何斌斌，鐘 敏，梁小強(qiáng)，張 弘

(中唐空鐵科技有限公司，四川 成都 610200)

0 引言

空鐵交通(即懸掛式單軌交通)系統(tǒng)具有占地少、適應(yīng)性強(qiáng)、投資小、工期短、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，適合作為大城市現(xiàn)有軌道交通系統(tǒng)的補(bǔ)充，在中小城市更可作為公共交通干線，在景區(qū)可作為觀光線使用?？砧F列車在德國的烏珀塔爾和杜塞爾多夫、日本的湘南和千葉均有運(yùn)營業(yè)績，國內(nèi)的中唐空鐵和中國中車先后建設(shè)了空鐵試驗(yàn)線，目前，國內(nèi)第一條由中唐空鐵牽頭的大邑空鐵示范線也正式落地，空鐵前景非?？捎^。與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)依然是車輛最為核心的技術(shù)，但不同的是，由于空鐵車輛制式的特殊性，其轉(zhuǎn)向架的輪軌關(guān)系、結(jié)構(gòu)布置以及參數(shù)設(shè)置與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架截然不同，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也開展了大量的研究，重點(diǎn)研究了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、走行輪、導(dǎo)向輪和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)直線平穩(wěn)性指標(biāo)和曲線通過性能指標(biāo)對(duì)車輛懸掛參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，校核了其動(dòng)力學(xué)性能；有些研究針對(duì)各自轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響?？偨Y(jié)以上的研究，從結(jié)構(gòu)上分析，空鐵轉(zhuǎn)向架相比傳統(tǒng)軌道車輛轉(zhuǎn)向架有較大的區(qū)別，其中非常關(guān)鍵的一個(gè)區(qū)別是空鐵轉(zhuǎn)向架與車體不是通過傳統(tǒng)的二系懸掛相連，而是通過一套特有的懸吊機(jī)構(gòu)相連，因此，這套懸吊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置對(duì)車輛的整體性能起著至關(guān)重要的作用。一般來說，懸吊機(jī)構(gòu)有四連桿型和鐘擺型兩種，大量文獻(xiàn)對(duì)采用這兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛各自的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但缺少這兩種結(jié)構(gòu)之間的性能差異研究。因此，本文專門探討兩種結(jié)構(gòu)型式的空鐵轉(zhuǎn)向架車輛動(dòng)力學(xué)性能的差異，為今后的工程建造提供一定的理論指導(dǎo)。

1 空鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析

空鐵車輛轉(zhuǎn)向架運(yùn)行在封閉的軌道箱梁內(nèi)部，可用的空間非常有限，然其結(jié)構(gòu)和功能卻并不比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架少，可謂麻雀雖小，五臟俱全?？砧F轉(zhuǎn)向架主要包括構(gòu)架、一系懸掛、輪對(duì)裝置、導(dǎo)向輪裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置以及懸吊裝置等部件。構(gòu)架通過一系懸掛與輪對(duì)裝置相連，輪對(duì)裝置集成了齒輪箱傳動(dòng)裝置，實(shí)際是一根帶差速器的驅(qū)動(dòng)軸橋；導(dǎo)向輪裝置安裝在構(gòu)架端頭，走行輪和導(dǎo)向輪一般為實(shí)心橡膠輪胎(在相同軸重下充氣輪胎的空間尺寸大，需要較大的軌道梁尺寸，導(dǎo)致大幅提高建設(shè)成本)，走行輪與軌道梁底面接觸，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)向輪與軌道梁側(cè)面接觸提供導(dǎo)向作用。由于橫向空間的限制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)一般為縱向布置，通過聯(lián)軸節(jié)與輪對(duì)裝置內(nèi)的齒輪箱連接，齒輪箱為錐齒輪結(jié)構(gòu)，將電機(jī)軸縱向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為橫向旋轉(zhuǎn)，并通過差速器傳遞到左右走行輪上，差速器使得同一根軸左右兩輪在通過曲線時(shí)轉(zhuǎn)速不同，提高曲線通過能力。

相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，空鐵轉(zhuǎn)向架設(shè)有一套特有的機(jī)構(gòu)——懸吊機(jī)構(gòu)，它用于連接構(gòu)架和車體，功能與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架二系懸掛類似，為車體提供約束和衰減振動(dòng)，保證車輛能夠順利通過各種曲線的同時(shí)又得到各方向良好的平穩(wěn)性。由于空鐵車輛車體懸掛式的特殊結(jié)構(gòu)，車輛重心位于走行支撐面下方，這帶來了一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)，就是當(dāng)車體橫向偏移后可以通過自重自動(dòng)回復(fù)到平穩(wěn)位置，不存在傾覆的可能，因此懸吊機(jī)構(gòu)可以將車體的橫移和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)大幅釋放，這種特性使得空鐵車輛具有傳統(tǒng)車輛無法比擬的曲線通過能力，因此懸吊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。

目前懸吊機(jī)構(gòu)主要有兩種型式，即鐘擺型和四連桿型，采用兩種懸吊機(jī)構(gòu)的車輛結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。鐘擺型轉(zhuǎn)向架的搖枕直接鉸接在構(gòu)架上，搖枕可像鐘擺一樣相對(duì)于構(gòu)架繞x軸(x向?yàn)檐囕v前進(jìn)方向)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在構(gòu)架與搖枕之間需設(shè)置抗擺減振器來衰減搖枕的擺動(dòng)；四連桿型轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架與搖枕通過2根擺桿連接，構(gòu)架、搖枕、擺桿組成四邊形結(jié)構(gòu)，這種懸吊結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)提供繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和橫移自由度，且這兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是耦合關(guān)聯(lián)的，因此只設(shè)置一個(gè)橫向(y向)減振器，即可同時(shí)抑制轉(zhuǎn)動(dòng)和橫向平動(dòng)。車體通過二系簧吊掛于搖枕上，由于鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)不能提供橫向平動(dòng)，因此二系簧還需提供車體與搖枕之間的橫向減振；四連桿型則無需額外的二系簧橫向減振，搖枕與車體橫向可固接在一起。懸吊機(jī)構(gòu)上均設(shè)有止擋，以限制車體過大的擺動(dòng)角度。

圖1 采用兩種懸吊機(jī)構(gòu)的車輛結(jié)構(gòu)示意圖

2 研究方法與車輛動(dòng)力學(xué)模型

2.1 研究方法

空鐵車輛相對(duì)于傳統(tǒng)鐵道車輛不存在脫軌安全性、車輛傾覆以及蛇形穩(wěn)定性等問題，因此平穩(wěn)性和曲線通過性能是動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵，其中曲線通過性能主要考慮輪軌作用力和車輛運(yùn)行姿態(tài)(限界)。本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件分別建立兩種轉(zhuǎn)向架型式的空鐵車輛動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析兩種車輛的平穩(wěn)性以及曲線通過性能，為轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式選擇提供參考。

2.2 車輛動(dòng)力學(xué)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)軟件分別建立兩種轉(zhuǎn)向架型式空鐵車輛的動(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、擺桿、齒輪箱等結(jié)構(gòu)件視作剛體，橡膠件、空氣彈簧、減振器等看作是彈性力元。其中，采用鐘擺懸吊機(jī)構(gòu)的空鐵車輛動(dòng)力學(xué)模型共有68個(gè)自由度，各部件自由度見表1(其中，-表示無此自由度，√表示有此自由度)；采用四連桿懸吊機(jī)構(gòu)的空鐵車輛動(dòng)力學(xué)模型共有74個(gè)自由度，較鐘擺型增加了擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)和搖枕橫向平動(dòng)自由度，各部件自由度見表2。

表1 采用鐘擺懸吊機(jī)構(gòu)的空鐵車輛系統(tǒng)自由度

表2 采用四連桿懸吊機(jī)構(gòu)的空鐵車輛系統(tǒng)自由度

2.3 車輛參數(shù)與軌道譜

本文主要的研究對(duì)象是兩個(gè)懸吊機(jī)構(gòu)的差異，因此除了與懸吊機(jī)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有差異外，其余車輛參數(shù)均完全相同。

本文采用文獻(xiàn)[6]中的公路不平順譜，基于該軌道譜的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與中唐空鐵試驗(yàn)線的測(cè)試結(jié)果接近，具有一定的準(zhǔn)確性。另外，本次對(duì)比分析未考慮軌道梁的彈性變形和伸縮縫的影響。

3 動(dòng)力學(xué)對(duì)比分析

3.1 車輛直線動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比分析

車輛運(yùn)行舒適性是空鐵車輛最為關(guān)鍵的評(píng)判指標(biāo)，空鐵的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式和懸掛參數(shù)匹配也將舒適性作為重要目標(biāo)。本文直線動(dòng)力學(xué)性能以GB5599中的平穩(wěn)性指標(biāo)作為評(píng)判，分別計(jì)算兩種懸吊機(jī)構(gòu)型式車輛在10 km/h～80 km/h速度級(jí)下的平穩(wěn)性指標(biāo)，結(jié)果如表3和圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明：在各速度級(jí)下，兩種車輛橫向和垂向平穩(wěn)性相差很小；兩種車輛的平穩(wěn)性隨著車速增大而單調(diào)增大，均能達(dá)到GB5599中的優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(小于2.5)。因此，只要合理匹配懸掛參數(shù)，選用兩種結(jié)構(gòu)型式轉(zhuǎn)向架都能使空鐵車輛具有較好的舒適性。

表3 兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛直線平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比

圖2 兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛直線平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比

3.2 車輛曲線通過性能對(duì)比分析

空鐵車輛雖不存在脫軌的安全性問題，但輪軌間的相互作用關(guān)系也是不容忽視的，良好的轉(zhuǎn)向架曲線通過性能有利于減小車輛運(yùn)行阻力、降低輪軌磨耗，同時(shí)也有利于降低工程建造成本。本文以最小通過曲線半徑為30 m和200 m作為研究對(duì)象，曲線設(shè)置(軌道梁未設(shè)置加寬和超高)如表4所示。以輪軌作用力和車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)來綜合評(píng)判車輛的曲線通過性能，同時(shí)，對(duì)比車輛在曲線半徑為200 m上的平穩(wěn)性指標(biāo)。

表4 曲線設(shè)置

3.2.1 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比

四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)車輛的車體側(cè)滾在曲線半徑為30 m和200 m曲線上的側(cè)滾角分別為1.5°和2.0°，而鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)的車體側(cè)滾角達(dá)到6.3°和7.4°，遠(yuǎn)大于四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)車輛，可見鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)釋放的繞x軸的旋轉(zhuǎn)自由度將使車體產(chǎn)生很大的側(cè)滾角，而四連桿懸吊機(jī)構(gòu)則同時(shí)產(chǎn)生一定的橫向位移和一個(gè)較小側(cè)滾角，這種較大的側(cè)滾角將使車體產(chǎn)生較大橫向位移，尤其是遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的車體底部。從地板面車體橫向位移可以看到，鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)車輛的車體地板面橫向位移在曲線半徑為30 m和200 m曲線上分別為318 mm和415 mm，遠(yuǎn)大于四連桿懸吊機(jī)構(gòu)車輛的100 mm和162 mm。兩種懸吊機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的車體側(cè)滾和位移值對(duì)比如表5所示，車體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖3所示，其中虛線表示車體擺動(dòng)后的位置?？梢?，四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)車輛在橫向位移和車體側(cè)滾方面具有很大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檐圀w位移過大必將加大車輛限界，致使軌道立柱蓋梁的懸臂加長，從而增加工程造價(jià)。

表5 兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛的車體側(cè)滾和位移值對(duì)比

圖3 兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛的車體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖

3.2.2 輪軌作用力對(duì)比

由于篇幅有限，本文的導(dǎo)向輪正壓力和走行輪輪重減載率僅取最大值進(jìn)行對(duì)比。四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)車輛的導(dǎo)向輪正壓力在半徑為30 m和200 m曲線上分別為8 570 N和6 560 N，而鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)車輛的導(dǎo)向輪正壓力分別為7 550 N和5 660 N，可以看出四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)車輛的導(dǎo)向輪正壓力大于鐘擺型的15%左右；四連桿懸吊機(jī)構(gòu)車輛走向輪輪重減載率在曲線半徑為30 m和200 m曲線上分別為41%和16%，鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)車輛走向輪輪重減載率分別為39%和14%，相差2%左右。兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛的輪軌作用力對(duì)比如表6所示，由此可見，鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)車輛在輪軌作用力方面具有一定優(yōu)勢(shì)，對(duì)后期橡膠輪運(yùn)用維護(hù)有一定的好處。

表6 兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛的輪軌作用力對(duì)比

3.2.3 曲線運(yùn)行平穩(wěn)性對(duì)比

對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)型式轉(zhuǎn)向架車輛在曲線半徑為200 m曲線上的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)，如表7所示。從表7中可以看出：四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)和鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)車輛在曲線上的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)相對(duì)于直線來說均有所增大，但兩者相差很??；而垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和直線相比差異不大，總的來說，兩種結(jié)構(gòu)型式車輛的曲線運(yùn)行平穩(wěn)性處于同等水平。

表7 兩種懸吊機(jī)構(gòu)車輛的曲線平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

對(duì)兩種懸吊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并建立了車輛的多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析兩種車型在直線和曲線上的動(dòng)力學(xué)性能，可以得出以下結(jié)論：

(1) 選用兩種結(jié)構(gòu)型式轉(zhuǎn)向架車輛運(yùn)行平穩(wěn)性水平相當(dāng)，只要合理匹配懸掛參數(shù)，兩種轉(zhuǎn)向架都能使空鐵車輛具有較好的平穩(wěn)性。

(2) 四連桿型懸吊機(jī)構(gòu)車輛在橫向位移和車體側(cè)滾方面具有很大優(yōu)勢(shì)，在獲得相同曲線通過速度和平穩(wěn)性的前提下，車輛限界比較小。因此，選用四連桿型轉(zhuǎn)向架能夠降低軌道梁柱的建造成本。

(3) 鐘擺型懸吊機(jī)構(gòu)車輛在輪軌作用力方面具有一定優(yōu)勢(shì)，對(duì)后期橡膠輪運(yùn)用維護(hù)有一定的好處。