肖 乾 黎晨曦 劉新龍 付至晨

（華東交通大學(xué)，江西 南昌330013）

近年來，我國城市汽車保有量年均增速高達(dá)15%，城鎮(zhèn)道路里程增速僅為2%?！皟苫悲B加帶來了交通擁堵、空氣污染等一系列社會(huì)問題；而跨座式單軌屬于中等運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，其特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)，能更好適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌環(huán)境。同時(shí)，在城市道路中央或道路兩旁的綠化帶即可立柱，占地面積小、遮擋少、選線靈活、對現(xiàn)有城市道路的交通干擾很輕微?？缱絾诬壗ㄔO(shè)周期僅為地鐵的一半，造價(jià)成本僅為地鐵的三分之一[1]?？缱絾诬壍乃俣瓤梢赃_(dá)到每小時(shí)80 公里，在國內(nèi)是較受歡迎的一種交通運(yùn)輸方式[2]。然而一款新車在正式下線運(yùn)營之前需進(jìn)行各方面的綜合性能測試，國內(nèi)目前并沒有現(xiàn)成的專門用于跨座式單軌車輛的滾動(dòng)振動(dòng)綜合性能測試的試驗(yàn)臺(tái)。因此，筆者根據(jù)國內(nèi)常用的幾款跨座式單軌列車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何尺寸，設(shè)計(jì)了一種新型的跨座式單軌車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。

1 跨座式單軌滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的總體方案

滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理是利用與軌頭形狀一致的軌道輪單元來代替實(shí)際的軌道，通過改變軌道輪單元的位置來模擬機(jī)車車輛的真實(shí)工況，例如軌道不平順、曲線軌道等情況。機(jī)車車輛借助上車梁或其它輔助設(shè)施被安放在對應(yīng)軌道輪單元上方，且通過反力架縱向限位，通過軌道輪的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬無限長的兩條鋼軌，軌道輪對間一般設(shè)置有差速裝置，用來控制左右軌道輪同步或者差速轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。而跨座式單軌以其獨(dú)特的轉(zhuǎn)向架而不同于其它機(jī)車車輛，導(dǎo)致跨座式單軌車輛不能在普通的機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)[4]。為了使該試驗(yàn)臺(tái)適用于跨座式單軌車輛，筆者對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的跨座式單軌滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)保留了機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的縱向固定反力架，但因其原來的軌道輪對、激振裝置等裝置不適用于跨座式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架，所以采用重新設(shè)計(jì)的走行輪對滾機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)等裝置進(jìn)行替換，使得設(shè)計(jì)的滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)能夠適用于跨座式單軌車輛。

2 跨座式單軌試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)組成

滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)主要包括四部分:走行輪對滾機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)臺(tái)基座、A 型轉(zhuǎn)向架B 型轉(zhuǎn)向架等部分組成。如圖1 所示。

圖1 跨座式單軌車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)整體圖

2.2 A 型轉(zhuǎn)向架與B 型轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架是支承車體并擔(dān)負(fù)車輛沿著軌道走行的支承走行裝置，是車輛的最重要組成部件之一。A 型轉(zhuǎn)向架與B 型轉(zhuǎn)向架都屬于跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架，與其它機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不同，主要由減振器、走行輪、牽引電機(jī)、穩(wěn)定輪、導(dǎo)向輪、空氣彈簧等零件構(gòu)成[4-5]，如圖2 所示。其主要功能是支撐車體并擔(dān)負(fù)車輛沿軌道行走。目前兩種轉(zhuǎn)向架共適用于四種不同類型的跨座式單軌車輛，分別為日立單軌、加拿大龐巴迪單軌、瑞士Intanin 單軌、比亞迪云軌[6]。

圖2 A 型轉(zhuǎn)向架與B 型轉(zhuǎn)向架

2.3 走行輪對滾機(jī)構(gòu)

走行輪是內(nèi)部充滿氮?dú)獾南鹉z輪胎，其內(nèi)胎無鋼絲圈支撐，在行駛過程中能起到減震的作用，充氣壓力為880 kPa[5]。走行輪對滾機(jī)構(gòu)由走行輪對滾輪、傳動(dòng)齒輪、傳送帶、萬向節(jié)傳動(dòng)軸、異步變頻電機(jī)、軸承座、電液伺服作動(dòng)器等零件組成，如圖3 所示，其主要功能是模擬走行輪與軌道梁實(shí)際接觸，并模擬走行輪在軌道梁上的運(yùn)行情況[7]。

圖3 走行輪對滾機(jī)構(gòu)

走行輪對滾機(jī)構(gòu)工作原理是：異步變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，通過萬向節(jié)傳動(dòng)器帶動(dòng)同步帶輪運(yùn)動(dòng)，從而使同步帶輪帶動(dòng)單軌列車的走行輪磨輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)的走行輪對磨輪的直徑為503mm，而現(xiàn)在跨座式單軌列車的時(shí)速最高可達(dá)100km/h。有公式：

式中：n-每秒走行輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

可得跨座式單軌列車走行輪在時(shí)速最高時(shí)可達(dá)到8.8r/s，走行輪對磨輪的速度最高可達(dá)17.6r/s，由傳動(dòng)比為1:1,可以得到異步變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速為17.6r/s。異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中, 由于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速存在轉(zhuǎn)速差, 這種不同步導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)差率的存在。異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速是電機(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率共同作用的結(jié)果, 由電機(jī)機(jī)械特性的普遍規(guī)律決定[8-9]。通常工程計(jì)算中異步電機(jī)的調(diào)速公式為：

式中：n-電機(jī)轉(zhuǎn)速；f-驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的頻率；p-電機(jī)極對數(shù)；s-異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于異步電機(jī)的差速率較小，1-s 可近似等于1。變頻電機(jī)可通過改變輸入電壓的頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)單軌列車達(dá)到最高時(shí)速時(shí)，電機(jī)的頻率為0.88 赫茲。

2.4 導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪的結(jié)構(gòu)類似，但作用不同，導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪分別負(fù)責(zé)跨座式單軌車在行駛過程中的導(dǎo)向和穩(wěn)定0。導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向輪對滾輪、穩(wěn)定輪對滾輪、調(diào)距基座、伺服變頻電機(jī)、軸承等零件組成，如圖4 所示。導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)工作原理是：伺服變頻電機(jī)通過同步帶輪帶動(dòng)皮帶，使皮帶帶動(dòng)導(dǎo)向輪對滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 對滾輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)

2.5 試驗(yàn)臺(tái)基座

試驗(yàn)臺(tái)基座由縱向固定反力架、超高調(diào)節(jié)平臺(tái)、縱移基座、橫移基座、轉(zhuǎn)向架旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等零件組成，如圖5 所示。其主要功能是適應(yīng)不同型號(hào)車輛試驗(yàn)要求、通過轉(zhuǎn)向架旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)來模擬曲線通過路況、固定車輛、在試驗(yàn)過程中提供支撐。

3 跨座式單軌車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)的跨座式單軌滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)能夠進(jìn)行車輛運(yùn)行試驗(yàn)、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)、車輛整車振動(dòng)試驗(yàn)、車輛轉(zhuǎn)向通過性能試驗(yàn)，下面根據(jù)具體對車輛運(yùn)行試驗(yàn)、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)、車輛整車振動(dòng)試驗(yàn)、車輛轉(zhuǎn)向通過性能試驗(yàn)等具體實(shí)施方案進(jìn)一步說明。

3.1 車輛運(yùn)行試驗(yàn)/車輛運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)

車輛運(yùn)行試驗(yàn)：被試車輛的輪胎置于行走輪上，該行走輪通過轉(zhuǎn)動(dòng)，用以模擬軌道的各種實(shí)際狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)中既可以由機(jī)車動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)滾輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引工況，也可以由滾輪驅(qū)動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工況，走行輪對滾副由走行輪對滾輪、傳動(dòng)齒輪、傳送帶、萬向節(jié)傳動(dòng)軸、異步變頻電機(jī)、承座、電液伺服作動(dòng)器等零件組成，為了模擬走行輪與軌道梁實(shí)際接觸,對滾輪以鋼為基體,水泥包覆層，使用的水泥標(biāo)號(hào)與軌道梁一致。導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向輪對滾輪、穩(wěn)定輪對滾輪、調(diào)距基座、伺服變頻電機(jī)、軸承等組成。為了模擬走行輪與軌道梁實(shí)際接觸,對摩輪以鋼為基體,水泥包覆層，使用的水泥標(biāo)號(hào)與軌道梁一致；為適應(yīng)不同車輛試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)滿足前后轉(zhuǎn)向架中心距離可調(diào)整機(jī)構(gòu),該裝置由液壓桿驅(qū)動(dòng)，可上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)穩(wěn)定輪之間的軸距。

3.2 車輛曲線通過性能試驗(yàn)

車輛在圓曲線上行駛時(shí)，受橫向力或離心力作用會(huì)產(chǎn)生滑移，為了抵消車輛在圓曲線路段上行駛時(shí)所產(chǎn)生的離心力，保證車輛能安全、穩(wěn)定、滿足設(shè)計(jì)速度和經(jīng)濟(jì)、舒適地圓曲線，在該路段橫斷面上設(shè)置的外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的單向橫坡，利用車身的重力的分力減小單軌列車在通過曲線時(shí)對軌道外側(cè)的擠壓力，這種單向橫坡稱為超高，如圖6 所示。根據(jù)我國鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，外軌超高度的計(jì)算公式如下所示[3]：

式中：L-輪軌接觸斑的距離(一般取1500mm);R-軌道的曲率半徑;V-單軌列車通過曲線的平均速度。不同單軌車輛通過同一曲線的速度并不一致，而外軌超過內(nèi)軌的距離是固定的，所以在該曲線軌道上行駛時(shí)，常表現(xiàn)為過超高和欠超高。在試驗(yàn)臺(tái)上模擬超高不足，可通過反超高的方法實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)軌道寬度為D,軌道超高為H，則質(zhì)量為M 的單軌列車通過曲率半徑為R 的曲線時(shí)的超高角可由公式(4)計(jì)算得到。

單軌列車在通過曲線時(shí)，車體提供的向心力為:

而單軌列車通過該曲線需要的向心力為：

所以單軌列車通過曲線時(shí)欠缺的向心力為：

進(jìn)而得到超高不足角：

因此需要模擬的外軌超高不足為：

4 結(jié)論

本文研制了一臺(tái)專門用于單軌車輛的滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，可在該試驗(yàn)臺(tái)上完成車輛運(yùn)行試驗(yàn)、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)、車輛整車振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、車輛轉(zhuǎn)向通過性能實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)臺(tái)可同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)性能試驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)周期短，試驗(yàn)成本低，測試裝置定置安裝，檢測方便。對幾種典型的跨座式單軌車輛的測試要求，該試驗(yàn)臺(tái)可以通過調(diào)節(jié)或更換不同的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可兼容單軌、機(jī)車車輛，能夠充分利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)資源。