舒?zhèn)ッ?，王孔明，周建成，楊?/p>

（1. 南昌軌道交通集團有限公司，南昌 330038；2.中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術(shù)研究院，成都 610031；3.中車齊齊哈爾車輛有限公司大連研發(fā)中心，遼寧大連 116052）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通擁堵的城市病逐漸向中小城市蔓延。國內(nèi)中小型城市以及旅游景區(qū)對便捷高效、經(jīng)濟適用的交通系統(tǒng)需求急迫[1-2]。跨座式交通系統(tǒng)具有適應(yīng)能力強、噪聲低、占用道路資源少等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到較多的應(yīng)用，對解決交通擁堵問題起到顯著作用[3]。

傳統(tǒng)中大型跨座式交通系統(tǒng)建設(shè)成本較高，運營維護過程中存在諸多問題，使其在中小型城市以及旅游景區(qū)推廣和應(yīng)用受限。因此，亟需一種新型的輕量化跨座式單軌交通系統(tǒng)來滿足廣闊的市場需求。

車輛作為軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，輕量化的列車是跨座式單軌交通系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化、經(jīng)濟適用的關(guān)鍵[4]。本研究提出一種新型的鉸接式跨座式單軌列車方案，分析列車在故障工況下的列車動力學性能指標，并給出列車在故障工況下運行建議。

1 鉸接跨座式單軌車輛方案

1.1 車輛編組

列車采用4輛編組，如圖1所示。列車共有5個轉(zhuǎn)向架，比傳統(tǒng)非鉸接式列車減少3個轉(zhuǎn)向架，有效地降低車輛總重，降低車輛投資。

圖1 列車編組圖

列車有鉸接轉(zhuǎn)向架和非鉸接轉(zhuǎn)向架兩種形式，兩端車前端坐落在非鉸接轉(zhuǎn)向架上，后端通過鉸接轉(zhuǎn)向架與另外一個車體相連接。中間車輛兩車體共用一個轉(zhuǎn)向架。在進行車輛運行平穩(wěn)性分析時，前后觀測點以及1位、4位轉(zhuǎn)向架在圖1中標出。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

列車主要技術(shù)參數(shù)列于表1，車輛采用4輛編組，列車兩端車鉤連掛面之間長度為37.82 m，列車走行輪、減振器、沙漏簧剛度等參數(shù)通過動力學性能優(yōu)化得到。

表1 列車主要技術(shù)參數(shù)

2 車輛動力學模型

在多體動力學軟件UM中建立4編組鉸接式跨座式單軌列車動力學模型，如圖2所示。在動力學模型考慮了輪胎剛度、沙漏彈簧剛度阻尼、減振器的阻尼特性、牽引拉桿和橫向止擋的力學特性等因素[5-6]。

圖2 非鉸接單軌轉(zhuǎn)向架

3 故障工況動力學性能研究

輕量化鉸接跨座式單軌列車采用沙漏橡膠墊，沙漏橡膠墊性能相對穩(wěn)定，基本不會出現(xiàn)故障。因此本列車在運行過程中可能出現(xiàn)的故障為爆胎、垂向減振器失效和橫向減振器失效，分析不同工況條件下車輛動力學性能。

3.1 爆胎工況下

輕量化鉸接跨座式單軌列車所采用的車輪主要包括輪胎、防爆支撐體、輪轂、胎壓監(jiān)測裝置，以及輪轂與防爆支撐體之間的橡膠墊。當輪胎爆胎時，內(nèi)部支撐體具有一定的支撐作用，保證車輛安全行駛。但是由于輪胎具有一定的減振作用，輪胎爆胎后車輛運行平穩(wěn)性以及曲線通過性能將會受到一定的影響，對輪胎爆胎后不同條件下的車輛運行性能進行分析[7]。

3.1.1 直線sperling平穩(wěn)性指標

分別計算各轉(zhuǎn)向架不同車輪爆胎情況下不同車輛的平穩(wěn)性指標，運行速度為30～70 km/h，在兩側(cè)導向面及走行面設(shè)置軌道不平順。計算結(jié)果顯示，當端車非鉸接轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎時列車整體平穩(wěn)性指標最差，端車的平穩(wěn)性指標最大；其他輪胎爆胎后列車平穩(wěn)性指標相似。因此，以圖1中1位、4位轉(zhuǎn)向架為例，給出輪胎爆胎情況下列車平穩(wěn)性指標。

1位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎車輛平穩(wěn)性指標如圖3所示，爆胎情況下前后觀測點橫向平穩(wěn)性指標較正常工況下平穩(wěn)性指標分別增加了約0.89～1.06和0.35～0.43，前后觀測點垂向平穩(wěn)性指標較正常工況下平穩(wěn)性指標分別增加了約0.77～1.13和0.49～0.77。當車輛運行速度為50 km/h時，車輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標均超過了GB 5599-85中優(yōu)等級的限定值2.5。

圖3 平穩(wěn)性指標（1位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎）

4 位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎車輛平穩(wěn)性指標如圖4所示，爆胎情況下前后觀測點橫向平穩(wěn)性指標比正常工況下平穩(wěn)性指標分別增加了約0.73 ～0.88和0.79～0.77，垂向平穩(wěn)性指標較正常工況下平穩(wěn)性指標分別增加了約0.54 ～0.72和0.42～0.77。4位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎對車輛橫向平穩(wěn)性的影響小于1位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎對車輛平穩(wěn)性的影響。當車輛運行速度為50 km/h時，車輛橫向指標均超過了GB 5599 -85 中優(yōu)等級的限定值，當車輛運行速度為7 0 km/h時垂向平穩(wěn)性超過2.5。

圖4 平穩(wěn)性指標（4位轉(zhuǎn)向架輪胎爆胎）

綜上分析，在任意輪胎爆胎的工況下，為保證人員運行安全及車輛平穩(wěn)性要求，建議車輛運行速度不超過40 km/h。

3.1.2 曲線通過性能

對不同轉(zhuǎn)向架、不同輪胎爆胎情況進行分析，以4位轉(zhuǎn)向架為例，研究列車運行速度為20～40 km/h時單一輪胎爆胎通過100 m半徑曲線時輪軌垂向力、導向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力、修訂的傾覆系數(shù)等指標變化。為方便描述，定義轉(zhuǎn)向架曲線外側(cè)前車輪為1號輪、曲線內(nèi)側(cè)前車輪為2號輪、曲線外側(cè)后車輪為3號輪、曲線內(nèi)側(cè)后車輪為4號輪。

1～4號單一車輪爆胎其他車輪輪軌垂向力計算結(jié)果如圖5所示，分析可知，爆胎后輪軌作用力最大值約為正常工況下的2倍。主要是由于原來有2個輪胎承擔的力，爆胎后將變成由1個車輪承擔。輪胎故障后將會對另外一個輪胎提出更高的要求，在進行車輛設(shè)計時應(yīng)考慮輪胎在故障工況下的承載能力。

圖5 輪軌垂向力

1～4 號單一車輪爆胎情況下，導向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力、修訂的傾覆系數(shù)計算結(jié)果如圖6～圖8所示。比正常工況下導向輪徑向力、穩(wěn)定輪徑向力、修訂的傾覆系數(shù)均大幅增加，當速度為35 km/h時，修訂的傾覆系數(shù)大于1，說明穩(wěn)定輪已經(jīng)脫離軌面，運行不再安全。因此建議車輪胎爆胎工況下運行速度不超過30 km/h。

圖6 導向輪徑向力

圖8 修訂的傾覆系數(shù)

根據(jù)上述方法研究不同曲線半徑輪胎爆胎條件下列車限速情況，計算結(jié)果表明，當曲線半徑大于200 m時，列車運行速度建議小于40 km/h。

圖7 穩(wěn)定輪徑向力

3.2 垂向減振器失效

分別研究不同轉(zhuǎn)向架不同位置垂向減振器失效對車輛平穩(wěn)性的影響，計算結(jié)果顯示，不同減振器失效對車輛平穩(wěn)性的影響基本相同。某位置減振器失效后前后觀測點的橫向、垂向平穩(wěn)性指標如圖9～圖10所示。計算結(jié)果顯示，單一減振器失效列車運行平穩(wěn)性變差，在設(shè)計速度80 km/h以下運行時車輛運行平穩(wěn)性指標均小于2.5限值。

圖9 橫向平穩(wěn)性指標

圖10 垂向平穩(wěn)性指標

3.3 橫向減振器失效

橫向減振器失效對車輛平穩(wěn)性的影響與垂向減振器失效對車輛平穩(wěn)向影響規(guī)律相同。某位置橫向減振器失效后前后觀測點的橫向、垂向平穩(wěn)性指標如圖11～圖12所示。計算結(jié)果顯示，單一減振器失效列車運行平穩(wěn)性變差，在設(shè)計速度80 km/h以下運行時車輛運行平穩(wěn)性指標均小于2.5限值。

圖11 橫向平穩(wěn)性指標

圖12 垂向平穩(wěn)性指標

4 結(jié)論

利用多體動力學分析軟件建立輕量化鉸接式跨座式單軌列車故障工況動力學分析模型，研究列車在爆胎，垂向減振器、橫向減振器失效等工況下的列車動力學性能。分析結(jié)果顯示，爆胎直線工況下，當車輛運行速度為50 km/h時，車輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標均超過優(yōu)等級的限定值2.5，推薦運行速度不超過40 km/h。曲線工況時半徑大于200 m時列車運行速度建議小于40 km/h，曲線半徑大于200 m時列車運行速度不大于30 km/h。單一減振器失效，在設(shè)計速度80 km/h以下運行時車輛運行平穩(wěn)性指標均小于2.5限值，列車可按正常工況下速度運行。