懸掛式單軌車輛的倒T形轍叉道岔通過性能*

孟 姝 黃 海 王伯銘

(西南交通大學機械工程學院, 610013, 成都)

懸掛式單軌交通系統具有造價低、安全性高、地形適應性強的特點,非常適合在中小型城市作為主要的公共交通形式,也適用于景區的旅游交通。

文獻[1]利用ADAMS軟件分析了懸掛原件參數和側風對車輛運行性能的影響;文獻[2]分析了導向輪預壓力、側風和抗側滾止擋角度對車輛性能的影響;文獻[3]等分析了車橋耦合系統的共振問題;文獻[4-5]等通過車橋耦合動力學研究,對懸掛式車橋系統進行了優化改進。目前,對于懸掛式單軌交通系統道岔結構的研究較多,而對懸掛式單軌車輛在道岔通過性能方面的研究較少。

本文基于對稱式橡膠輪胎箱型軌道梁結構,對于懸掛式單軌車輛通過倒T形轍叉道岔的動力學性能進行分析研究,并提出一種導向軌面補償裝置,以改善車輛通過道岔時的動力學性能。

1 建立車輛與道岔的仿真模型

本文所研究的懸掛式單軌車輛采用單電機雙軸驅動,其電機布置在轉向架的中央,能大幅減小轉向架的點頭慣量和搖頭慣量,提高列車運行平穩性。

本文采用UM(多體動力學)軟件建立動力學仿真模型。建立模型時,將構架、驅動電機、車體、懸吊梁、吊架均視為剛體,不考慮受力造成的輕微變形;走行輪、導向輪及穩定輪均采用FIALA輪胎力元來模擬輪胎與軌道之間的接觸關系,減振器元件采用線性阻尼力元模擬;抗側滾止擋和橫向止擋根據真實情況設置相應的特性曲線。懸掛式單軌車輛仿真的主要參數如表1所示,所建懸掛式單軌單電機雙軸驅動轉向架車輛動力學模型如圖1所示。

表1 懸掛式單軌車輛仿真的主要參數

圖1 懸掛式單軌單電機雙軸驅動轉向架車輛動力學模型

受UM軟件的局限性限制,將道岔模型測量數據換算成不平順激勵來模擬道岔對車輛動力學性能的影響。為了更加直觀地研究道岔對車輛動力學的影響,不平順激勵只包含道岔結構本身的不平順,不包含由軌道制造或建設產生變形而造成的不平順。

以文獻[6]的懸掛式單軌道岔結構為參考,選擇轍叉和走行軌面一體的倒T形轍叉道岔結構,取道岔曲線半徑為50 m。倒T形轍叉道岔的三維模型如圖2所示。位于道岔中間的可動倒T形轍叉,通過轉動到不同位置來引導列車進入不同線路,并能在列車通過道岔的時候提供走行軌面支撐。

注:1—曲線區域;2—直線區域;3—轍叉;4—走行輪部分懸空處;5—直線曲線混合區域。

受軌道結構的限制,車輛在接觸倒T形轍叉的時候會出現走行輪部分懸空的情況。經過靜態分析,走行輪懸空的影響可忽略不計,故本文不考慮其造成的走行輪力學性能變化。

當倒T形轍叉轉動時,兩側導向面需要相互貼合,因此在走行輪部分懸空會造成導向軌面的不平滑,將在車輛通過時產生較大的橫向力,對車輛的運行性能有很大影響。此外,由于倒T形轍叉轉動后需要由兩側軌道梁的走行面來支撐,所以走行軌面在此處也是不平滑的。倒T形轍叉附加的走行面不平順如圖3所示。本文暫不考慮實際使用中為保證轍叉正常轉動所需要預留的安裝間隙,只考慮走行面鋼板的厚度。根據文獻[7],軌道梁鋼板厚度取為14 mm。

注:圈出部分右側鋼軌比左側鋼軌高出一個鋼板厚度(14 mm)。

通過對道岔模型的測量,可以得到相應的不平順數據。圖4為車輛通過道岔的示意圖。當車輛通過直線道岔時,需要對右側的走行軌面、導向軌面和穩定軌面添加相應的不平順激勵。當車輛通過曲線道岔時,需要對左側的走行軌面、導向軌面和穩定軌面添加相應的不平順激勵。

a) 經過直線道岔

本文研究的曲線道岔線路情況比具有緩和曲線的實際條件更為惡劣,其采用直線—圓曲線—直線的設置方式,不設置緩和曲線,對應的線路長度為50 m、30 m、50 m。由于道岔不平順數據量較大,考慮篇幅限制,不再列出三維模型測量后轉化的不平順數據。

根據GB 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》規定,懸掛式單軌車輛的加速度觀測點設置在距轉向架中心1 000 mm處一側車體地板面上。車輛通過速度為v,前觀測點標記為F,后觀測點標記為B,具體觀測點位置如圖5所示。

圖5 懸掛式單軌車輛平穩性觀測點

2 懸掛式單軌車輛的道岔通過性能

相對于道岔結構所造成的不平順激勵,軌道和道岔本身的不平順非常小,本研究忽略不計。在車輛通過直線道岔時,若走行輪最大垂向力數值未逼近極限值,則認為能夠安全通過。

采用UM軟件對曲線半徑為50 m的道岔進行動力學計算,得到不同載荷狀態下車輛通過不同道岔的評定指標數據,如表2所示。由表2進一步分析車輛的道岔通過性能。

表2 不同載荷狀態下車輛通過不同道岔時的評定指標數據

無論是直線道岔還是曲線道岔,懸掛式單軌車輛在空載和滿載狀態下通過時的車體垂向振動加速度和橫向振動加速度均未超過2.50 m/s2,符合相關要求。

在滿載狀態下,車輛經過直線道岔時的走行輪垂向力最大值為33.7 kN,小于走行輪的垂向力允許值(39.8 kN)。導向力和穩定力的最大值也遠遠小于導向輪和穩定輪的徑向力允許值(22.0 kN)。由此判斷,車輛可以實現正常通過直線道岔。

當空載狀態車輛以15 km/h速度通過曲線道岔時,走行輪垂向力最大值為27.7 kN,小于走行輪的垂向力允許值39.8 kN。然而,當空載狀態車輛以15 km/h和10 km/h速度通過曲線道岔時,導向力最大值均高于徑向力允許值(22 kN),不符合標準要求。當空載狀態車輛以速度5 km/h通過時,導向力最大值僅為20.5 kN,低于22 kN,說明車輛可以安全通過。

當滿載狀態車輛以15 km/h速度通過曲線道岔時:走行輪垂向力最大值為33.3 kN,小于走行輪的垂向力允許值(39.8 kN);導向力和穩定力最大值分別為28.3 kN和21.2 kN,其中導向力最大值高于徑向力允許值(22 kN)。即使滿載狀態車輛僅以5 km/h的速度通過曲線道岔,其導向力最大值也達到了22.9 kN,超過了22 kN。因此,在曲線半徑為50 m的倒T形轍叉道岔上,車輛速度須低于5 km/h,使得導向力最大值低于22 kN,才能安全通過。

3 導向軌面補償裝置

為了優化車輛過岔時的動力學性能,提高懸掛式單軌車輛的過岔速度,使倒T形轍叉道岔具有實際運用的可行性,本文提出了一種位于轍叉前端的導向軌面補償裝置,其結構如圖6所示。

圖6 轍叉前端導向軌面補償裝置結構示意圖

在軌道梁上方安裝一個伸縮裝置,當轍叉轉動到一側的時候,對應側的導向軌面補償結構便會從軌道梁上方向下移動,補償轍叉前端結構造成的導向軌面不平滑。車輛直線通過道岔時的導向軌面補償裝置與此類似。

對增加導向軌面補償裝置后的道岔模型進行測量,得到新的道岔不平順數據。將新的道岔不平順數據添加到UM軟件中重新進行動力學計算,可以得到車輛以15 km/h速度通過道岔時的評定指標數據如表3所示。

表3 增加導向軌面補償裝置后車輛以15 km/h速度通過道岔時的評定指標數據

由表3可知,在曲線半徑為50 m的倒T形轍叉道岔上,空載狀態和滿載狀態下的懸掛式單軌車輛以15 km/h的速度通過直線道岔和曲線道岔時,其車體的垂向最大振動加速度和橫向最大振動加速度均未超過2.50 m/s2。

在車輛滿載狀態下經過直線道岔的時候,走行輪垂向力最大值為33.7 kN,小于走行輪的最大允許垂向力39.8 kN。在車輛滿載狀態下通過曲線道岔時,導向力最大值為18.0 kN,穩定力最大值為8.1 kN,均小于徑向力允許最大值(22 kN)。

通過對比表2及表3中速度為15 km/h時的車輛運行評定指標數據可知,增加導向軌面補償裝置后,懸掛式單軌車輛通過直線道岔時各項數值差別不大,通過曲線道岔時導向力最大值、穩定力最大值及車體橫向最大振動加速度均得到了明顯改善,其余數值無明顯變化。這說明設置導向軌面補償裝置能有效改善懸掛式單軌車輛通過倒T形轍叉曲線道岔的平穩性。

4 結論

1) 倒T形轍叉道岔結構造成的導向軌面不平順較大,懸掛式單軌車輛雖然可以安全通過直線道岔,但在通過曲線道岔時,導向輪所承受的導向力非常大,即使降低通過道岔的運行速度,也很難保證導向輪導向力不超過安全限值。

2) 在增加了導向軌面補償裝置后,懸掛式單軌車輛在通過曲線道岔時,導向輪和穩定輪所承受的徑向力大大減小,低于導向輪和穩定輪的徑向力允許最大值。懸掛式單軌車輛可以以15 km/h的速度安全通過50 m半徑結構的倒T形轍叉道岔。