孟 姝 黃 海 王伯銘

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 610013, 成都)

懸掛式單軌交通系統(tǒng)具有造價(jià)低、安全性高、地形適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),非常適合在中小型城市作為主要的公共交通形式,也適用于景區(qū)的旅游交通。

文獻(xiàn)[1]利用ADAMS軟件分析了懸掛原件參數(shù)和側(cè)風(fēng)對(duì)車輛運(yùn)行性能的影響;文獻(xiàn)[2]分析了導(dǎo)向輪預(yù)壓力、側(cè)風(fēng)和抗側(cè)滾止擋角度對(duì)車輛性能的影響;文獻(xiàn)[3]等分析了車橋耦合系統(tǒng)的共振問題;文獻(xiàn)[4-5]等通過車橋耦合動(dòng)力學(xué)研究,對(duì)懸掛式車橋系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。目前,對(duì)于懸掛式單軌交通系統(tǒng)道岔結(jié)構(gòu)的研究較多,而對(duì)懸掛式單軌車輛在道岔通過性能方面的研究較少。

本文基于對(duì)稱式橡膠輪胎箱型軌道梁結(jié)構(gòu),對(duì)于懸掛式單軌車輛通過倒T形轍叉道岔的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析研究,并提出一種導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置,以改善車輛通過道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能。

1 建立車輛與道岔的仿真模型

本文所研究的懸掛式單軌車輛采用單電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng),其電機(jī)布置在轉(zhuǎn)向架的中央,能大幅減小轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭慣量和搖頭慣量,提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。

本文采用UM(多體動(dòng)力學(xué))軟件建立動(dòng)力學(xué)仿真模型。建立模型時(shí),將構(gòu)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車體、懸吊梁、吊架均視為剛體,不考慮受力造成的輕微變形;走行輪、導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪均采用FIALA輪胎力元來模擬輪胎與軌道之間的接觸關(guān)系,減振器元件采用線性阻尼力元模擬;抗側(cè)滾止擋和橫向止擋根據(jù)真實(shí)情況設(shè)置相應(yīng)的特性曲線。懸掛式單軌車輛仿真的主要參數(shù)如表1所示,所建懸掛式單軌單電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

表1 懸掛式單軌車輛仿真的主要參數(shù)

圖1 懸掛式單軌單電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架車輛動(dòng)力學(xué)模型

受UM軟件的局限性限制,將道岔模型測(cè)量數(shù)據(jù)換算成不平順激勵(lì)來模擬道岔對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。為了更加直觀地研究道岔對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響,不平順激勵(lì)只包含道岔結(jié)構(gòu)本身的不平順,不包含由軌道制造或建設(shè)產(chǎn)生變形而造成的不平順。

以文獻(xiàn)[6]的懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)為參考,選擇轍叉和走行軌面一體的倒T形轍叉道岔結(jié)構(gòu),取道岔曲線半徑為50 m。倒T形轍叉道岔的三維模型如圖2所示。位于道岔中間的可動(dòng)倒T形轍叉,通過轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置來引導(dǎo)列車進(jìn)入不同線路,并能在列車通過道岔的時(shí)候提供走行軌面支撐。

注:1—曲線區(qū)域;2—直線區(qū)域;3—轍叉;4—走行輪部分懸空處;5—直線曲線混合區(qū)域。

受軌道結(jié)構(gòu)的限制,車輛在接觸倒T形轍叉的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)走行輪部分懸空的情況。經(jīng)過靜態(tài)分析,走行輪懸空的影響可忽略不計(jì),故本文不考慮其造成的走行輪力學(xué)性能變化。

當(dāng)?shù)筎形轍叉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),兩側(cè)導(dǎo)向面需要相互貼合,因此在走行輪部分懸空會(huì)造成導(dǎo)向軌面的不平滑,將在車輛通過時(shí)產(chǎn)生較大的橫向力,對(duì)車輛的運(yùn)行性能有很大影響。此外,由于倒T形轍叉轉(zhuǎn)動(dòng)后需要由兩側(cè)軌道梁的走行面來支撐,所以走行軌面在此處也是不平滑的。倒T形轍叉附加的走行面不平順如圖3所示。本文暫不考慮實(shí)際使用中為保證轍叉正常轉(zhuǎn)動(dòng)所需要預(yù)留的安裝間隙,只考慮走行面鋼板的厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[7],軌道梁鋼板厚度取為14 mm。

注:圈出部分右側(cè)鋼軌比左側(cè)鋼軌高出一個(gè)鋼板厚度(14 mm)。

通過對(duì)道岔模型的測(cè)量,可以得到相應(yīng)的不平順數(shù)據(jù)。圖4為車輛通過道岔的示意圖。當(dāng)車輛通過直線道岔時(shí),需要對(duì)右側(cè)的走行軌面、導(dǎo)向軌面和穩(wěn)定軌面添加相應(yīng)的不平順激勵(lì)。當(dāng)車輛通過曲線道岔時(shí),需要對(duì)左側(cè)的走行軌面、導(dǎo)向軌面和穩(wěn)定軌面添加相應(yīng)的不平順激勵(lì)。

a) 經(jīng)過直線道岔

本文研究的曲線道岔線路情況比具有緩和曲線的實(shí)際條件更為惡劣,其采用直線—圓曲線—直線的設(shè)置方式,不設(shè)置緩和曲線,對(duì)應(yīng)的線路長(zhǎng)度為50 m、30 m、50 m。由于道岔不平順數(shù)據(jù)量較大,考慮篇幅限制,不再列出三維模型測(cè)量后轉(zhuǎn)化的不平順數(shù)據(jù)。

根據(jù)GB 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定,懸掛式單軌車輛的加速度觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距轉(zhuǎn)向架中心1 000 mm處一側(cè)車體地板面上。車輛通過速度為v,前觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為F,后觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為B,具體觀測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 懸掛式單軌車輛平穩(wěn)性觀測(cè)點(diǎn)

2 懸掛式單軌車輛的道岔通過性能

相對(duì)于道岔結(jié)構(gòu)所造成的不平順激勵(lì),軌道和道岔本身的不平順非常小,本研究忽略不計(jì)。在車輛通過直線道岔時(shí),若走行輪最大垂向力數(shù)值未逼近極限值,則認(rèn)為能夠安全通過。

采用UM軟件對(duì)曲線半徑為50 m的道岔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算,得到不同載荷狀態(tài)下車輛通過不同道岔的評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù),如表2所示。由表2進(jìn)一步分析車輛的道岔通過性能。

表2 不同載荷狀態(tài)下車輛通過不同道岔時(shí)的評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)

無論是直線道岔還是曲線道岔,懸掛式單軌車輛在空載和滿載狀態(tài)下通過時(shí)的車體垂向振動(dòng)加速度和橫向振動(dòng)加速度均未超過2.50 m/s2,符合相關(guān)要求。

在滿載狀態(tài)下,車輛經(jīng)過直線道岔時(shí)的走行輪垂向力最大值為33.7 kN,小于走行輪的垂向力允許值(39.8 kN)。導(dǎo)向力和穩(wěn)定力的最大值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的徑向力允許值(22.0 kN)。由此判斷,車輛可以實(shí)現(xiàn)正常通過直線道岔。

當(dāng)空載狀態(tài)車輛以15 km/h速度通過曲線道岔時(shí),走行輪垂向力最大值為27.7 kN,小于走行輪的垂向力允許值39.8 kN。然而,當(dāng)空載狀態(tài)車輛以15 km/h和10 km/h速度通過曲線道岔時(shí),導(dǎo)向力最大值均高于徑向力允許值(22 kN),不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)空載狀態(tài)車輛以速度5 km/h通過時(shí),導(dǎo)向力最大值僅為20.5 kN,低于22 kN,說明車輛可以安全通過。

當(dāng)滿載狀態(tài)車輛以15 km/h速度通過曲線道岔時(shí):走行輪垂向力最大值為33.3 kN,小于走行輪的垂向力允許值(39.8 kN);導(dǎo)向力和穩(wěn)定力最大值分別為28.3 kN和21.2 kN,其中導(dǎo)向力最大值高于徑向力允許值(22 kN)。即使?jié)M載狀態(tài)車輛僅以5 km/h的速度通過曲線道岔,其導(dǎo)向力最大值也達(dá)到了22.9 kN,超過了22 kN。因此,在曲線半徑為50 m的倒T形轍叉道岔上,車輛速度須低于5 km/h,使得導(dǎo)向力最大值低于22 kN,才能安全通過。

3 導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置

為了優(yōu)化車輛過岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能,提高懸掛式單軌車輛的過岔速度,使倒T形轍叉道岔具有實(shí)際運(yùn)用的可行性,本文提出了一種位于轍叉前端的導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 轍叉前端導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在軌道梁上方安裝一個(gè)伸縮裝置,當(dāng)轍叉轉(zhuǎn)動(dòng)到一側(cè)的時(shí)候,對(duì)應(yīng)側(cè)的導(dǎo)向軌面補(bǔ)償結(jié)構(gòu)便會(huì)從軌道梁上方向下移動(dòng),補(bǔ)償轍叉前端結(jié)構(gòu)造成的導(dǎo)向軌面不平滑。車輛直線通過道岔時(shí)的導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置與此類似。

對(duì)增加導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置后的道岔模型進(jìn)行測(cè)量,得到新的道岔不平順數(shù)據(jù)。將新的道岔不平順數(shù)據(jù)添加到UM軟件中重新進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算,可以得到車輛以15 km/h速度通過道岔時(shí)的評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 增加導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置后車輛以15 km/h速度通過道岔時(shí)的評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)

由表3可知,在曲線半徑為50 m的倒T形轍叉道岔上,空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)下的懸掛式單軌車輛以15 km/h的速度通過直線道岔和曲線道岔時(shí),其車體的垂向最大振動(dòng)加速度和橫向最大振動(dòng)加速度均未超過2.50 m/s2。

在車輛滿載狀態(tài)下經(jīng)過直線道岔的時(shí)候,走行輪垂向力最大值為33.7 kN,小于走行輪的最大允許垂向力39.8 kN。在車輛滿載狀態(tài)下通過曲線道岔時(shí),導(dǎo)向力最大值為18.0 kN,穩(wěn)定力最大值為8.1 kN,均小于徑向力允許最大值(22 kN)。

通過對(duì)比表2及表3中速度為15 km/h時(shí)的車輛運(yùn)行評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)可知,增加導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置后,懸掛式單軌車輛通過直線道岔時(shí)各項(xiàng)數(shù)值差別不大,通過曲線道岔時(shí)導(dǎo)向力最大值、穩(wěn)定力最大值及車體橫向最大振動(dòng)加速度均得到了明顯改善,其余數(shù)值無明顯變化。這說明設(shè)置導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置能有效改善懸掛式單軌車輛通過倒T形轍叉曲線道岔的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

1) 倒T形轍叉道岔結(jié)構(gòu)造成的導(dǎo)向軌面不平順較大,懸掛式單軌車輛雖然可以安全通過直線道岔,但在通過曲線道岔時(shí),導(dǎo)向輪所承受的導(dǎo)向力非常大,即使降低通過道岔的運(yùn)行速度,也很難保證導(dǎo)向輪導(dǎo)向力不超過安全限值。

2) 在增加了導(dǎo)向軌面補(bǔ)償裝置后,懸掛式單軌車輛在通過曲線道岔時(shí),導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪所承受的徑向力大大減小,低于導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的徑向力允許最大值。懸掛式單軌車輛可以以15 km/h的速度安全通過50 m半徑結(jié)構(gòu)的倒T形轍叉道岔。