二系懸掛參數(shù)對懸掛式單軌車橋耦合系統(tǒng)的動力學(xué)性能影響研究

摘要：以某懸掛式單軌車輛和懸掛式單軌試驗(yàn)線為主要研究對象，綜合考慮充氣輪胎的非線性特征，構(gòu)建了多自由度的車橋耦合模型，并結(jié)合線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將模型的有效性加以分析驗(yàn)證，進(jìn)而從仿真角度研究不同載荷工況下懸掛參數(shù)改變后對車輛系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)二系橫向減振器的阻尼參數(shù)取20 kN·s/m、二系垂向減振器的阻尼參數(shù)取2～10 kN·s/m、空簧的垂向剛度取175 kN/m、空簧的橫向剛度取200 kN/m時(shí)，車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)更優(yōu)秀。研究結(jié)果有望對懸掛式單軌的參數(shù)匹配提供一定參考。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌車輛；懸掛參數(shù)；車橋耦合系統(tǒng)；動力學(xué)性能

中圖分類號：U270.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.006

文章編號：1006-0316 （2023） 02-0038-09

Influence of Secondary Suspension Parameters on Dynamic Performance

of Vehicle-Bridge Coupling System for Suspended Monorail

CHEN Xuyang1，WANG Yinglin1，WANG Kang2

（ 1.China Railway Engineering Machinery Research amp; Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430066， China; 2.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：A suspended monorail vehicle and a suspended monorail test line are studied in this paper. The nonlinear characteristics of pneumatic tires are fully evaluated before a multi-degree-of-freedom vehicle-axle coupling model is constructed. Combined with the line test data， the validity of the model is analyzed and verified， and then the influence of the suspension parameters on the dynamic characteristics of the vehicle system under different load conditions is studied through simulation. The research results indicate that when the damping parameters of the secondary lateral absorbers are 20 kN·s/m， and the damping parameters of the secondary vertical absorbers are 2～10 kN·s/m， and the vertical stiffness of the air spring is 175 kN/m， and the lateral stiffness of the air spring is 200 kN/m， the ride comfort of the vehicle is excellent. The research results are expected to provide some reference for the parameter matching of suspended monorail.

Key words：suspended monorail vehicle；suspension parameters；vehicle-bridge coupling system；dynamic performance

中國城市現(xiàn)有的交通體系存在諸多問題，比如擁堵嚴(yán)重、交通結(jié)構(gòu)單一、對環(huán)境的影響較大等問題[1]。而只有通過調(diào)整現(xiàn)有交通的結(jié)構(gòu)形式、因地制宜地發(fā)展多種軌道交通，才可以把這些問題根本解決。

懸掛式單軌交通偏中小運(yùn)量，具有占地面積小、建設(shè)周期短、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、噪音低、獨(dú)立路權(quán)等優(yōu)點(diǎn)，在緩解城市擁堵、旅游觀光等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。懸掛式單軌的特點(diǎn)是列車懸掛在軌道的下方，僅使用一條軌道代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵路的兩條平衡軌道[2]。懸掛式單軌占用很小的空間，可以建造在城市CBD等地，緩解交通壓力[3]。懸掛式單軌車輛與傳統(tǒng)的鐵道車輛有非常大的不同，懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架被鋼梁和軌道梁包著，轉(zhuǎn)向架下部通過中心銷軸連接著車體，車體被轉(zhuǎn)向架吊掛在其下方[4]。懸掛式單軌車輛的軌道都是單條軌道，而不再是傳統(tǒng)鐵道車輛的雙軌，其軌道系統(tǒng)柔性更大，對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響更明顯。在研究懸掛式單軌車輛的二系懸掛系統(tǒng)的參數(shù)對車輛動力學(xué)性能影響時(shí)，為了研究和分析得更加精確和準(zhǔn)確，需要將車輛動力學(xué)模型考慮為車橋耦合模型，但目前相關(guān)研究很少。

本文基于某懸掛式單軌車輛和懸掛式單軌試驗(yàn)線為主要研究對象，綜合考慮充氣輪胎的非線性特征構(gòu)建多自由度的車橋耦合模型，并結(jié)合線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將模型的有效性加以分析驗(yàn)證，進(jìn)而從仿真角度研究不同載荷工況下懸掛參數(shù)改變后對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響，仿真分別從二系空簧與減振器剛度阻尼的角度進(jìn)行變參數(shù)分析，為懸掛式單軌車輛的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 懸掛式單軌車橋耦合模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

懸掛式單軌車輛主要由轉(zhuǎn)向架吊架、車體等系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)向架對于車輛系統(tǒng)的曲線通過能力穩(wěn)定性和舒適性都十分關(guān)鍵[5]。本文轉(zhuǎn)向架車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

齒輪箱通過彈性節(jié)點(diǎn)以及一系彈性橡膠塊與構(gòu)架進(jìn)行連接，電機(jī)則吊掛于構(gòu)架兩端，經(jīng)由傳動軸與齒輪箱進(jìn)行連接。走行輪為充氣橡膠輪胎，導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪則為實(shí)心的橡膠輪胎[6]。開口箱梁為25～30 m跨度，通過銷軸與立柱連接，一端固接，一段釋放縱橋向自由度，鋼立柱通過螺栓固定于地面。梁柱系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 車橋耦合模型建立

車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型中車體、構(gòu)架和齒輪箱均設(shè)計(jì)為6個(gè)自由度，即伸縮、橫移、浮沉、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭。吊梁相對于構(gòu)架有側(cè)滾自由度，通過空氣彈簧、橫向減振器、橫擺減振器、垂向減振器和牽引拉桿與車體相連。轉(zhuǎn)向架安裝的走行輪和穩(wěn)定輪均為4個(gè)，安裝的導(dǎo)向輪為8個(gè)[7]。車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3所示。

充氣輪胎走行輪、實(shí)心橡膠導(dǎo)向輪作為車輛與軌道梁的接觸部件，其特性對耦合模型的分析至關(guān)重要。因此，本文采用的走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪均采用FIALA非線性輪胎模型建模FIALA輪胎模型中各方向力計(jì)算公式如下。

分別在UM和ANSYS軟件中建立車輛和軌道系統(tǒng)的模型，再將橋梁模型導(dǎo)入到UM軟件中，可以得到建立的懸掛式單軌車橋耦合模型如圖4所示。

1.3 懸掛式單軌軌道譜

在實(shí)際的車輛運(yùn)行過程中，由于車輛軌道的鋪設(shè)不可能絕對平坦和無波動，所以就會造成車輛在軌道上運(yùn)行時(shí)不能達(dá)到理想的狀態(tài)，而軌道線路幾何形狀的變化在很大程度上會引起車輛發(fā)生動態(tài)響應(yīng)。相對于理想軌道來說，實(shí)際的軌道在橫向和垂向上偏離理想狀態(tài)的波形變化引起的偏差叫做軌道不平順，其在很大程度上影響著車輛的動力學(xué)性能[8]。

由于國內(nèi)外并沒有懸掛式單軌系統(tǒng)的軌道譜，而且輪軌接觸為輪胎對鋼板，通常分析中采用的公路不平順譜或者美國六級軌道譜的適用性還有待驗(yàn)證。

因此，以某廠內(nèi)試驗(yàn)線為依托，通過激光掃描儀對廠內(nèi)試驗(yàn)線進(jìn)行了軌道譜測試，將實(shí)測的軌道譜施加于仿真模型。實(shí)測走行面、導(dǎo)向面的軌道譜如圖5、圖6所示。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

通過在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、懸吊裝置、吊架、車體地板等多個(gè)位置設(shè)置加速度傳感器，采集到懸掛式單軌車輛運(yùn)行過程中在不同線路、不同速度工況下的橫向和垂向振動加速度，分析整理得到車輛的試驗(yàn)和仿真平穩(wěn)性對比結(jié)果，以此得到采用實(shí)測軌道譜仿真的車輛動力學(xué)結(jié)果

與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的相對誤差。

仿真與試驗(yàn)工況下，被試車輛在不同線路區(qū)段與不同速度等級的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)如表1所示。

從以上對比結(jié)果可以看出，采用實(shí)測軌道譜仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在直線區(qū)段的對應(yīng)性相較于曲線區(qū)段更好，但兩種線路上的平穩(wěn)性水平均是優(yōu)。直線區(qū)段的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差最大為6%，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差最大僅為3.4%，這些偏差都非常小，完全滿足設(shè)計(jì)和仿真要求。在曲線區(qū)段，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)仿真與試驗(yàn)結(jié)果偏差最大為9%，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大偏差的6%，相較于直線區(qū)段有一定的增大，但是仍然在試驗(yàn)允許范圍內(nèi)，滿足常規(guī)的工程設(shè)計(jì)精度需求。此外，還可以看出，試驗(yàn)和仿真平穩(wěn)性偏差結(jié)果與車輛速度的關(guān)系不太大，在各個(gè)速度級均存在不同大小的偏差。

由以上分析可以得到采用實(shí)測軌道譜仿真的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本相符，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性偏差在10%以內(nèi)，是在試驗(yàn)允許范圍內(nèi)的。因此證明本文所建立的車橋耦合系統(tǒng)模型是有效的，可在該模型基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的分析。

3 二系懸掛參數(shù)對耦合系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響研究

由二系懸掛裝置的結(jié)構(gòu)組成可知，二系懸掛參數(shù)包括橫向減振器阻尼值、垂向減振器阻尼值、空簧橫向剛度和空簧垂向剛度，因此本文將從橫向和垂向動力學(xué)性能指標(biāo)出發(fā)，分析懸掛參數(shù)的變化對2編組車輛動力學(xué)性能的影響規(guī)律。動力學(xué)性能評價(jià)方案參考GB/T 5599－2019[9]。

3.1 二系橫向減振器阻尼的影響

不同橫向阻尼參數(shù)下，2編組車輛前端和后端的橫向、垂向平穩(wěn)性如圖7所示。

由不同橫向阻尼參數(shù)下車輛橫向、垂向平穩(wěn)性結(jié)果可以看出，1車和2車的車輛橫向平穩(wěn)性變化較為相似，車輛的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均隨著二系橫向減振器阻尼值的增加先降低然后增大。1車在二系橫向減振器阻尼為10 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.7；2車在二系橫向減振器阻尼為20 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.72。

車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化較為平穩(wěn)，1車和2車的車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均隨著阻尼值的增加而增大，這主要是由于二系橫向減振器安裝角度導(dǎo)致的垂向分量所致，1車和2車的車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均在橫向減振器阻尼為10 kN·s/m時(shí)，取得最優(yōu)值為2.10。車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均可以評定為優(yōu)，綜合各方面因素考慮，當(dāng)二系橫向減振器阻尼取20 kN·s/m時(shí)，車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性是最優(yōu)的[10]。

3.2 二系垂向減振器阻尼的影響

不同垂向阻尼參數(shù)下，2編組車輛前端和后端的橫向、垂向平穩(wěn)性如圖8所示。

由不同垂向阻尼參數(shù)下車輛橫向、垂向平穩(wěn)性結(jié)果可以看出，1車和2車的車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著二系垂向減振器阻尼值的增加呈現(xiàn)不同程度的減小和增大，1車在二系垂向減振器阻尼為7 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.837，2車在二系垂向減振器阻尼為5 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.825。

車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化隨著二系垂向減振器阻尼值的變化較為平穩(wěn)，1車和2車的車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均隨著二系垂向減振器阻尼值的增加而增大，且均在減振器的阻尼為2 kN·s/m時(shí)，取得最優(yōu)值為2.12。當(dāng)二系垂向減振器阻尼在2～10 kN·s/m取值范圍內(nèi)時(shí)，車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)均能達(dá)到優(yōu)，而考慮到空氣

彈簧提供的垂向阻尼已足夠，因此二系垂向減振器的作用相對有限，在考慮結(jié)構(gòu)安裝與整體質(zhì)量的情況下可以不作為優(yōu)先設(shè)計(jì)部分。

3.3 空簧垂向剛度的影響

不同空簧垂向剛度參數(shù)下，2編組車輛前端和后端的橫向、垂向平穩(wěn)性如圖9所示。

由不同空簧垂向剛度參數(shù)下車輛橫向和垂向平穩(wěn)性結(jié)果可以看出，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化隨著空簧垂向剛度的變化較為劇烈，1車在空簧垂向剛度為375 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.836，2車在空簧垂向剛度為75 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.783。

車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化隨著空簧垂向剛度的變化較為平穩(wěn)，1車和2車的車輛垂向平穩(wěn)性先改善然后逐漸惡化。1車在空簧垂向剛度為175 kN·s/m時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為2.135，2車在空簧垂向剛度為200 kN·s/m時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為2.14。車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、均可以評定為優(yōu)，綜合各方面因素考慮，當(dāng)空簧垂向剛度取175 kN·s/m時(shí)，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性最優(yōu)。

3.4 空簧橫向剛度的影響

不同空簧橫向剛度參數(shù)下，2編組車輛前端和后端的橫向、垂向平穩(wěn)性如圖10所示。

由不同空簧橫向剛度參數(shù)下車輛橫向、垂向平穩(wěn)性結(jié)果可以看出，1車和2車的車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著空簧橫向剛度的增加呈現(xiàn)不同程度的減小和增大，1車在空簧橫向剛度為225 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.84，2車在空簧橫向剛度為125 kN·s/m時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為1.808。

車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化隨著空簧橫向剛度的變化較為平穩(wěn)，1車和2車的車輛垂向平穩(wěn)性逐漸增大惡化。1車在空簧橫向剛度為75 kN·s/m時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為2.135，2車在空簧橫向剛度為125 kN·s/m時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最優(yōu)為2.14。車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、均可以評定為優(yōu)，綜合各方面因素考慮，當(dāng)空簧橫向剛度取200 kN·s/m時(shí)，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性最優(yōu)[11]。

4 結(jié)論

本文對某懸掛式單軌車輛和懸掛式單軌試驗(yàn)線進(jìn)行研究，建立了多自由度車橋耦合模型，通過線路試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，進(jìn)而從仿真角度分析了在不同載荷工況下二系懸掛參數(shù)變化對系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化隨著二系橫向減振器阻尼值的變化較為劇烈，隨著二系橫向減振器阻尼值的增加，車輛的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均呈現(xiàn)先降低然后增大的趨勢；車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化隨著二系橫向減振器阻尼值的變化較為平穩(wěn)，其隨著二系橫向減振器阻尼值的增加而增大，這主要是由于二系橫向減振器安裝角度導(dǎo)致的垂向分量所致，車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均可以評定為優(yōu)，綜合各方面因素考慮，當(dāng)二系橫向減振器阻尼值取20 kN·s/m時(shí)，車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性是最優(yōu)的。

（2）隨著二系垂向減振器阻尼值的增加，車輛的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)不同程度的減小和增大，變化較為劇烈，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著二系垂向減振器阻尼值的增加而逐漸增大，當(dāng)二系垂向減振器阻尼在2～10 kN·s/m取值范圍內(nèi)時(shí)，車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)均能達(dá)到優(yōu)，而考慮到空氣彈簧提供的垂向阻尼已足夠，因此二系垂向減振器的作用相對有限，在考慮結(jié)構(gòu)安裝與整體質(zhì)量的情況下可以不作為優(yōu)先設(shè)計(jì)部分。

（3）隨著空簧垂向剛度的增加，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化較為劇烈，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化較為平穩(wěn)，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均隨著空簧垂向剛度的增加先減小然后增大，車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、均可以評定為優(yōu)，綜合各方面因素考慮，當(dāng)空簧垂向剛度取175 kN·s/m時(shí)，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性最優(yōu)。

（4）隨著空簧橫向剛度的增加，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)不同程度無規(guī)律的減小和增大，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的數(shù)值變化較為平穩(wěn)，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均隨著空簧橫向剛度的增加而逐漸增大。車輛的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、均可評定為優(yōu)，綜合各方面因素考慮，當(dāng)空簧橫向剛度取200 kN·s/m時(shí)，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈飛凡. 城市軌道交通乘客路徑動態(tài)誘導(dǎo)策略優(yōu)化研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2021.

[2]許文超. 懸掛式單軌車動力學(xué)性能研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2014.

[3]于人生，宋揚(yáng)，姜仲昊. 懸掛式單軌列車概述及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（14）：67-70.

[4]張德乾. 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動力學(xué)性能分析[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2015.

[5]嚴(yán)雋耄，傅茂海. 車輛工程[M]. 3版. 北京：中國鐵道出版社，2011.

[6]寇峻瑜，余浩偉，李忠繼，等. 懸掛式單軌空、重車線路動力學(xué)響應(yīng)分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2019，63（7）：62-65，71.

[7]黃海，王伯銘. 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾止擋強(qiáng)度分析[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2020，43（4）：33-36，52.

[8]劉曉敏. 典型軌道譜的仿真分析研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2009.

[9]國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范：GB/T 5599-2019[S]. 2019.

[10]陳志輝，翟婉明，呂凱凱，等. 懸掛式單軌車輛懸掛參數(shù)對運(yùn)行平穩(wěn)性的影響研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，15（10）：2647-2653.

[11]秦劍生，徐騰養(yǎng)，鄧國海，等. 二系空簧橫向剛度對高速列車動力學(xué)性能的影響[J]. 機(jī)械，2018，45（8）：6-9，14.