走行輪失效對(duì)跨座式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響分析

杜子學(xué)，唐 飛，何欽洪，閭志明

(1. 重慶交通大學(xué) 軌道交通研究院，重慶 400074；2. 通號(hào)軌道車(chē)輛有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410217)

0 引 言

跨座式單軌交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)城軌交通系統(tǒng)在車(chē)輛轉(zhuǎn)向架、軌道梁、道岔等方面存在著巨大差異，尤其車(chē)輛走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪采用橡膠充氣輪胎，導(dǎo)致其走行機(jī)理及動(dòng)力學(xué)性能差異很大，因此跨座式單軌車(chē)輛具有爬坡能力和曲線通過(guò)能力強(qiáng)、噪聲低、乘坐舒適等特點(diǎn)。跨座式單軌車(chē)輛走行輪起著承載、牽引、制動(dòng)、緩沖、減振等作用，但由于走行輪是橡膠充氣輪胎，可能在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)槟ズ摹⒋檀⑹狻⒈サ仍驅(qū)е率В绊憜诬壾?chē)輛正常運(yùn)行，因此有必要對(duì)走行輪失效時(shí)的單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)展研究。

1 車(chē)輛模型的建立

跨座式單軌交通系統(tǒng)主要由車(chē)輛、軌道結(jié)構(gòu)、電氣通信系統(tǒng)和車(chē)站等組成。跨座式單軌車(chē)輛由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、鉤緩裝置、車(chē)輛設(shè)備和電氣系統(tǒng)等部分組成[1]。單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架是其最獨(dú)特的組成部分，每個(gè)轉(zhuǎn)向架共有10個(gè)橡膠充氣輪胎和8個(gè)輔助安全輪，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架三維模型Fig. 1 Three-dimensional model of bogie for monorail vehicle

為了在橡膠充氣輪胎失效時(shí)保證車(chē)輛及乘客安全地回到最近站點(diǎn)或檢修基地，轉(zhuǎn)向架裝備有走行輔助安全輪。正常情況下輔助安全輪半徑小于充氣輪半徑，處于非工作狀態(tài)，當(dāng)橡膠充氣輪胎失效時(shí)才起到臨時(shí)代替作用。輔助安全輪由鋁質(zhì)輪芯外覆一層聚氨酯彈性體制成，具有承載能力大、強(qiáng)度高、耐磨、耐扎刺等特點(diǎn)[2]。

2 跨座式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

跨座式單軌車(chē)輛主要由車(chē)體和前、后轉(zhuǎn)向架組成。走行輪通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，承受車(chē)輛垂向載荷并傳遞牽引力和制動(dòng)力給軌道梁；導(dǎo)向輪分布在構(gòu)架四角，緊貼著軌道梁側(cè)面上部，引導(dǎo)車(chē)輛沿軌道行駛；穩(wěn)定輪對(duì)稱固定在構(gòu)架中間兩側(cè)，緊靠軌道梁側(cè)面下部行駛，起著穩(wěn)定車(chē)輛運(yùn)行的作用；走行輔助安全輪對(duì)稱固定在構(gòu)架前后端。車(chē)體直接坐落在空氣彈簧上，單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型如圖2 。

圖2 跨座式單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型Fig. 2 Dynamic model of straddle-type monorail vehicle

跨座式單軌的軌道梁由一個(gè)走行路面和兩個(gè)導(dǎo)向路面組成，因此需建3個(gè)路面來(lái)模擬軌道梁。線路模型由5段組成：直線段、緩和曲線段、圓曲線段、緩和曲線段、直線段，如圖3。筆者所采用的彎道為左轉(zhuǎn)彎道，車(chē)輛過(guò)曲線段時(shí)左輪和右輪分別位于曲線的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。

圖3 跨座式單軌線路模型Fig. 3 Straddle-type monorail line model

根據(jù)GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》，在直線與半徑不大于2 000 m的圓曲線之間應(yīng)采用3次拋物線型的緩和曲線連接。根據(jù)曲線半徑、最高運(yùn)行速度或曲線限速，按GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中表6.2.3緩和曲線長(zhǎng)度的規(guī)定選用，線路參數(shù)見(jiàn)表1。為了平衡車(chē)輛在曲線上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的離心力，軌道外側(cè)設(shè)置一定的超高，曲線超高率及曲線限速[3]見(jiàn)表2。

表1 曲線線路設(shè)置Table 1 Curve line setting m

表2 曲線超高率及曲線限速Table 2 Curve super-high rate and curve speed limit

3 走行輪失效對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響分析

3.1 走行輪失效對(duì)穩(wěn)定性的影響分析

根據(jù)跨座式單軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及走行原理，選擇走行輔助安全輪垂向力、走行輪最大垂向力、導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、車(chē)體側(cè)滾角作為單軌車(chē)輛穩(wěn)定性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4-6]。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)滿足走行輔助安全輪進(jìn)入工作狀態(tài)、走行輪最大垂向力大于141 kN[7]、導(dǎo)向輪最大徑向力大于22.54 kN、穩(wěn)定輪最大徑向力大于22.54 kN、側(cè)滾角大于10°[8]等條件之一，視為不安全狀態(tài)。

3.1.1 工況一

軌道類(lèi)型為R100的彎道、車(chē)輛AW0狀態(tài)、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪預(yù)壓力為4 900 N等工況下，在不同運(yùn)行速度下對(duì)車(chē)輛正常運(yùn)行及前轉(zhuǎn)向架不同走行輪失效進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4。

圖4 AW0狀態(tài)下速度對(duì)安全性能指標(biāo)的影響Fig. 4 Effect of speed on safety performance index in AW0 state

根據(jù)圖4可知：

1)走行輪失效時(shí)車(chē)輛在AW0狀態(tài)下，當(dāng)運(yùn)行速度小于等于35 km/h時(shí)，走行輔助安全輪垂向力為0 N，走行輪最大垂向力小于141 kN，導(dǎo)向輪最大徑向力小于22.54 kN，穩(wěn)定輪最大徑向力小于22.54 kN，車(chē)體側(cè)滾角小于10°，滿足跨坐式單軌車(chē)輛正常運(yùn)行安全要求；當(dāng)運(yùn)行速度大于35 km/h時(shí)，走行輔助安全輪垂向力由0開(kāi)始逐漸增大，走行輔助安全輪處于工作狀態(tài)，不滿足跨坐式單軌車(chē)輛運(yùn)行安全要求。由此可得出，在AW0狀態(tài)下走行輪失效時(shí)彎道R100的限速為35 km/h。

2)前左、后左走行輪失效時(shí)，走行輔助輪垂向力、走行輪最大垂向力、導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、車(chē)輛側(cè)滾角變化趨勢(shì)相同；前右、后右走行輪失效時(shí)，走行輔助輪垂向力、走行輪最大垂向力、導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、車(chē)輛側(cè)滾角變化趨勢(shì)相同。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，同側(cè)走行輪失效對(duì)車(chē)輛安全性能的影響基本相同。

3)彎道內(nèi)側(cè)走行輪失效時(shí)，車(chē)輛向內(nèi)側(cè)傾斜，隨著速度的增大，車(chē)輛由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A，走行輔助安全輪一直處于非工作狀態(tài)，走行輪最大垂向力、穩(wěn)定輪最大徑向力逐漸減小，導(dǎo)向輪最大徑向力、側(cè)滾角均先減小后增大；彎道外側(cè)走行輪失效時(shí)，車(chē)輛向外側(cè)傾斜，隨著速度的增大，車(chē)輛外傾加劇，走行輔助輪垂向力、走行輪最大垂向力、導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、側(cè)滾角均增大。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，彎道內(nèi)側(cè)走行輪失效與彎道外側(cè)走行輪失效對(duì)車(chē)輛安全性能的影響差異較大，速度較大時(shí)彎道外側(cè)走行輪失效時(shí)的走行輔助安全輪垂向力、導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、車(chē)輛側(cè)傾角均較大，因此可以得出，速度較大時(shí)彎道外側(cè)走行輪失效對(duì)車(chē)輛安全性能影響較大。

3.1.2 工況二

軌道類(lèi)型為R100的彎道，車(chē)輛AW3狀態(tài)、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪預(yù)壓力4 900 N等工況下，對(duì)正常運(yùn)行及前轉(zhuǎn)向架不同走行輪失效進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5。

圖5 AW3狀態(tài)下速度對(duì)安全性能指標(biāo)的影響Fig. 5 Effect of speed on safety performance index in AW3 state

根據(jù)圖5可知：

1)在AW3狀態(tài)下，走行輪失效時(shí)，走行輪輔助輪垂向力均大于0 N，不滿足跨坐式單軌車(chē)輛正常運(yùn)行安全要求，但走行輔助安全輪可以暫時(shí)輔助車(chē)輛到達(dá)鄰近站點(diǎn)疏散乘客及返回檢修基地。

2)彎道內(nèi)側(cè)走行輪失效時(shí)，隨著速度的增大，走行輔助安全輪垂向力逐漸減小為0 N，走行輪最大垂向力逐漸減小，導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、側(cè)滾角均先減小后增大，但均未超過(guò)規(guī)定值，滿足跨坐式單軌車(chē)輛正常運(yùn)行安全要求；彎道外側(cè)走行輪失效時(shí)，走行輔助輪垂向力、走行輪最大垂向力、導(dǎo)向輪最大徑向力、穩(wěn)定輪最大徑向力、側(cè)滾角均隨速度的增大而增大，當(dāng)速度大于等于31 km/h時(shí)穩(wěn)定輪最大徑向力開(kāi)始大于22.5 KN，穩(wěn)定安全輪開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)車(chē)輛處于極端惡劣工況下運(yùn)行，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全危害極大。因此，建議在AW3狀態(tài)下彎道R100的安全運(yùn)行限速為30 km/h。

通過(guò)相同的分析方法可得出不同曲線半徑下走行輪失效時(shí)的限速值，結(jié)果如表3。

表3 走行輪失效時(shí)的曲線限速Table 3 Speed limit of curve when walking wheels fail

3.2 走行輪失效對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性的影響分析

運(yùn)行平穩(wěn)性是評(píng)價(jià)單軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的重要指標(biāo)。本節(jié)主要分析走行輪失效對(duì)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，采用GB7031—1986《車(chē)輛振動(dòng)輸入 路面平度表示方法》中的A級(jí)路面來(lái)模擬軌道不平順，在轉(zhuǎn)向架正上方距離中心一側(cè)1m的車(chē)輛地板面上選取A、B兩點(diǎn)作為加速度測(cè)量點(diǎn)[9]，如圖6。

圖6 平穩(wěn)性測(cè)量點(diǎn)Fig. 6 Stability measuring point

平穩(wěn)性計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：W為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動(dòng)加速度;g=9.8 m/s2;f為振動(dòng)頻率，Hz；F(f)為頻率修正系數(shù)，頻率修正系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 頻率修正系數(shù)Table 4 Frequency modified coefficients

因?yàn)檐?chē)輛振動(dòng)具有隨機(jī)性與非周期性，其加速度和頻率均隨時(shí)間變化而變化。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，根據(jù)頻率對(duì)振動(dòng)進(jìn)行分組，統(tǒng)計(jì)每一頻率下的不同加速度值，計(jì)算總的平穩(wěn)性指標(biāo)。當(dāng)分成n個(gè)頻率段時(shí)，平穩(wěn)性指標(biāo)按式(2)計(jì)算：

(2)

通過(guò)計(jì)算車(chē)輛垂向和橫向振動(dòng)的平穩(wěn)性指數(shù)，并按照GB5599—85《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》評(píng)價(jià)單軌車(chē)輛的運(yùn)行平穩(wěn)性，平穩(wěn)性評(píng)定等級(jí)見(jiàn)表5。

表5 客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)Table 5 Stability index of bus operation

在平穩(wěn)性模擬運(yùn)行中，導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪預(yù)壓力為4 900 N，線路為500 m的直線，在走行路面、左右導(dǎo)向路面分別施加不平順激勵(lì)，按式(2)計(jì)算A點(diǎn)和B點(diǎn)的平穩(wěn)性指標(biāo)，A點(diǎn)和B點(diǎn)平穩(wěn)性指標(biāo)分別見(jiàn)表6、表7。

表6 A點(diǎn)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)Table 6 Running stability index of A point

表7 B點(diǎn)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)Table 7 Running stability index of B point

(續(xù)表7)

運(yùn)行速度/(km·h-1)評(píng)定內(nèi)容平穩(wěn)性指標(biāo)W正常運(yùn)行走行輪失效時(shí)前左前右后左后右60橫向平穩(wěn)性2.414 82.689 02.629 92.643 42.736 7垂向平穩(wěn)性2.368 02.769 92.689 13.198 73.586 575橫向平穩(wěn)性2.289 32.575 62.465 72.427 22.663 0垂向平穩(wěn)性2.652 23.547 23.565 52.729 73.227 7

從表6、表7可看出：

1)正常運(yùn)行時(shí)，車(chē)輛橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.75，運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)為良。

2)相同速度下，走行輪失效時(shí)橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均比正常運(yùn)行時(shí)大，其中橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增大了0.2～1.1，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大了0.2～1.2。走行輪失效時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于3.0，橫向平穩(wěn)性等級(jí)為合格；部分垂向平穩(wěn)性指標(biāo)已超出3.0，垂向平穩(wěn)性等級(jí)為不合格。由此可以說(shuō)明，走行輪失效時(shí)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性變差。

4 結(jié) 論

1)在AW0及AW3狀態(tài)下分別對(duì)單軌車(chē)輛不同走行輪失效進(jìn)行分析，確定了走行輪失效時(shí)曲線R100的安全運(yùn)行限速值分別為35、30 km/h。

2)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，彎道同側(cè)走行輪失效對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響趨勢(shì)基本相同，彎道內(nèi)側(cè)走行輪失效與外側(cè)走行輪失效對(duì)車(chē)輛安全性能的影響差異較大，其中速度較大時(shí)彎道外側(cè)走行輪失效對(duì)車(chē)輛安全性能的影響較大。

3)與正常運(yùn)行相比，走行輪失效時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增大了0.2～1.1，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大了0.2～1.2。雖然走行輪失效時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于3.0，但部分垂向平穩(wěn)性指標(biāo)已超過(guò)3.0，說(shuō)明走行輪失效對(duì)跨坐式單軌車(chē)輛的運(yùn)行平穩(wěn)性影響較大，車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性變差。