懸掛式單軌列車動力學性能分析

摘要：懸掛式單軌列車近年來在我國發展迅速，但現有研究成果大多是從仿真方向來研究懸掛式單軌的動力學性能，因此，本文基于線路實測數據，考慮車輛載荷因素（AW0、AW3）和懸掛狀態因素（懸掛正常、空簧失氣）在直線、曲線以及不同速度級做拉鋸試驗和全線試驗。結果表明：在AW0及AW3工況下以試驗速度范圍在直線、大曲線、小曲線線路上運營時，橫向、垂向平穩性指標以及舒適度指標均符合標準的要求；在AW0及AW3空簧故障工況下車輛以空簧失氣狀態運行時，垂向平穩性指標惡化，但可限速運行；走行輪垂向力、導向輪橫向力、穩定輪橫向力的最大動載荷均在極限載荷范圍內，且有一定的安全裕量，可保障安全運營。

關鍵詞：懸掛式單軌列車；線路實測；動力學性能

中圖分類號：U270.11 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.06.005

文章編號：1006-0316 （2024） 06-0030-07

Dynamic Performance Analysis of Suspended Monorail Train

WANG Anjun¹，ZHOU Xiaojiang²，SHEN Wenlin³，LI Hongwei⁴

（"1."Wuhan Optics Valley Traffic Construction Co.，"Ltd.， Wuhan 430073， China;"2. CRRC Qingdao Sifang Co.，"Ltd.， Qingdao 266111， China;"3."State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031， China; 4. CRRC Changchun Railway"Vehicles Co.，"Ltd.， Changchun 130062， China"）

Abstract：The suspended monorail train has developed rapidly in China in recent years. Considering that most of the existing research results focus on the simulation of the dynamic performance of the suspended monorail， based on the measured data of the line， this paper investigates how"the vehicle load factors （AW0， AW3） and the suspension state factors （normal suspension， air spring loss） affects the sawing and the whole line test conducted on straight and curved lines at various speeds.. The results show that under the conditions of AW0 and AW3， when operating on the straight line， large curve and small curve line within the test speed range， the horizontal and vertical stability indexes and the comfort indexes meet the standard requirements. Under the fault conditions of AW0 and AW3 air springs， when the vehicle runs with air spring loss， the vertical stability index deteriorates， but it can run at a limited speed. The maximum dynamic loads of the vertical force of the running wheel， the lateral force of the guide wheel and the lateral force of the stabilizing wheel are all within the limit load range "maintaining a certain safety margin to ensure safe operation.

Key words：suspended monorail train；line measurement；dynamic performance

懸掛式單軌列車近年來在我國發展迅速，其具有爬坡能力強、噪聲低、工程造價低、施工周期短等優勢^[1]。懸掛式單軌起源于德國，于1901年德國烏帕塔爾通車運營，德國和日本隨即充分推廣和應用了懸掛式單軌，并在多條線路上安全運營^[2]。2016年我國首列新能源空鐵在南京浦鎮下線^[3]，開啟了我國研究懸掛式單軌的浪潮，但目前國內懸掛式單軌列車實際線路運營較少，設計標準不統一，發展面臨著諸多問題^[4]。

國內學者對懸掛式軌道交通進行了相關研究。李忠繼等^[5]、劉雷雨等^[6]通過建立懸掛式單軌車輛的動力學仿真模型，從空氣彈簧水平剛度、軌距、導向輪輪軌間隙、導向輪徑向剛度等參數來研究懸掛式單軌列車曲線通過性能。杜子學等^[7]仿真分析了不同工況下走行輪失效對單軌車輛曲線通過及運行平穩性的影響，仿真結果可為走行輪失效的懸掛式單軌車輛運行提供參考。唐玉等^[8]仿真分析了不同導向輪預壓力對懸掛式單軌車輛曲線通過性能的影響。高潤稼等^[9]研究了走行輪的驅動方式和初始輪徑差這兩種因素對車輛走行輪磨耗程度的影響。鄒云峰等^[10]考慮橫風作用下懸掛單軌車橋系統安全運營的臨界風速，分析了橫風作用下懸掛單軌車橋系統的動力響應。胡靜濤等^[11]針對懸掛式單軌在運營過程中可能遇到的側風和空氣彈簧失效等特殊工況，進行了建模和仿真分析。

但現有研究成果大多是從仿真方向來研究懸掛式單軌的動力學性能，因此，本文基于線路實測數據，考慮車輛載荷因素（AW0、AW3）和懸掛狀態因素（懸掛正常、空簧失氣）在直線、曲線以及不同速度級做拉鋸試驗和全線試驗，為懸掛式單軌的安全運行提供一定參考。

1 研究對象

以武漢光谷懸掛式單軌列車為研究對象，編組形式為兩節動車，試驗選取Mc2車輛，在其車體和轉向架上布置測點進行動力學性能測試，列車最高試驗速度選取為60"km/h。車輛運行平穩性和舒適度測點圖及輪胎載荷測試（應變標定法）如圖1、圖2所示。

2 動力學性能分析

2.1 研究方法

目前懸掛式軌道車輛沒有相關的動力學標準，本節依照GB/T 5599－2019標準^[12]對懸掛式單軌列車進行車輛運行平穩性、舒適度測試。

參照客車動力學試驗加速度傳感器布置方法，在1、2位轉向架中心左前右后1"m處的車體地板以及車體中部地板位置處布置三向加速度傳感器進行測試。測試工況主要包括直線、曲線不同速度級的拉鋸試驗和全線試驗，考慮車輛載荷因素（空車AW0、超員AW3）和懸掛狀態因素（懸掛正常、空簧失氣）。

平穩性指標計算主要依據Sperling經驗公式^[13]，為：

（1）

2.2 空車工況運行平穩性和舒適度

被試列車空車（AW0）工況在正線運行時的車體橫向平穩性指標、垂向平穩性指標以及舒適度指標統計值如圖3所示?？梢钥闯觯谠囼炈俣确秶鷥?，橫向平穩性指標最大值2.15，垂向平穩性指標最大值為2.19，均達到“優”級；舒適度指標最大值為2.01，達到“舒適”級；車輛橫向平穩性、垂向平穩性和舒適度均隨運行速度的增加而增大。

2.3 空車空簧故障工況運行平穩性

被試列車全部空簧及單個空簧失氣全線上行線測試時車輛平穩性測試結果分別如圖4、圖5、表3所示。可以看出，車輛在空簧失氣狀態運行時，垂向平穩性指標明顯增大，橫向平穩性指標變化相對較小，總體上優于垂向平穩性；全部空簧失氣工況（限速30"km/h），垂向平穩性指標平均值為2.65，屬于“良好”級，可滿足30"km/h正常運營；單個空簧失氣時（正常速度運行），垂向平穩性指標平均值為2.2，達到“優”級，可正常運營?？梢姡栈砂l生失氣故障時，垂向平穩性指標惡化，但可正常運行或限速運行。

2.4"超員工況運行平穩性和舒適度

被試列車超員（AW3）工況在正線運行時的車體橫向平穩性指標、垂向平穩性指標和舒適度指標如圖6所示。

可以看出，在試驗速度范圍內，橫向平穩性指標最大值為2.36，垂向平穩性指標最大值為2.20，均達到“優”級；舒適度指標最大值為2.26，達到“舒適”級?？梢姡诔瑔T載重正常工況下，被試車平穩性指標和舒適度指標均符合評定標準的要求。

2.5"超員空簧故障工況運行平穩性

被試列車全部空簧失氣全線測試時車輛平穩性測試結果如圖7、表4所示。可以看出，車輛在全部空簧失氣狀態運行時，橫向平穩性指標的變化相對較小，垂向平穩性指標明顯增大，最高達到了3.6；全部空簧失氣工況（限速30"km/h）下，垂向平穩性指標全線均值2.6，屬于“良好”級，可滿足限速運營。可見，空簧發生失氣故障時，垂向平穩性指標惡化，但可限速運行。

3"輪胎載荷測試分析

3.1 全線輪胎載荷占比統計

走行輪垂向動態載荷采用位移法測試，通過測試輪胎動態位移再考慮輪胎剛度，得到走行輪垂向動態載荷，AW0、AW3載荷下全線輪胎載荷占比如表5所示。可以看出，走行輪垂向動態載荷主要集中分布在0～4"kN范圍內，占比約99.1%；走行輪最大動態載荷為9.5"kN，輪胎最大允許動態載荷為16.5"kN，可見車輛運行過程中輪胎動態載荷小于設計值。

導向輪采用應變法測試，先在實驗室標定應變和載荷的關系，通過測試車輛運行時的應變即可得到輪胎載荷，其全線測試結果如表6所示。

可以看出，導向輪（1對）橫向動態載荷主要集中分布在0～2"kN范圍內，占比約為96.8%，個別位置輪胎載荷超過15"kN，最大動態載荷為22.5"kN，主要是通過指行板時的沖擊載荷。根據設計文件，1對導向輪允許承擔的極限載荷為40"kN，可見，車輛實際運行中導向輪動態載荷滿足設計要求。

穩定輪測試方法同導向輪，其全線測試結果如表7所示?？梢钥闯?，穩定輪（1個）橫向動態載荷主要集中分布在0～2"kN范圍內，占比約為99.8%，最大動態載荷為18.4"kN。根據設計文件，穩定輪允許承擔的極限載荷為20"kN，可見，車輛實際運行中穩定輪動態載荷滿足設計要求。

3.2 不同工況下載荷對比分析

綜合比較線路上6個區間的占比情況，選擇九峰山－高新大道上行線路區間，AW0工況下以65 km/h速度運行，AW3工況下以55 km/h速度運行，并對結果進行分析。在該區間不同載荷工況下走行輪垂向力、導向輪橫向力、穩定輪橫向力的動態載荷最大值如圖8所示。可以看出，AW0工況下走行輪垂向力、導向輪橫向力、穩定輪橫向力的最大動態載荷分別為9.4、18.9、8.8，AW3工況下分別為6.9、15、7.1，較AW0工況下分別對應減少了27%、40%和19%。兩種工況下的最大動態載荷均小于極限載荷，且有一定安全裕量，可保障安全運營。

4 結論

本文基于線路實測數據，考慮懸掛式單軌列車載荷因素（AW0、AW3）和懸掛狀態因素（懸掛正常、空簧失氣）在直線、曲線及不同速度級做拉鋸試驗和全線試驗。得到結論如下：

（1）AW0及AW3工況下在試驗速度范圍內于直線、大曲線、小曲線線路上運行時，橫向、垂向平穩性指標最大值均未超過2.4，達到“優”級；舒適度指標最大值未超過2.3，達到“舒適”級；車輛橫向平穩性、垂向平穩性和舒適度均隨運行速度的增加而增大。

（2）在AW0及AW3空簧故障工況下車輛以空簧失氣狀態運行時，垂向平穩性指標明顯增大，橫向平穩性指標變化相對較?。蝗靠栈墒夤r（限速30"km/h）下，垂向平穩性指標平均值未超過2.7，屬于“良好”級，可滿足30"km/h正常運營；單個空簧失氣時（正常速度運行），垂向平穩性指標平均值未超過2.2，達到“優”級，可限速運營；空簧發生失氣故障時，垂向平穩性指標惡化，但可限速運行。

（3）走行輪垂向力、導向輪橫向力、穩定輪橫向力的最大動態載荷均小于極限載荷，且有一定的安全裕量，可保障安全運營。

參考文獻：

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