顏永風(fēng)，彭 軒

(株洲中車特種裝備科技有限公司技術(shù)中心，湖南 株洲 412001)

跨座式單軌游覽列車由于采用橡膠走行輪胎，因此具有爬坡能力強(qiáng)和運(yùn)行噪聲低的優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來(lái)在機(jī)場(chǎng)、景區(qū)等場(chǎng)所得到了廣泛運(yùn)用?？缱絾诬売斡[列車雖然速度較低，但是由于線路條件較差，同時(shí)曲線半徑較小，因此普遍存在運(yùn)行平穩(wěn)性較差的問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)跨座式單軌車輛的平穩(wěn)性已開(kāi)展了較多研究[2-5]，但由于本文研究的單軌游覽列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的跨座式單軌轉(zhuǎn)向架有較大區(qū)別，因此關(guān)于這種轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的研究較少。本文以DH10/12(4)Ⅱ型跨座式單軌游覽車為研究對(duì)象，通過(guò)建立車輛多剛體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)單軌車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)并分析懸掛參數(shù)對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，最終使轉(zhuǎn)向架方案滿足平穩(wěn)性要求。

1 列車及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)介紹

DH10/12(4)Ⅱ型單軌游覽列車為4節(jié)車廂固定編組，設(shè)有1節(jié)頭車車廂、2節(jié)中間車廂和1節(jié)尾車車廂，單司機(jī)室操作與控制，全長(zhǎng)約22 m，總載客人數(shù)為46人(含1名司機(jī))。列車主要由碰撞緩沖車鉤、非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、頭車車廂、動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、中間車廂、尾車車廂和電氣控制部分組成，如圖1所示。

DH10/12(4)Ⅱ型單軌游覽列車一共有5個(gè)轉(zhuǎn)向架，其中包括2個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和3個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架為不帶驅(qū)動(dòng)力及制動(dòng)力的轉(zhuǎn)向架，用于承受車廂部分載荷，分別布置于列車前后車廂的底部，通過(guò)懸掛彈簧及中心銷與車廂底架連接，如圖2所示。

圖1 單軌游覽列車編組示意圖

動(dòng)力轉(zhuǎn)向架為帶驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的轉(zhuǎn)向架，在承受車廂載荷的同時(shí)可以為列車提供驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力，布置于車廂與車廂之間。通過(guò)懸掛彈簧和牽引裝置與兩端車廂連接，懸掛彈簧傳遞車廂的垂向載荷至轉(zhuǎn)向架，牽引裝置將轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力等縱向載荷傳遞至車廂。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪、驅(qū)動(dòng)走行輪、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成，如圖3所示。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的走行輪均選用橡膠實(shí)心輪胎，單個(gè)輪胎額定載重為1.95 t。轉(zhuǎn)向架兩側(cè)各設(shè)置一套穩(wěn)定輪，用于抵抗車輛的傾覆力矩，防止車輛側(cè)翻。單軌游覽列車的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

圖3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

表1 單軌游覽列車基本參數(shù)

2 動(dòng)力學(xué)建模及平穩(wěn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

單軌游覽列車的動(dòng)力學(xué)主要包括車輛橫向和垂向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，可用式(1)中的非線性微分方程組進(jìn)行描述：

(1)

由于外力是通過(guò)軌道梁表面對(duì)走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的強(qiáng)迫位移激振而得到，所以式(1)右端外力向量F(t)僅為軌道梁不平順的函數(shù)。

根據(jù)單軌游覽列車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，將車軸、構(gòu)架和車體等部件均視為剛體，不考慮各部件的彈性變形。由于車輛軸重較小，在計(jì)算時(shí)也不需要考慮軌道梁的彈性變形。導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪以彈簧-阻尼的形式施加在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和軌道梁之間。車輛的懸掛系統(tǒng)與軌道梁之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的建模

由于軌道梁表面和側(cè)面存在一定的不平順，會(huì)導(dǎo)致車輛走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪產(chǎn)生振動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)跨座式軌道梁表面不平度的測(cè)試數(shù)據(jù)，因此本文采用公路的路面不平度隨機(jī)位移數(shù)據(jù)來(lái)代替軌道梁表面不平度。

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7031—1986《車輛振動(dòng)輸入 路面平度表示方法》中，按功率譜密度把路面平度分為A、B、C、D等8級(jí)，其中A 級(jí)路面是標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)路面要求最高的一級(jí)路面[6]。本文根據(jù)單軌車輛行駛的軌道梁表面狀態(tài)，選擇A級(jí)路面平度進(jìn)行跨座式單軌車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。由于GB/T 7031—1986中的路面平度是在頻域上采用功率譜密度的形式來(lái)給出其統(tǒng)計(jì)特性，因此為了能在時(shí)域上分析車輛動(dòng)力性響應(yīng)，需要將路面功率譜密度變換為時(shí)域上的路面不平度。根據(jù)計(jì)算需要，本文通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換得到A級(jí)路面平度，如圖5所示。

本文根據(jù)單軌游覽列車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車輛-軌道動(dòng)力學(xué)模型。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架同時(shí)連接兩個(gè)車廂，為了更加準(zhǔn)確地反映車輛的動(dòng)力學(xué)行為，因此對(duì)整列車進(jìn)行建模。建立的單軌列車多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示。

圖5 A級(jí)路面平度

圖6 單軌列車多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

軌道車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性通常用平穩(wěn)性指標(biāo)或者車體振動(dòng)加速度進(jìn)行評(píng)定。由于目前尚無(wú)跨座式單軌車輛的平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，因此本文借鑒GB/T 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(簡(jiǎn)稱GB5599—85)和UIC518—2009《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能—運(yùn)行安全性—運(yùn)行品質(zhì)和軌道疲勞的試驗(yàn)、驗(yàn)收規(guī)范》(簡(jiǎn)稱UIC 518)中的規(guī)定對(duì)單軌游覽列車的運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)GB5599—85規(guī)定，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)采用式(2)計(jì)算[7]。

(2)

式中：W為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動(dòng)加速度，g；f為振動(dòng)頻率，Hz；F(f)為頻率修正系數(shù)。

客車車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2[7]，根據(jù)規(guī)定，新造車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性必須滿足良級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)應(yīng)小于2.75。同時(shí)，UIC 518中規(guī)定[8]，客車車體的最大橫向和垂向加速度均不能超過(guò)2.5 m/s2。

表2 客車平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

3 單軌游覽列車運(yùn)行平穩(wěn)性分析

3.1 車輛平穩(wěn)性預(yù)測(cè)

根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)建立列車多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)單軌游覽列車的運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中車輛運(yùn)行速度為10 km/h，載荷工況分別為空車和重車。為了更為準(zhǔn)確地評(píng)估車輪的運(yùn)行平穩(wěn)性，分別在每節(jié)車廂的前部和后部布置加速度傳感器。由于跨座式單軌車輛的橫向平穩(wěn)性較好，因此本文只列出了垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和車體最大垂向振動(dòng)加速度(表3)。

表3 單軌列車運(yùn)行平穩(wěn)性預(yù)測(cè)

從表3可以看出，空車和重車的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均大于3.0，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5599—85評(píng)定為“不合格”，同時(shí)最大垂向振動(dòng)加速度達(dá)到3.513 m/s2，大于2.5 m/s2，不再滿足標(biāo)準(zhǔn)UIC518的要求。因此，單軌游覽列車的初始設(shè)計(jì)是不能滿足設(shè)計(jì)要求的。

3.2 轉(zhuǎn)向架懸掛方案修改

根據(jù)列車多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)單軌車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和車體垂向振動(dòng)加速度過(guò)大的原因進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，在單軌游覽列車轉(zhuǎn)向架的初始設(shè)計(jì)方案中，懸掛彈簧垂向剛度偏大，同時(shí)構(gòu)架與車體之間未設(shè)置垂向減振器，導(dǎo)致車輛垂向振動(dòng)劇烈，平穩(wěn)性指標(biāo)和加速度超標(biāo)。因此，在轉(zhuǎn)向架的改進(jìn)方案中，在構(gòu)架與車體之間補(bǔ)充設(shè)置了垂向減振器。

為了對(duì)補(bǔ)充安裝的垂向減振器阻尼系數(shù)進(jìn)行選擇，基于列車多體動(dòng)力學(xué)模型，分析了垂向減振器阻尼系數(shù)對(duì)車輛平穩(wěn)性指標(biāo)和振動(dòng)加速度的影響。以頭車后部為例，減振器阻尼系數(shù)對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)和加速度的影響如圖7和圖8所示。

從圖可以看出：隨著垂向減振器阻尼系數(shù)的增大，車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)和最大垂向加速度先減小后增大；當(dāng)垂向減振器阻尼系數(shù)為4～20 kN·s/m時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和振動(dòng)加速度較小。因此，在單軌游覽列車轉(zhuǎn)向架的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中，根據(jù)減振器的實(shí)際型號(hào)選擇加裝阻尼系數(shù)為6.7 kN·s/m的垂向減振器。加裝減振器后的實(shí)物照片如圖9所示。

圖7 阻尼系數(shù)對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響

圖8 阻尼系數(shù)對(duì)最大垂向加速度的影響

圖9 加裝減振器后的效果

3.3 彈簧垂向剛度參數(shù)修改

影響單軌車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的懸掛參數(shù)除了減振器阻尼外，彈簧剛度也扮演了重要角色。本文以垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向振動(dòng)加速度為考核指標(biāo)，分析彈簧垂向剛度在0.08 ～ 0.35 MN/m時(shí)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，如圖10～圖13所示。

圖10 空車垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖11 空車最大垂向加速度

圖12 重車垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖13 重車最大垂向加速度

從圖中可以看出，空車和重車的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和最大垂向加速度均隨著彈簧垂向剛度的增大而增大，意味著彈簧垂向剛度越小，乘客乘坐越舒適；在相同的條件下，重車的乘坐舒適度比空車好。當(dāng)彈簧垂向剛度超過(guò)0.3 MN/m時(shí)，車廂1位置處的垂向加速度大于2.5 m/s2，不再滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為了使空車和重車的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均評(píng)定為優(yōu)級(jí)，彈簧垂向剛度不應(yīng)超過(guò)0.15 MN/m。因此，對(duì)單軌游覽列車轉(zhuǎn)向架的彈簧垂向剛度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將剛度降低至0.142 MN/m。

4 方案修改后的單軌列車運(yùn)行平穩(wěn)性分析

根據(jù)車輛多體動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)單軌列車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案和懸掛參數(shù)進(jìn)行修改，主要體現(xiàn)在：1)在構(gòu)架與車體之間補(bǔ)充設(shè)置了垂向減振器且減振器阻尼系數(shù)為6.7 kN·s/m；2)將彈簧垂向剛度降低至0.142 MN/m。

設(shè)計(jì)方案修改后，空車和重車工況下各測(cè)試位置處的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和最大垂向加速度見(jiàn)表4。可以看出，在修改后的設(shè)計(jì)方案中，頭、尾車和車廂各處的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向加速度均較原始方案有明顯的降低，其中垂向平穩(wěn)性指標(biāo)大部分都在2.5以下，達(dá)到優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)最大垂向振動(dòng)加速度僅為2.354 m/s2，下降幅度達(dá)到33%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可知，方案修改后的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 方案修改后的單軌列車運(yùn)行平穩(wěn)性預(yù)測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種利用車輛動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，為提高單軌游覽列車的乘坐舒適性提供了一定的技術(shù)支持。但是，受限于目前的檢測(cè)技術(shù)，研究工作中采用的軌道梁不平順與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有一定出入，影響仿真精度，還需要在后續(xù)的工作中通過(guò)檢測(cè)獲取更為準(zhǔn)確的不平順數(shù)據(jù)，使動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與實(shí)際更為吻合。