跨座式單軌車輛動力學性能試驗研究

李耘蘢，張楊

跨座式單軌車輛動力學性能試驗研究

李耘蘢，張楊

（中鐵合肥新型交通產業投資有限公司，安徽 合肥 231699）

針對某型跨座式單軌車輛，通過在車體和構架上布置加速度傳感器，對車輛空載和滿載時的加速度數據進行采集，基于GB/T 5599－2019對車輛的運行穩定性、運行品質、平穩性指標和舒適度進行評估。現場試驗結果表明：該型車輛在90 km/h速度范圍內，轉向架未發生失穩現象，車體橫向振動加速度和垂向振動加速度均小于2.5 m/s2，橫向和垂向平穩性指標均達到優級或良好等級，同時舒適度指標均達到舒適標準。中間車的平穩性較頭車差，而頭車的乘坐舒適度較中間車差，因此需要綜合使用平穩性指標和舒適度指標對乘客乘坐舒適度進行綜合評價。總體來說，該跨座式單軌車輛的動力學性能優良，滿足設計要求。

跨座式單軌；動力學試驗；加速度；穩定性；平穩性

單軌交通主要結構形式為跨座式單軌和懸吊式單軌[1]。跨座式單軌車輛與傳統的輪軌交通相比，其特點在于其走行輪采用橡膠輪胎，同時在轉向架兩側安裝有導向輪和穩定輪，夾行于軌道梁兩側，為轉向架提供導向和抗傾覆能力。跨座式單軌轉向架通常分為單軸轉向架與雙軸轉向架。與雙軸轉向架相比，單軸轉向架能夠顯著降低車輛重心高度，有利于設置縱向緊急疏散通道，同時單軸轉向架能夠使輪胎在曲線處行駛軌跡與軌道梁更為匹配，減小行車阻力和輪胎磨耗，降低噪音，減小振動。

跨座式單軌車輛的動力學性能通常采用現場試驗或數值仿真的方法進行研究。周生通等[2]通過廣義多項式混沌方法，證明車輛載重、走行輪垂向剛度、水平輪徑向剛度、空氣彈簧垂向阻尼是對平穩性指標方差貢獻最主要的隨機參數。趙增闖[3]針對龐巴迪公司輕型跨坐式單軌車輛的特點，初步論證了輕型跨坐式單軌車輛動力學性能評價指標的適用性。李軍等[4]對橫風激擾下的跨座式單軌車輛的運行平穩性進行分析，認為車速、風速和合成風向角對跨座式單軌車輛的運行平穩性有顯著影響。Zhang等[5]研究了導向輪和穩定輪預壓力對跨坐式單軌車輛臨界橫向載荷的影響。沈龍江[6]認為跨座式單軌車輛需要提前設置合理的預壓力來保證單軌車輛的抗傾覆穩定性和運行安全性。李燕陽等[7]利用仿真軟件對跨座式單軌抗傾覆性能與臨界側滾角進行了分析，并計算出臨界側滾角和臨界超高率。羅寶良[8]基于MATLAB/SIMULIK軟件建立了單軌車輛動力學模型，在無側風和有側風載荷作用下分析了不同工況下的運行平穩性。Maclel[9]研究了不同車輪的建模方法對車輛動力學仿真計算的影響，結果表明車輪徑向力對于單軌車輛的建模計算有重要影響。杜子學等[10]運用SIMPACK動力學仿真軟件建立了跨坐式單軌車輛的整車動力學仿真模型，采用Sperling方法對車輛平穩性指標進行評價。周君鋒[11]通過仿真分析了多種軌道不平順下的重慶單軌車輛平穩性指標。

目前國內外學者對跨座式單軌車輛動力學性能的研究主要集中在理論仿真方面，現場試驗研究較少，導致本文跨座式單軌車輛的動力學研究缺乏足夠的試驗數據，也未形成針對性的動力學標準。本文國內自主設計研發的單軸跨座式單軌車輛為研究對象，在借鑒相關標準的基礎上系統開展現場動力學試驗，其測試結果為單軌車輛的動力學性能優化研究提供了重要的參考，同時也為相關動力學標準的制定提供支撐。

1 車輛結構及動力學測試內容

1.1 車輛及轉向架結構

本次試驗對象為自主設計的單軸跨座式單軌車輛，如圖1所示。車輛編組形式為3編組，前后車帶司機室。考慮到車輛編組結構的對稱性和車輛運行往返特性，本文針對前司機室和中間車輛進行動力學測試。該車輛采用單軸轉向架，轉向架主要由走行輪、穩定輪、導向輪、構架、牽引裝置、抗點頭裝置、二系懸掛系統等結構組成，走行輪、導向輪和穩定輪數量分別為2個、4個和2個，轉向架結構如圖2所示。與傳統的雙軸跨座式單軌轉向架相比，單軸轉向架具有更好的曲線通過性能，走行輪胎在通過曲線時側偏角度更小，同時導向輪和穩定輪的載荷也有所降低，能有效減小走行輪胎和導向穩定/輪胎的磨損，從而達到降低運營成本的目的。轉向架采用單拉桿牽引方式，考慮到單軸轉向架的特點，獨立設置抗點頭扭桿用于抑制構架相對于車體的點頭運動，同時設在二系設置橫向和垂向減振器，有效衰減構架和車體之間的振動。為了降低車體重心，提高車輛的抗傾覆性能，將空氣彈簧布置在構架兩側且低于軌面。

圖1 測試車輛

圖2 轉向架結構圖

1.2 動力學測試內容

車輛動力學性能是指車輛在運行過程中，車輛運行安全性指標以及乘客乘坐體驗等指標，在車輛設計和運用中十分關鍵。

由于目前沒有專門針對跨座式單軌車輛的動力學標準，本文在國內外跨座式單軌車輛運用經驗的基礎上，結合該車輛轉向架的結構特點，借鑒GB/T 5599－2019[12]，對車輛運行穩定性、運行品質、運行平穩性和乘坐舒適度進行評估，以上指標均通過設置加速度傳感器獲取不同位置的振動加速度來進行評價。

依據GB/T 5599－2019，在車體內部不同位置安裝8個三向加速度傳感器，測點布置如圖3所示。

其中測點1至測點8的位置分別為頭車司機座椅下方地板面、頭車第一位轉向架上方地板面、頭車中間座椅下方、頭車第二位轉向架上方地板面、中間車第一位轉向架上方地板面、中間車中間座椅下方、中間車第二位轉向架上方地板面、中間車后排座椅下方，如圖4和圖5所示。另外，在構架上安裝1個橫向加速度傳感器，具體安裝位置如圖4所示。以上加速度傳感器安裝在不同的位置，其測量數據用于評估不同的車輛動力學性能。

圖3 車體加速度測點位置示意圖

圖4 中間車座椅下方傳感器安裝位置

圖5 傳感器布置實物圖

2 運行穩定性測試結果

對于傳統的鐵道車輛來說，由于輪軌關系的特殊性，始終存在輪軌蛇行問題，當蛇行失穩時，車輛有脫軌傾覆的危險，因此對車輛橫向穩定性的評估十分重要。根據GB/T 5599－2019，車輛的橫向穩定性用于評定轉向架是否發生了不能迅速衰減的連續橫向振蕩，通常采用轉向架構架橫向振動加速度進行評價，當加速度峰值有連續6次以上，達到或超過8 m/s2時，判定轉向架未發生橫向失穩[13]。

圖6 構架上傳感器布置位置

跨座式單軌轉向架采用的是橡膠輪，其輪軌關系不存在蛇行失穩的問題，但是車輛在運行過程中，會出現導向輪和穩定輪連續脫離軌道梁側面，對車輛運行安全性和抗傾覆能力產生一定的影響，因此本文借鑒GB/T 5599－2019中對橫向穩定性的評估方法，對跨座式單軌車輛的運行穩定性進行測試和分析。

利用安裝在構架上的加速度傳感器對構架橫向振動加速度進行實時連續采樣，并對加速度數據進行0.5～10 Hz帶通濾波，其中車輛最高試驗速度為90 km/h，載荷工況包括AW0工況和AW3工況。根據測試結果分析可知，隨著跨座式單軌車輛運行速度的不斷提高，構架橫向加速度逐漸增大，在速度為90 km/h時加速度達到最大值。跨座式單軌車輛在AW0和AW3工況下以90 km/h速度運行時，構架橫向振動加速度如圖7所示，其他速度下的構架橫向振動加速度由于篇幅限制不再展示。

可以看出，AW0和AW3工況下的構架橫向加速度幅值相差不大，兩種工況下的構架最大橫向振動加速度雖然都超過了8 m/s2，但是并未出現連續6次以上達到或超過8 m/s2，因此判定車輛轉向架未發生失穩現象。

圖7 運行穩定性測試結果

3 運行品質測試結果

根據標均值與標準差可以求得：

考慮到車輛實際布置情況，選擇對測點2、4、5、7進行運行品質的評估，以上測點在AW0和AW3工況下的運行品質如圖8和圖9所示。可以看出：跨座式單軌車輛在30～90 km/h速度范圍內運行時，車體橫向和垂向振動加速度評價值整體呈上升趨勢，測點2的加速度幅值最小，而測點5的加速度幅值最大，說明中間車的橫向振動加速度和垂向振動加速度大于頭車；AW0和AW3工況下車體橫向振動加速度和垂向振動加速度均小于2.5 m/s2，運行品質滿足GB/T 5599－2019要求；AW3工況下的車體最大振動加速度值出現在70 km/h左右，主要原因是在該速度下的車輛振動頻率與線路固有波長對應的頻率相近，產生共振現象。

圖8 AW0工況下的運行品質

圖9 AW3工況下的運行品質

4 運行平穩性測試結果

運行平穩性是衡量乘客乘坐舒適度的重要指標，國內外車輛動力學標準中采用不同的評估方法。本文借鑒GB/T 5599－2019，車輛運行平穩性分別使用平穩性指標和舒適度指標進行評價。

4.1 平穩性指標

平穩性指標的計算公式為：

式中：為平穩性指標；為振動加速度，m/s2；為振動頻率，Hz；為頻率修正系數，如表1所示。

表1 頻率修正系數

根據GB/T 5599－2019，平穩性指評定等級如表2所示。對于新造車輛，一般要求評定等級在良好及以上。

表2 平穩性指標等級表

考慮到車輛實際情況，本文選擇對測點1、4、5、7的加速度數據進行處理，并進行運行平穩性評估。以上測點在AW0和AW3工況下的運行平穩性如圖10和圖11所示。分析結果表明：車輛在AW0狀態下，在90 km/h速度范圍內運行時，橫向平穩性指標均小于2.5，評價為優級；在速度達到或超過80 km/h后，垂向平穩性指標大于2.5，但未超過2.75，評價等級為良好。車輛在AW3工況下，90 km/h速度范圍內橫向和垂向平穩性指標均未超過2.75，垂向平穩性指標最大值出現在70 km/h時；測點1的平穩性指標較小，而測點5的平穩性指標較大。整體來看，車輛在AW3工況下的運行平穩性略差于AW0工況，同時中間車的運行平穩性較頭車差，規律與運行品質類似。

4.2 舒適度指標

舒適度N的簡化計算公式為：

圖11 AW3工況下的平穩性指標

由于人體結構較為復雜，對不同方向和不同頻率的加速度敏感程度不同，所以在舒適度的計算中需要對采集的加速度數據進行頻率加權處理，使計算結果更加符合真實情況。對于簡化算法，方向和方向需要進行帶通濾波和權重濾波，方向需要進行帶通濾波和權重濾波。標準中使用傳遞函數方式進行濾波處理，其中的轉移函數為：

的轉移函數為：

的轉移函數為：

上述各轉移函數中各項參數的取值如表3所示。

表3 轉移函數中參數取值

根據GB/T 5599－2019，舒適度指標等級如表4所示。

表4 舒適度指標等級表

結合標準規定和車輛實際情況，本文選擇中間車體中部為舒適度測點位置，即測點3和測點6。車輛在AW0和AW3工況下的舒適度指標如表5所示。可以看出：

（1）在AW0狀態下，40 km/h速度范圍內舒適度指標均小于1.5，達到非常舒適標準，在90 km/h速度范圍內，舒適度指標均小于2.5，達到舒適標準；

表5 兩種工況下舒適度指標

（2）在AW3工況下，50 km/h速度范圍內舒適度指標達到非常舒適標準，90 km/h速度范圍內舒適度指標達到舒適標準；

（3）整體來看，頭車的乘坐舒適度較中間車差。

通過對比頭車的和中間車的運行平穩性，可以看出平穩性指標和舒適度指標呈現相反的趨勢，頭車的平穩性指標較小，舒適度指標較大，而中間車剛好相反。出現這種規律的原因與兩種評價指標的計算方法有關。平穩性指標對橫向和垂向加速度分別進行采集，同時設置不同的頻率修正系數，分別形成橫向平穩性指標和垂向平穩性指標。而舒適度指標同時對縱向、橫向和垂向加速度進行采集，并綜合考慮各個方向加速度的權重，最終形成一個舒適度指標值。因此，為了綜合評估車輛的乘客乘坐舒適性，應同時采用平穩性指標和舒適度指標進行評估，使評估結果更為全面。

5 結論

為了全面評估單軸跨座式單軌車輛的運行動力學性能，本文在借鑒相關標準的基礎上，通過現場測試方式，針對車輛運行穩定性、運行品質、運行平穩性等指標系統開展了動力學試驗，結論如下：

（1）車輛在AW0和AW3工況下的構架橫向加速度幅值相差不大，當車輛運行速度為90 km/h時，兩種工況下的構架最大橫向振動加速度均超過了8 m/s2，但未出現連續 6 次以上達到或超過8 m/s2，因此車輛轉向架未發生失穩現象。

（2）車體橫向振動加速度和垂向振動加速度在90 km/h速度范圍內均小于2.5 m/s2，運行品質滿足標準要求，由于線路共振等原因，車體的最大振動加速度值出現在70 km/h左右。

（3）車輛在90 km/h速度范圍內橫向和垂向平穩性指標均未超過2.75，達到良好等級，中間車的平穩性較頭車差；舒適度指標均達到舒適標準，頭車的乘坐舒適度較中間車差。為了更全面評估乘客乘坐舒適度，應綜合使用以上兩種方法進行評估。

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Experimental Study on the Dynamic Performance of Straddle Monorail Vehicles

LI Yunlong，ZHANG Yang

(China Railway New Communication Investment Co.,Ltd., (Hefei),Hefei 231699, China)

For a certain type of straddle-type monorail vehicle, by arranging acceleration sensors on the car body and frame, the acceleration data of the vehicle is collected when the vehicle is empty and fully loaded. Based on the GB/T 5599-2019 standard, the vehicle's running stability, running quality, sperling index and comfort index are evaluated. Field test results show that within the speed range of 90km/h, the bogie has no instability, the acceleration of the lateral and vertical vibration of the vehicle body are both less than 2.5 m/s2, and the lateral and vertical sperling indexes are both reach the excellent or good grade, and the comfort index reach the comfort standard. The stability of the middle car is worse than that of the lead car, and the ride comfort of the lead car is worse than that of the middle car. Therefore, it is necessary to comprehensively use the stability index and the comfort index to comprehensively evaluate the ride comfort of the passengers. In general, the straddle-type monorail vehicle has excellent dynamic performance and meets the design requirements.

straddle-type monorail；dynamical test；acceleration；stationary；stability

U121

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.008

1006-0316 (2022) 01-0053-08

2021-06-10

李耘蘢（1976－），男，陜西延安人，高級工程師，主要從事軌道交通車輛研發工作，E-mail：liyunlong@ crhntc.com。