一種基于轉臂式搖枕的跨坐式單軌車輛單軸走行部

張 讓， 任利惠， 沈 鋼

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院， 上海 201804)

跨坐式單軌交通采用橡膠輪胎和混凝土預制軌道梁，作為一種特色鮮明的城市軌道交通制式，具有爬坡能力強、轉彎半徑小、占地少、噪聲低、運量適中、造價低等顯著優點，其獨特的3大主要技術特性即噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強[1]。跨坐式單軌車輛騎在軌道梁上運行， 軌道梁一般是預應力混凝土箱型梁，車輛除底部走行輪外，在車體兩側下垂部分設有夾行于軌道梁兩側的導向輪和穩定輪，以保證車輛沿軌道安全平穩行駛[2]。

目前跨坐式單軌車輛主要有日立模式、龐巴迪模式和Scomi模式。

日立模式單軌車輛采用雙軸走行部，具有較強的承載能力，在單軌車輛中運量最大，懸掛系統采用膜式空氣彈簧，同時提供垂向和橫向緩沖功能。車體與轉向架之間的縱向力采用橡膠堆傳遞。2個牽引電機斜對稱安裝在構架上，通過齒輪箱和半軸驅動車輪旋轉。基礎制動裝置采用液壓制動缸和液氣轉換裝置，如圖1所示[3]。

龐巴迪模式跨坐式單軌車輛采用單軸走行部，走行部有4個導輪，2個穩定輪，走行部通過沙漏型橡膠彈簧支撐車體，沙漏簧具有垂向和橫向彈性，能夠允許轉向架相對車體產生轉角，使車輛順利通過小半徑曲線[4-5]，如圖2所示。

Scomi模式跨坐式單軌車輛走行部同樣采用單軸結構，垂向懸掛采用轉臂結構，轉臂的一端與框架鉸接，另一端由空氣彈簧支撐，車體和轉向架通過牽引銷和旁承連接，結構比較簡單，如圖3所示。對于兩軸轉向架，使用單軸轉向架可實現客室的低地板化，車輛也具有靈活的編組能力[6]。

相對于輪軌形式的軌道車輛，跨坐式單軌車輛的產品類型較少，主要原因是走行部品種類型較少。文中所設計的基于轉臂式搖枕的跨坐式單軌車輛單軸走行部，豐富了跨坐式單軌車輛的類型。

1-二系懸掛；2-驅動裝置；3-走行輪；4-導向輪；5-輔助輪；6-穩定輪。圖1 日立模式跨坐式單軌車輛走行部

1-走行輪；2-導向輪；3-沙漏橡膠彈簧；4-穩定輪；5-牽引拉桿；6-構架。圖2 龐巴迪模式跨坐式單軌車輛走行部

1-牽引銷；2-走行輪；3-構架；4-導向輪；5-橡膠彈簧；6-轉臂；7-穩定輪。圖3 Scomi模式跨坐式單軌車輛走行部

1 走行部結構

文中所設計的新型跨坐式單軌車輛單軸走行部主要由1 對走行輪、4 個導向輪、2 個穩定輪、“口”字型構架、轉臂式搖枕空氣彈簧懸掛系統、吊桿、單牽引拉桿以及牽引傳動裝置和基礎制動裝置組成，如圖4所示。

走行輪采用高壓充氣橡膠輪胎，與軌道梁的上表面配合。走行輪的空心車軸固接在構架一側側梁的內側，車輪通過軸承安裝在車軸上，車輪旋轉而車軸不轉。4 個導向輪呈水平設置在走行部的端部，與軌道梁的上部側面配合，2個呈水平穩定輪設置在走行部側面下部，與軌道梁的下部側面配合。導向輪和穩定輪在高度上有一定距離，兩者配合使用來提供抗側滾的剛度。

構架主體整體呈“口”字形，主要由2 根側梁和2 根橫梁組成。在構架一個側梁的中央向上設置輪邊電機和輪邊減速箱的支撐座，用來安裝輪邊電機和輪邊減速裝置。在側梁中央向下設置穩定輪的支撐梁，用來安裝穩定輪。在構架橫梁的端部向下設置導向輪的安裝座，用來安裝導向輪。在構架橫梁的上方設置轉動關節安裝座，用于安裝搖枕的轉軸。在構架橫梁的端部上部設置空氣彈簧安裝座，用于安裝空氣彈簧。在構架內側橫梁的中央設置牽引拉桿安裝座。

4個搖枕橫向布置在構架的橫梁上方。搖枕采用轉臂式結構，搖枕可繞構架橫梁上的縱向轉軸在側滾方向旋轉。空氣彈簧設置在搖枕和構架橫梁之間。由于搖枕只有繞縱向轉軸的運動，故空氣彈簧只承受垂向載荷，可使用約束模式的空氣彈簧。車體通過吊桿吊掛在搖枕上，通過搖枕體的轉臂結構和空氣彈簧，實現了垂向振動的緩沖。在構架同側橫梁上方的2 個搖枕，在轉軸內側通過抗側滾彈簧連接，通過選擇抗側滾彈簧的剛度，可靈活改變懸掛系統的抗側滾剛度，如圖5所示。轉向架每側各2個吊桿，車體通過4根吊桿吊掛在搖枕外端。吊桿上端通過球形轉動關節與搖枕外端連接，吊桿下端通過球形轉動關節與車體連接。通過吊桿的橫向擺動，依靠車體重力實現橫向緩沖。通過吊桿的縱向擺動，適應車體與轉向架通過水平曲線時的位移。

1-構架拉桿；2-走行輪；3-搖枕；4-空氣彈簧；5-吊桿；6-制動盤；7-導向輪；8-穩定輪；9-抗側滾彈簧；10-牽引拉桿。圖4 走行部結構的三維示意圖

1-車體；2-搖枕；3-空氣彈簧；4-吊桿；5-構架；6-走行輪；7-導向輪；8-穩定輪；9-軌道梁。圖5 轉臂式搖枕懸掛結構的示意圖

牽引電機設置在構架側梁的外側，減速齒輪裝置與牽引電機分別設置在走行輪的兩側，牽引電機的輸出軸聯接半軸，半軸穿過空心車軸與減速齒輪裝置的輸入軸聯接，減速齒輪裝置的輸出軸與車輪聯接，驅動車輪旋轉，如圖6所示。

2 動力學性能分析

2.1 車輛動力學模型

為了判斷該新型跨坐式單軌車輛單軸走行部的動力學性能，利用多體動力學軟件Universal Mechanism建立該新型跨坐式單軌車輛的動力學模型進行動力學分析。車輛動力學模型的主要組成有1個車體、2個構架、4個走行輪、8個導向輪和4個穩定輪，車體和走行部構架視作剛體處理，具有伸縮、沉浮、橫移、側滾、點頭和搖頭 6 個自由度。空氣彈簧簡化為彈簧阻尼力元，吊桿、減振器可簡化為雙極力元，即力的方向沿兩點之間連線的方向。橡膠輪胎具有復雜的力學特性, 實用的輪胎模型可以分為純理論、半經驗、純經驗模型3 類, 其應用場合各有不同，文中采用Fiala理論模型，包括輪胎的側偏特性。表1給出了車輛的主要動力學參數，圖7給出了該新型跨坐式單軌車輛運動學關系和部件之間的連接關系拓撲結構圖，圖8為使用UM軟件建立的動力學仿真模型。

1-電機；2-聯軸節；3-構架；4-車軸；5-半軸；6-輪轂；7-車輪；8-行星輪系；9-制動盤。圖6 傳動系統結構示意圖

圖7 拓撲結構圖

圖8 UM動力學仿真模型

參數數值車體質量/kg12000轉向架質量/kg2200走行輪徑向剛度/(MN·m-1)1.40走行輪側偏剛度/(MN·rad-1)0.35導向輪徑向剛度/(MN·m-1)0.65穩定輪徑向剛度/(MN·m-1)0.65空氣彈簧垂向剛度/(MN·m-1)0.12抗剪彈簧垂向剛度/(MN·m-1)1吊桿長度/m0.75垂向減振器阻尼系數/(kN·(m·s-1))50橫向減振器阻尼系數/(kN·(m·s-1))50車輛定距/m8.0車體重心距軌面高度/m0.50轉向架重心距軌面高度/m0.45導向輪中心距軌面高度/m0.15穩定輪中心距軌道高度/m0.90走行輪橫向距離之半/m0.15走行輪半徑/m0.50導向輪半徑/m0.27穩定輪半徑/m0.27導向輪和穩定輪的預壓力/N5000

2.2 曲線通過性能

轉彎半徑小是單軌交通的優點之一，其正線的最小曲線半徑通常只有100 m。圖9給出了車輛以均衡速度通過曲線半徑為100 m曲線路段時，前后轉向架各輪載荷變化情況。從圖中可以看出：車輛在進入曲線路段時，前走行部的右側前導向輪和左側后導向輪以及后走行部的左側前導向輪和右側后導向輪徑向力逐漸增大然后趨于穩態；前走行部的左側前導向輪和右側后導向輪以及后走行部的右側前導向輪和左側后導向輪徑向力逐漸減小然后趨于穩態。前走行部右側前導向輪和左側后導向輪的徑向力較大，左側前導向輪和右側后導向輪徑向力較小；后走行部左側前導向輪和右側后導向輪徑向力較大，右側前導向輪和左側后導向輪徑向力較小，這樣前后走行部4個導向輪所受徑向力就會形成一個使車輛沿軌道行駛方向轉動的搖頭力矩，前后走行部的搖頭力矩方向相反，這兩個搖頭力矩是車輛更好地通過曲線路段的主要轉動力。前走行部右側穩定輪徑向力在曲線路段增大，左側穩定輪徑向力減小，后走行部左右穩定輪徑向力變化不大。前后走行部走行輪側偏力方向相反，由于車體和走行部用吊桿連接，車體和走行部之間有一定的轉角，故走行輪側偏力一直存在側偏力。前后走行部左側走行輪徑向力均增大，右側走行輪徑向力均減小，左右輪增減載量較小。

圖10給出車輛以均衡速度分別通過各個曲線半徑的車體側滾角、導向輪徑向力、穩定輪徑向力和走行輪側偏力的穩態最大值，其中曲線超高率設置為6%。可以看出：隨著曲線半徑的減小，車輛的側滾角、導向輪徑向力、穩定輪徑向力和走行輪側偏力均逐漸增大。

圖9 R100 m曲線走行部各輪載荷變化曲線

2.3 運行平穩性

這里采用Sperling指標來評價該新型跨坐式單軌車輛的平穩性。由于缺少跨坐式單軌車輛的軌道不平順譜相關資料，這里采用ISO 8608標準A級公路譜譜來模擬軌道不平順，得到車輛在直線上運行的加速度，然后按GB 5599-85方法處理后得到Sperling指標。

圖11給出了在ISO 8608標準A級公路譜激勵下(激勵譜系數分別取0.5和1)，車輛在各速度級的橫向和垂向Sperling指標值。從圖11中看出：隨著速度的增加，車輛的運行平穩性逐漸變差；軌道譜系數為0.5，在90 km/h的速度范圍內車輛橫向和垂向平穩性指標均小于2.5，平穩性等級為優秀；軌道譜系數為1，在90 km/h 的速度范圍內車輛橫向和垂向平穩性指標均小于2.5，平穩性等級為優秀。

圖11 車輛的Sperling指標

3 結 論

文中設計了一種基于轉臂式搖枕的跨坐式單軌車輛單軸走行部，其懸掛方式采用轉臂式搖枕空氣彈簧結構，實現垂向減振；橫向懸掛采用吊桿，依靠吊桿的橫向擺動提供橫向彈性，依靠吊桿的縱向擺動適應曲線通過時車體與轉向架的變位；牽引電機設置在構架側梁的外側，減速齒輪裝置與牽引電機分別設置在走行輪的兩側。

利用多體動力學軟件UM建立跨坐式單軌車輛動力學模型，通過仿真分析其動力學性能。動力學分析表明：文中設計的跨坐式單軌車輛具有良好的曲線通過性能；軌道譜系數分別為0.5和1時，90 km/h的速度范圍內單軌車輛的垂向和橫向平穩性指標均為優秀。

[1] 仲建華.跨坐式單軌交通在我國的應用和創新[J].都市快軌交通,2014(2):1-5.

[2] 肖俊.單軌交通應用性分析[J].電力機車與城軌車輛,2013(4):20-23.

[3] 劉紹勇.重慶跨坐式單軌轉向架的研制[J].鐵道車輛,2003(9):18-21.

[4] 任利惠,周勁松,沈鋼.跨坐式獨軌車輛動力學模型和仿真[J].中國鐵道科學,2004(4):26-31.

[5] 彭立群,林達文,吳興磊,等.跨坐式單軌車轉向架牽引機構試驗設計與研究[J].鐵道機車車輛,2014,34(2):70-73

[6] 夏贊鷗.龐巴迪單軌關鍵技術的改進與革新[J].現代城市軌道交通,2016(2):97-100.