輛在各種條件下的側(cè)滾角最大值,如圖3、4所示。圖中,搖枕側(cè)滾角為相對(duì)于構(gòu)架的轉(zhuǎn)角,車體側(cè)滾角為相對(duì)于地面的轉(zhuǎn)角。
由圖3可知,正常情況下,車體和搖枕的側(cè)滾角幾乎相同,說明車體左右空簧的壓縮量差別不大;
表3 正常仿真工況設(shè)置
表4 故障仿真工況設(shè)置
圖3 正常工況車輛側(cè)滾狀態(tài)
圖4 故障工況車輛側(cè)滾狀態(tài)
其他參數(shù)相同時(shí),隨著風(fēng)力的增大,車體和搖枕的側(cè)滾角明顯增大;在無風(fēng)情況下,車體和搖枕的側(cè)滾角均未超過6°;風(fēng)力達(dá)7級(jí)時(shí),除半徑200 m曲線上車體側(cè)滾略超8°,其余均小于8°;風(fēng)力達(dá)9級(jí)時(shí),在半徑200 m曲線上,車體和搖枕的側(cè)滾角超過10°。
由圖4可知,內(nèi)側(cè)空簧失氣時(shí),車體側(cè)滾角大于搖枕側(cè)滾角,而外側(cè)空簧失氣時(shí),搖枕側(cè)滾角大于車體側(cè)滾角,說明單側(cè)空簧失氣會(huì)使車體和搖枕具有一個(gè)反向的初始側(cè)滾;斜置減振器失效后,無法衰減側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的能量,側(cè)滾角最大值顯著增大。
懸掛式單軌車輛因其特有的懸掛式結(jié)構(gòu),在通過曲線時(shí)車體能夠像鐘擺一樣自然地傾斜,這有助于減小乘客受到的離心力,提高乘坐的舒適性。但從仿真結(jié)果不難看出,懸掛式結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的穩(wěn)定性較差,在側(cè)風(fēng)作用下,車輛會(huì)發(fā)生明顯的側(cè)滾。當(dāng)車體的側(cè)滾角過大時(shí),不僅會(huì)影響乘坐的舒適性,還會(huì)增大車體的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線尺寸,增大線間距,增大工程投資。更嚴(yán)重的是車頂設(shè)備可能會(huì)與軌道梁結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞,從而引發(fā)事故,危及行車安全。
為了對(duì)車輛的側(cè)滾加以限制,需要在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與搖枕之間設(shè)置側(cè)滾止擋。側(cè)滾止擋主要起到在極端情況下限制搖枕最大側(cè)滾角度、保障車輛安全的作用,而在正常運(yùn)行狀態(tài)下?lián)u枕與側(cè)滾止擋不應(yīng)頻繁地發(fā)生接觸。
車輛在無故障、環(huán)境風(fēng)速小于7級(jí)時(shí),應(yīng)能正常運(yùn)行,止擋在此種情況下不應(yīng)與搖枕發(fā)生頻繁接觸。由圖3可知,在7級(jí)風(fēng)下,搖枕的最大側(cè)滾發(fā)生在車輛通過半徑200 m的曲線時(shí),此時(shí)的側(cè)滾角略小于8°。
另外,《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中規(guī)定:在正常情況下,允許未被平衡橫向加速度為0.4 m/s2;在瞬間情況下,允許短時(shí)出現(xiàn)未被平衡橫向加速度為0.5 m/s2。據(jù)此,可以算出懸掛式單軌車輛在通過半徑200 m曲線時(shí)的車體側(cè)滾角應(yīng)滿足:
(2)
式中:
α——車體側(cè)滾角。
計(jì)算可得車體側(cè)滾角允許范圍為3.3°≤α≤8.0°。
根據(jù)上述計(jì)算分析,結(jié)合車輛的限界要求,將側(cè)滾止擋的角度限值設(shè)置為8°較為合理。此時(shí),在環(huán)境風(fēng)速小于7級(jí)時(shí),車輛可正常運(yùn)行;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到7級(jí)后,車輛需減速運(yùn)行;當(dāng)空氣彈簧或斜置減振器出現(xiàn)故障時(shí),車輛也需要減速運(yùn)行。
圖5所示為韓城懸掛式單軌車輛側(cè)滾止擋的設(shè)置,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與搖枕通過中心銷相連并可繞中心銷相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),側(cè)滾止擋結(jié)構(gòu)設(shè)置于中心銷兩側(cè)構(gòu)架底部距轉(zhuǎn)動(dòng)中心150 mm處。
圖5 側(cè)滾止擋設(shè)置示意圖
車輛運(yùn)行過程中,車體和搖枕可繞中心銷相對(duì)構(gòu)架向左右兩個(gè)方向側(cè)滾,兩側(cè)的斜置減振器可以起到衰減側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的作用。當(dāng)側(cè)滾角度較小,未超過限值θ時(shí),構(gòu)架不與搖枕接觸,側(cè)滾止擋不發(fā)揮限位作用;當(dāng)車輛側(cè)滾角度過大,搖枕相對(duì)構(gòu)架轉(zhuǎn)角超過θ時(shí),搖枕頂部將與構(gòu)架底部接觸,起到限制進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。為了緩沖搖枕與構(gòu)架間的碰撞,在構(gòu)架底部兩側(cè)相應(yīng)位置安裝側(cè)滾止擋橡膠墊,同時(shí)考慮到橡膠墊的限位作用,其剛度不宜過小,選為10 MN/m。
鑒于我國懸掛式單軌車輛處于研制階段,尚缺乏側(cè)滾止擋設(shè)置標(biāo)準(zhǔn),懸掛式單軌交通工程項(xiàng)目大多考慮將車輛的側(cè)滾角度考慮為10°~13°。按此側(cè)滾角度設(shè)計(jì)的線路中心線與墩柱內(nèi)側(cè)距離約為2 400 mm,墩柱寬約900 mm,線間距則為5 700 mm。圖6為懸掛式單軌限界示意圖。
圖6 懸掛式單軌限界示意圖[3]
本文經(jīng)過計(jì)算分析,將韓城懸掛式單軌車輛側(cè)滾止擋設(shè)置為8°,則線路中心線與墩柱內(nèi)側(cè)的設(shè)計(jì)距離減小為2 050 mm,線間距減小為5 000 mm。相比于以往的設(shè)計(jì),線間距縮減約700 mm,可大幅降低工程投資、節(jié)約建設(shè)成本。
針對(duì)懸掛式單軌車輛獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和走行原理,本文建立了韓城懸掛式單軌交通1號(hào)線車輛的動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算分析了車輛在多種工況下的側(cè)滾狀態(tài),并以此為依據(jù)對(duì)車輛側(cè)滾止擋的設(shè)置做了研究分析,得出以下結(jié)論:
(1) 因采用獨(dú)特的懸掛式結(jié)構(gòu),車輛在受到離心力和側(cè)向風(fēng)作用時(shí),易產(chǎn)生較大的側(cè)滾角。
(2) 車輛的空氣彈簧和斜置減振器對(duì)車輛的姿態(tài)有較大的影響,當(dāng)空氣彈簧失氣時(shí),車體和搖枕會(huì)具有反向的初始側(cè)滾;當(dāng)斜置減振器失效時(shí),側(cè)滾角最大值顯著增大。
(3) 經(jīng)計(jì)算分析,需在構(gòu)架與搖枕之間設(shè)置側(cè)滾止擋,其角度限值宜設(shè)為8°。此限值既兼顧了乘客的乘坐舒適性,又能避免止擋在常規(guī)工況下發(fā)生頻繁碰撞。
(4) 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到7級(jí)后,車輛需減速運(yùn)行;當(dāng)空氣彈簧或斜置減振器出現(xiàn)故障時(shí),車輛也需要減速運(yùn)行。
(5) 設(shè)置側(cè)滾止擋能限制車輛的側(cè)滾角度,能有效減小車體的動(dòng)態(tài)輪廓,減少工程投資。