劉福瑞

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司新型交通裝備研究設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

跨座式單軌交通主要適用于大城市中等客運(yùn)走廊及中等城市骨干公交線路及大城市中心區(qū)與衛(wèi)星城、交通樞紐的連接線，其軌道梁，即PC梁，既是承載列車(chē)荷重的橋梁結(jié)構(gòu)，又是支撐車(chē)輛走行和導(dǎo)向的軌道[1]。單軌梁自身制造精度和安裝精度遠(yuǎn)高于普通橋梁，且單軌線路品質(zhì)的好壞直接影響列車(chē)的運(yùn)行安全性和旅客的乘坐舒適性。因此，在軌道梁制梁、架設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段需要軌檢小車(chē)對(duì)梁線形、梁體平順性及梁寬等進(jìn)行測(cè)量。據(jù)調(diào)研，目前跨座式單軌線路的檢測(cè)主要依賴人工量尺測(cè)量，這種方法存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，測(cè)量誤差大，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量及平面度超差定位等缺陷。顯然，研制一種可以替代人工測(cè)量的高精度軌檢小車(chē)具有重要的實(shí)際工程意義。

目前，對(duì)軌檢儀的研究設(shè)計(jì)都集中在傳統(tǒng)鐵路領(lǐng)域，對(duì)跨座式單軌交通領(lǐng)域的軌檢小車(chē)進(jìn)行的相關(guān)研究甚少。為了解決跨座式單軌軌檢小車(chē)的關(guān)鍵參數(shù)滿足其高精度的檢測(cè)要求，本文通過(guò)建立跨座式單軌軌檢小車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)軌檢小車(chē)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，從而為軌檢小車(chē)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局提供數(shù)據(jù)輸入和理論支撐。

1 軌檢小車(chē)結(jié)構(gòu)組成

跨座式單軌軌檢小車(chē)主要由底架、走行機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、蓄電池、棱鏡裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控箱及各種檢測(cè)所需傳感器等組成，如圖1所示。為了清楚地顯示主要部件，隱藏了部分次要部件。在軌檢小車(chē)總體組成中，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及傳感器安裝支架均剛性固結(jié)于底架上，總體布置要求重心盡可能在水平面中心。

圖1 跨座式單軌軌檢小車(chē)總成示意圖

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

跨座式單軌軌檢小車(chē)的走行輪為聚氨酯輪，傳感器安裝支架與底架通過(guò)螺栓連接，沒(méi)有垂向減振，傳感器安裝支架懸臂較長(zhǎng)，快速運(yùn)行引起車(chē)體震動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響不平順檢測(cè)精度，同時(shí)通過(guò)三點(diǎn)弦測(cè)法的“以小推大”換算后的結(jié)果誤差會(huì)更大。參考傳統(tǒng)鐵路檢測(cè)方法，軌檢小車(chē)速度為5km/h。另外，根據(jù)《GB50614-2010跨座式單軌交通施工及驗(yàn)收規(guī)范》[2]可知，軌道梁制造、安裝、線形調(diào)整的精度要求均為毫米級(jí)，進(jìn)而軌檢小車(chē)進(jìn)行梁寬檢測(cè)，中心線檢測(cè)，平順性檢測(cè)的檢測(cè)精度均為±0.5mm。因此，定義軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)為：底架中心棱鏡位置相對(duì)于單軌梁走行軌面中心線的橫移量范圍在±0.5mm以內(nèi)，且各導(dǎo)向輪徑向力不能為零。

3 軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型

3.1 軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型

軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)建模部分參數(shù)如表1所示。其中，車(chē)體質(zhì)量不包括走行輪和導(dǎo)向輪的質(zhì)量，即是底架、4個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)托臂、蓄電池、棱鏡裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控箱及傳感器安裝支架等部件的質(zhì)量和，整體重心位置在水平面內(nèi)處于底架中心。

表1 軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)建模部分參數(shù)

基于關(guān)鍵研究對(duì)象，對(duì)軌檢小車(chē)結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化后，利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，根據(jù)圖2所示的跨座式單軌軌檢小車(chē)拓?fù)錁?gòu)型，建立了軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型。仿真模型將車(chē)輛系統(tǒng)考慮為多剛體系統(tǒng)，共包含9個(gè)剛體，14個(gè)自由度。其中，把除了走行輪和穩(wěn)定輪的部件視為一個(gè)整體，此整體考慮了伸縮、橫擺、浮沉、側(cè)滾、點(diǎn)頭及搖頭6個(gè)自由度，4個(gè)走行輪均考慮了點(diǎn)頭自由度，以及4個(gè)導(dǎo)向輪均考慮了搖頭自由度。

跨座式單軌軌檢小車(chē)的走行輪和導(dǎo)向輪均為聚氨酯包膠輪，以致運(yùn)行過(guò)程中輪胎側(cè)傾角度很小，故動(dòng)力學(xué)模型中采用Fiala輪胎模型來(lái)描述輪軌相互作用時(shí)的走行輪和導(dǎo)向輪的輪胎力學(xué)特性[3]。導(dǎo)向輪通過(guò)導(dǎo)向鋼彈簧給車(chē)體底架傳遞導(dǎo)向力，在建模時(shí)將兩者的剛度等效為導(dǎo)向輪剛度，即導(dǎo)向剛度。

3.2 線路設(shè)置

跨座式單軌軌檢小車(chē)的設(shè)計(jì)及檢測(cè)工況要能滿足以5km/h的速度通過(guò)R50m最小曲線半徑的運(yùn)行及檢測(cè)要求，所以，本文僅設(shè)置了一種R50m的曲線線路，具體見(jiàn)表2。

表2 曲線線路設(shè)置

3.3 軌檢小車(chē)曲線通過(guò)導(dǎo)向受力分析

跨座式單軌軌檢小車(chē)在曲線軌道梁上運(yùn)行時(shí)，走行導(dǎo)向部形成的搖頭力矩是引導(dǎo)其順利通過(guò)曲線的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)力，是決定其曲線通過(guò)性能的重要指標(biāo)。圖3所示為跨座式單軌軌檢小車(chē)在曲線上穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)向受力情況。其中，F(xiàn)di(i=1～4)為走行輪輪胎所受側(cè)偏力，單位N；因軌檢小車(chē)走行輪輪胎的回正力矩很小，故將其忽略不計(jì)；Fgj(j=1～4)為導(dǎo)向輪所受徑向力，單位N；Mb為車(chē)體對(duì)走行導(dǎo)向部的搖頭力矩，單位N·m；Ld為走行輪軸距，單位m；Lg為導(dǎo)向輪縱向間距，單位m。Ld與Lg是軌檢小車(chē)的主要優(yōu)化參數(shù)。

圖3 軌檢小車(chē)曲線通過(guò)導(dǎo)向受力分析

由軌檢小車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的力矩平衡可以得出：

根據(jù)軌檢小車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)，有：

4 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化

由于跨座式單軌軌檢小車(chē)設(shè)計(jì)尺寸及部件空間布局的限制以及實(shí)際功能需要，軌檢小車(chē)走行輪軸距設(shè)計(jì)為500mm，導(dǎo)向輪縱向間距設(shè)計(jì)為400mm。為了保證跨座式單軌軌檢小車(chē)以5km/h的速度在運(yùn)行檢測(cè)過(guò)程中的可靠性，同時(shí)也要滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)預(yù)壓力及導(dǎo)向剛度參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化分析，為軌檢小車(chē)的關(guān)鍵性能參數(shù)選取最優(yōu)值。

預(yù)壓力值依次選取為0.8kN，1.0kN，1.2kN，1.5kN，1.7kN；導(dǎo)向剛度值選取范圍0.4～1.2MN/m，間隔0.1MN/m。由于篇幅所限，本文重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)向輪最大、最小徑向力和車(chē)體橫移量在不同參數(shù)工況下的對(duì)比分析結(jié)果。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4（b）可知，在較小預(yù)壓力為0.8kN且不同導(dǎo)向剛度下，檢測(cè)小車(chē)通過(guò)曲線時(shí)前右導(dǎo)向輪的最小導(dǎo)向力為107.2N，即預(yù)壓力為0.8kN時(shí)，前右導(dǎo)向輪未脫離導(dǎo)向軌面，導(dǎo)向力還有107.2N的余量，是滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)的。從圖4（c）可清楚地觀察到，在同一導(dǎo)向剛度及不同預(yù)壓力下，檢測(cè)小車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的車(chē)體橫移量幾乎完全重合，即檢測(cè)小車(chē)在同一導(dǎo)向剛度下曲線通過(guò)時(shí)，預(yù)壓力對(duì)車(chē)體橫移量的影響非常小。同時(shí)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足要求的導(dǎo)向剛度值范圍為0.5～1.2MN/m，為了滿足車(chē)體橫移量相對(duì)較小且使得彈簧便于在有限空間內(nèi)安裝，優(yōu)取導(dǎo)向剛度值為0.7MN/m，如圖4（c1）所示。由于引導(dǎo)檢測(cè)小車(chē)通過(guò)曲線的轉(zhuǎn)動(dòng)力——搖頭力矩在同一曲線工況為定值，根據(jù)圖4（a）和（b）可知，檢測(cè)小車(chē)在不同預(yù)壓力及導(dǎo)向剛度下通過(guò)曲線時(shí)，前左導(dǎo)向輪最大徑向力和前右導(dǎo)向輪最小徑向力與相應(yīng)的預(yù)壓力之間的差值的絕對(duì)值均約為0.69kN，故預(yù)壓力應(yīng)大于0.69kN時(shí)滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖4 預(yù)壓力與導(dǎo)向剛度協(xié)同優(yōu)化結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了跨座式單軌軌檢小車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了多目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化計(jì)算，獲得了最優(yōu)參數(shù)，在理論上保證了軌檢小車(chē)的檢測(cè)精度，為軌檢小車(chē)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局提供了數(shù)據(jù)輸入和理論支撐。同時(shí)，得出了以下結(jié)論：

（1）檢測(cè)小車(chē)在同一導(dǎo)向剛度下曲線通過(guò)時(shí)，預(yù)壓力對(duì)車(chē)體橫移量的影響非常??；

（2）參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：?jiǎn)诬壛簩?dǎo)向軌面施加于導(dǎo)向輪的預(yù)壓力應(yīng)大于0.69kN，且導(dǎo)向剛度取值為0.7MN/m。