輕量化鉸接跨座式單軌列車故障工況動力學性能研究

舒偉明，王孔明，周建成，楊陽

（1. 南昌軌道交通集團有限公司，南昌 330038；2.中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院，成都 610031；3.中車齊齊哈爾車輛有限公司大連研發中心，遼寧大連 116052）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，交通擁堵的城市病逐漸向中小城市蔓延。國內中小型城市以及旅游景區對便捷高效、經濟適用的交通系統需求急迫[1-2]。跨座式交通系統具有適應能力強、噪聲低、占用道路資源少等優點，在國內外得到較多的應用，對解決交通擁堵問題起到顯著作用[3]。

傳統中大型跨座式交通系統建設成本較高，運營維護過程中存在諸多問題，使其在中小型城市以及旅游景區推廣和應用受限。因此，亟需一種新型的輕量化跨座式單軌交通系統來滿足廣闊的市場需求。

車輛作為軌道交通系統的重要組成部分，輕量化的列車是跨座式單軌交通系統是否能夠實現輕量化、經濟適用的關鍵[4]。本研究提出一種新型的鉸接式跨座式單軌列車方案，分析列車在故障工況下的列車動力學性能指標，并給出列車在故障工況下運行建議。

1 鉸接跨座式單軌車輛方案

1.1 車輛編組

列車采用4輛編組，如圖1所示。列車共有5個轉向架，比傳統非鉸接式列車減少3個轉向架，有效地降低車輛總重，降低車輛投資。

圖1 列車編組圖

列車有鉸接轉向架和非鉸接轉向架兩種形式，兩端車前端坐落在非鉸接轉向架上，后端通過鉸接轉向架與另外一個車體相連接。中間車輛兩車體共用一個轉向架。在進行車輛運行平穩性分析時，前后觀測點以及1位、4位轉向架在圖1中標出。

1.2 主要技術參數

列車主要技術參數列于表1，車輛采用4輛編組，列車兩端車鉤連掛面之間長度為37.82 m，列車走行輪、減振器、沙漏簧剛度等參數通過動力學性能優化得到。

表1 列車主要技術參數

2 車輛動力學模型

在多體動力學軟件UM中建立4編組鉸接式跨座式單軌列車動力學模型，如圖2所示。在動力學模型考慮了輪胎剛度、沙漏彈簧剛度阻尼、減振器的阻尼特性、牽引拉桿和橫向止擋的力學特性等因素[5-6]。

圖2 非鉸接單軌轉向架

3 故障工況動力學性能研究

輕量化鉸接跨座式單軌列車采用沙漏橡膠墊，沙漏橡膠墊性能相對穩定，基本不會出現故障。因此本列車在運行過程中可能出現的故障為爆胎、垂向減振器失效和橫向減振器失效，分析不同工況條件下車輛動力學性能。

3.1 爆胎工況下

輕量化鉸接跨座式單軌列車所采用的車輪主要包括輪胎、防爆支撐體、輪轂、胎壓監測裝置，以及輪轂與防爆支撐體之間的橡膠墊。當輪胎爆胎時，內部支撐體具有一定的支撐作用，保證車輛安全行駛。但是由于輪胎具有一定的減振作用，輪胎爆胎后車輛運行平穩性以及曲線通過性能將會受到一定的影響，對輪胎爆胎后不同條件下的車輛運行性能進行分析[7]。

3.1.1 直線sperling平穩性指標

分別計算各轉向架不同車輪爆胎情況下不同車輛的平穩性指標，運行速度為30～70 km/h，在兩側導向面及走行面設置軌道不平順。計算結果顯示，當端車非鉸接轉向架輪胎爆胎時列車整體平穩性指標最差，端車的平穩性指標最大；其他輪胎爆胎后列車平穩性指標相似。因此，以圖1中1位、4位轉向架為例，給出輪胎爆胎情況下列車平穩性指標。

1位轉向架輪胎爆胎車輛平穩性指標如圖3所示，爆胎情況下前后觀測點橫向平穩性指標較正常工況下平穩性指標分別增加了約0.89～1.06和0.35～0.43，前后觀測點垂向平穩性指標較正常工況下平穩性指標分別增加了約0.77～1.13和0.49～0.77。當車輛運行速度為50 km/h時，車輛橫向、垂向平穩性指標均超過了GB 5599-85中優等級的限定值2.5。

圖3 平穩性指標（1位轉向架輪胎爆胎）

4 位轉向架輪胎爆胎車輛平穩性指標如圖4所示，爆胎情況下前后觀測點橫向平穩性指標比正常工況下平穩性指標分別增加了約0.73 ～0.88和0.79～0.77，垂向平穩性指標較正常工況下平穩性指標分別增加了約0.54 ～0.72和0.42～0.77。4位轉向架輪胎爆胎對車輛橫向平穩性的影響小于1位轉向架輪胎爆胎對車輛平穩性的影響。當車輛運行速度為50 km/h時，車輛橫向指標均超過了GB 5599 -85 中優等級的限定值，當車輛運行速度為7 0 km/h時垂向平穩性超過2.5。

圖4 平穩性指標（4位轉向架輪胎爆胎）

綜上分析，在任意輪胎爆胎的工況下，為保證人員運行安全及車輛平穩性要求，建議車輛運行速度不超過40 km/h。

3.1.2 曲線通過性能

對不同轉向架、不同輪胎爆胎情況進行分析，以4位轉向架為例，研究列車運行速度為20～40 km/h時單一輪胎爆胎通過100 m半徑曲線時輪軌垂向力、導向輪徑向力、穩定輪徑向力、修訂的傾覆系數等指標變化。為方便描述，定義轉向架曲線外側前車輪為1號輪、曲線內側前車輪為2號輪、曲線外側后車輪為3號輪、曲線內側后車輪為4號輪。

1～4號單一車輪爆胎其他車輪輪軌垂向力計算結果如圖5所示，分析可知，爆胎后輪軌作用力最大值約為正常工況下的2倍。主要是由于原來有2個輪胎承擔的力，爆胎后將變成由1個車輪承擔。輪胎故障后將會對另外一個輪胎提出更高的要求，在進行車輛設計時應考慮輪胎在故障工況下的承載能力。

圖5 輪軌垂向力

1～4 號單一車輪爆胎情況下，導向輪徑向力、穩定輪徑向力、修訂的傾覆系數計算結果如圖6～圖8所示。比正常工況下導向輪徑向力、穩定輪徑向力、修訂的傾覆系數均大幅增加，當速度為35 km/h時，修訂的傾覆系數大于1，說明穩定輪已經脫離軌面，運行不再安全。因此建議車輪胎爆胎工況下運行速度不超過30 km/h。

圖6 導向輪徑向力

圖8 修訂的傾覆系數

根據上述方法研究不同曲線半徑輪胎爆胎條件下列車限速情況，計算結果表明，當曲線半徑大于200 m時，列車運行速度建議小于40 km/h。

圖7 穩定輪徑向力

3.2 垂向減振器失效

分別研究不同轉向架不同位置垂向減振器失效對車輛平穩性的影響，計算結果顯示，不同減振器失效對車輛平穩性的影響基本相同。某位置減振器失效后前后觀測點的橫向、垂向平穩性指標如圖9～圖10所示。計算結果顯示，單一減振器失效列車運行平穩性變差，在設計速度80 km/h以下運行時車輛運行平穩性指標均小于2.5限值。

圖9 橫向平穩性指標

圖10 垂向平穩性指標

3.3 橫向減振器失效

橫向減振器失效對車輛平穩性的影響與垂向減振器失效對車輛平穩向影響規律相同。某位置橫向減振器失效后前后觀測點的橫向、垂向平穩性指標如圖11～圖12所示。計算結果顯示，單一減振器失效列車運行平穩性變差，在設計速度80 km/h以下運行時車輛運行平穩性指標均小于2.5限值。

圖11 橫向平穩性指標

圖12 垂向平穩性指標

4 結論

利用多體動力學分析軟件建立輕量化鉸接式跨座式單軌列車故障工況動力學分析模型，研究列車在爆胎，垂向減振器、橫向減振器失效等工況下的列車動力學性能。分析結果顯示，爆胎直線工況下，當車輛運行速度為50 km/h時，車輛橫向、垂向平穩性指標均超過優等級的限定值2.5，推薦運行速度不超過40 km/h。曲線工況時半徑大于200 m時列車運行速度建議小于40 km/h，曲線半徑大于200 m時列車運行速度不大于30 km/h。單一減振器失效，在設計速度80 km/h以下運行時車輛運行平穩性指標均小于2.5限值，列車可按正常工況下速度運行。