簡支梁式單軌車輛的運行穩定性研究

鄧有林 崔鈺敏

摘 要：為研究簡支梁式跨座式單軌車輛的運行穩定性，運用多體動力學原理和動力學仿真軟件建立簡支梁式單軌車輛動力學模型，與傳統的懸臂梁式單軌車輛進行對比分析。分析結果表明，簡支梁式單軌車輛與傳統懸臂梁結構相比，車輛的傾覆系數會增大，抗脫軌穩定性變好，車體側滾角變大。關鍵詞：跨座式單軌車輛;動力學仿真;運行穩定性中圖分類號：U232 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）01-95-02

Study on Operational stability?of Simple Supported Beam Monorail Vehicle

Deng Youlin， Cui Yumin

（?Research Institute of Rail Transit， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074?）

Abstract：?In order to study the running stability of the simply supported beam type straddle monorail vehicle， the multi-body dynamics principle and dynamics simulation software are used to establish the dynamic model of the simply supported beam monorail vehicle， which is compared with the traditional cantilever beam monorail vehicle. The analysis results show that compared with the traditional cantilever beam structure， the vehicle's overturning coefficient will increase， the antiderail?-ment stability will be better， and the vehicle body roll angle will be reduced.Keywords： Straddle monorail vehicle; Running wheel; stabilityCLC NO.：?U232 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2019）01-95-02

引言

傳統的跨座式單軌列車在我國已成功運行多年，在實際運行中，發現傳統的懸臂梁式單軌車輛存在諸多問題，主要有走行輪偏磨嚴重，走行輪拆卸復雜等。為解決這些問題，前人從輪胎模型參數研究了偏磨^[1]，以及加入差速器等方法減小輪胎偏磨^[2]。但都沒有改變構架結構進行相關研究，因此通過改變跨座式單軌車輛轉向架結構，達到改善單軌車輛輪胎偏磨，解決拆卸復雜的問題。

1 簡支梁式單軌車輛模型的建立

1.1?簡支梁式轉向架總成

簡支梁式跨座式單軌車輛雙軸轉向架完全可以避免上述缺點。這種轉向架的走行輪總成一端與動力總成相連，另一端通過軸承座與構架相連^[3]。

1.2?簡支梁式單軌車輛動力學模型

根據結構特點，建立自由度為37的車輛輪軌耦合動力學模型，此模型包括一個車體子結構模型，兩個轉向架子結構模型。重慶軌道交通3號線車輛曲線運行工況是在常規速度36km/h和極限速度43km/h安全通過半徑100m彎道。據此，本文研究選取36km/h和43km/h作為研究工況。

2?穩定性能評價指標

2.1?傾覆穩定性

車輛經過彎道時，走行輪的垂向力會發生變化，一側垂向力增載，一側垂向力減載。根據GB5599-1985的規定，車輛傾覆系數為D<0.8。

式（1）中 P_z—增載側走行輪垂向力;P_J—減載側走行輪垂向力。

2.2 抗脫軌穩定性

跨座式單軌車輛通常運行時車必然受到各種橫向力的作用，如風力、離心力等。在這些橫向力作用下，會造成單軌車輛的各個輪胎力的變化，會使得車輛一側的導向輪增載，同側的穩定輪減載，另一側的導向輪減載，而穩定輪增載，當橫向力大到某一值時，導向輪與穩定輪可能會離開軌面^[4]。

2.3?臨界側滾角

跨座式單軌車輛因為具有獨特的機理，因此我們假設一側導向輪中心與走行面齊平（上移0.16m），此時轉向架處于臨界傾覆狀態，臨界側傾角應滿足如下關系;

式（2）中L_d—導向輪質心到轉向架橫梁的垂距;

L₁—走行輪支點在橫梁上的投影到轉向架橫梁的距離;

h—走行輪支點到轉向架橫梁的距離。

此時臨界傾覆狀態的γ=8.4°，并規定該值為轉向架臨界側滾限值。

3?簡支梁單軌車輛穩定性研究

本文采用simpack軟件做動力學模型仿真計算。

3.1 傾覆穩定性分析

當走行輪經過曲線段時，其垂向力會有所變化，并且左右走行輪垂向力增減量相等。在36km/h的速度下，當懸臂梁式單軌車輛的前右走行輪最大垂向力為67kN，前左走行輪最小垂向力為33kN ，此時的傾覆系數為0.34。簡支梁式單軌車輛前右走行輪最大垂向力70kN，而此時前左走行輪最小垂向力為29.9kN，這個時候車輛的傾覆系數為0.4。

我們再來比較43km/h的速度通過彎道時，此時車輛的走行輪的增減載明顯大于在36km/h時，懸臂梁式單軌車輛前右走行輪最大垂向力為70kN，前左走行輪最大垂向力為29kN，此時車輛的傾覆系數為0.41。簡支梁式單軌車輛前右走行輪載荷增加到72kN，前左走行輪減載到27.3kN，這個時候車輛的傾覆系數為0.45。

由此可以得出結論，改變轉向架的構架結構后，簡支梁式單軌車輛的傾覆系數要比懸臂梁式單軌車輛的傾覆系數要大，但走行輪還在路面上行駛，在43km/h的速度下，傾覆系數依然遠小于規定值0.8。

3.2?抗脫軌穩定性受力分析

在36km/h速度下，懸臂梁式單軌車輛前轉向架導向輪徑向力變化大，前轉向架前左導向輪橫向力增加到7.8kN，前右導向輪橫向力減少到2.5kN，車輛左側穩定輪有一定的減載，右側穩定輪增載。簡支梁式單軌車輛前左導向輪橫向力6.3kN，前右導向輪橫向力為3.7kN ，而穩定輪過彎道時橫向力變化很小。

在43Km/h速度下，懸臂梁式單軌車輛轉向架右側兩個導向輪減載到0，說明此時車輛轉向架右側導向輪離開軌面，另一側導向輪增載到14000N，而穩定輪左側減載到0，右側增載到12000N，此時車輛出現脫軌現象。這個時候車輛抗脫軌穩定性較差。簡支梁式單軌車輛前轉向架中的前右導向輪橫向力減小到0，后右導向輪橫向力有較大減載，但未脫離軌面，前左側導向輪橫向力增加到10000N，后左導向輪橫向力增加到11000N，左側穩定輪橫向力減小到2500N，右側穩定輪橫向力增加到7500N。

綜上簡支梁式單軌車輛的抗脫軌穩定性比懸臂梁式單軌車輛要好。

3.3?車體側滾角分析

當車輛以36km/h運行時，簡支梁式單軌車體側滾角達到1.3°。

車輛在43km/h速度下，簡支梁式車體側滾角達到2.0°。綜上，簡支梁式單軌車輛比懸臂梁單軌車輛側滾角大，但小于臨界側滾限值。

4?結語

通過對簡支梁式單軌車輛動力學仿真計算分析，簡支梁式單軌車輛動力學性能與傳統懸臂梁單軌車輛有較大差別，主要表現在傾覆穩定性變差，抗脫軌穩定性變好，車體側滾角變大。

參考文獻

[1] 杜子學，陳亮.跨座式單軌走行輪胎模型參數辨識研究[J].機車電傳統，2017.

[2] 杜子學.帶差速器的跨座式單軌車輛雙軸動力學轉向架：中國， 201510667238.4[P] 2015-10-16.

[3]?杜子學.簡支梁式跨座式單軌車輛雙軸動力轉向架：中國， 201510 544945.4[P]2015-08-31.

[4] 王淵，孫守光，任尊松..橡膠輪轉向架車輛動態曲線通過行為研究[J].鐵道學報，2003，25（3）40.