跨坐式單軌車導向輪穩定輪預壓力研究*

張建全,黃運華,李 芾,陶功安

(1 株洲電力機車有限公司,湖南株洲412001;2 西南交通大學 機械工程學院,四川成都610031)

1991年重慶市政府正式批準軌道交通系統列入重慶市城市建設總體規劃,并成立重慶市軌道交通總公司。軌道交通線路中,校場口至新山村線為高架單軌線,也是我國第一條單軌交通線[2]。此外,杭州市、東莞和石家莊市也均對單軌交通系統對本市軌道交通線路的適應性進行了研究[1]。單軌交通作為一種城市公共交通系統已經在我國受到越來越多的關注,但對于單軌車輛動力學方面的研究相對較少。本文即對影響單軌車輛動力學性能的導向輪、穩定輪的預壓力進行研究,以期對單軌交通在我國的應用和發展有一定的指導意義。

1 單軌車轉向架工作原理

與傳統軌道交通相比,除供電方式、通信、信號系統等有所區別外,跨坐式單軌交通的最大區別主要反映在車輛轉向架、軌道梁和道岔等3方面,稱之為該交通系統的3大關鍵技術。跨坐式單軌車輛轉向架是車輛的核心部件,是最能體現該交通系統運行特點的部分。轉向架采用跨坐式無搖枕轉向架、中心銷牽引。每個轉向架有4個走行輪、4個導向輪、2個穩定輪,都使用橡膠輪胎(如圖1所示)[2,3]。走行輪采用充氮氣無內胎鋼絲橡膠輪胎,以軌道梁的上表面為走行面,起承載、傳遞牽引力、制動力和緩沖車輛豎向振動的作用;導向輪、穩定輪內充壓縮空氣,都以軌道梁的側面為走行面,起到緩沖車輛橫向振動的作用,其中導向輪在過彎道時起導向作用;穩定輪是在車輛受到離心力、風力的時候起穩定作用。為防止輪胎失氣,每種車輪都備有輔助安全車輪。轉向架構架由鋼板焊接而成,其左右側梁的前后有導向輪的支撐架,左右側梁的中部有穩定輪的支撐架。車輛運行時,走行輪與穩定輪緊緊“抱”住軌道梁,其軌道梁不僅是承重的橋梁結構,同時也是支承和約束車輛行駛的軌道,承受較大的扭轉荷載。

圖1 跨坐式單軌車轉向架原理圖

2 車體的抗傾覆穩定性

車輛在橫向力作用下,車體將產生橫擺和側滾,當外力消失后在懸掛裝置的復原力和復原力矩的作用下,車體向平衡位置移動并引起自由振動,在各種阻力作用下,自由振動逐漸衰減并恢復到靜平衡位置。車體離開平衡位置后,能自動恢復到平衡位置的特性稱為車體在彈簧上具有抗傾覆穩定性[7]。如果車體離開平衡位置后不能自動恢復到平衡位置而繼續保持傾斜狀態,甚至逐漸增加傾斜而使車體傾覆,車體將在彈簧上喪失抗傾覆穩定性,出現這種現象是車輛安全運行所不允許的。在車輛設計中應確保車體在彈簧上有足夠的抗傾覆穩定性。

式中Kpz為一系懸掛垂向剛度;Ksz為二系懸掛垂向剛度為車體質量;b1為一系懸掛橫向跨距之半;b2為二系懸掛橫向跨距之半。

為了確保車體在彈簧上有足夠的抗傾覆穩定性,前蘇聯鐵路規定車體浮心高度hm應大于車體重心高度hc的量在2 m以上[7],即:

由跨坐式單軌車輛的轉向架結構原理圖可以明顯看到,單軌車輛走行輪的橫向跨距很小,一般為400 mm,由公式(1)以及車輛相關參數可以得到單軌車空車的浮心高度只是比車體重心高50 mm左右,而在定員的情況下就遠低于車體重心高度,所以單軌車輛很容易失穩,屬“隨遇不穩定”模式。因此,跨坐式轉向架需要設置穩定輪,由此產生橫向力從而形成反力矩來保證車輛的穩定性。跨坐式單軌車輛的導向是靠導向輪和軌道梁的壓力來提供的,因此,導向輪和穩定輪與軌道梁之間的作用力對跨坐式單軌車輛的安全性、穩定性和平穩性有著重要的影響,本文即對導向輪和穩定輪與軌道梁之間的作用力進行深入研究[4-6,8]。

3 直線線路上車輛有無預壓力時的仿真研究

利用多體動力學軟件對跨坐式單軌車模型(參數見表1)其在定員情況下通過一帶有激擾的直線路面進行仿真,仿真結果如圖 2(a)～(e)所示。

表1 計算模型主要計算參數

圖中各個字母的意義分別是B為導向輪穩定輪貼靠在軌道梁;C為穩定輪和軌道梁有一間隙,導向輪貼靠在軌道梁上;D為導向輪和軌道梁有一間隙,穩定輪貼靠在軌道梁上;E為導向輪、穩定輪和軌道梁均有一間隙;F為導向輪、穩定輪和軌道梁均有一預壓力。

圖2 單軌車通過一路面激勵時動力學指標變化曲線

從圖2的仿真結果可以看出:

(1)當導向輪穩定輪貼靠在軌道梁上(B),車輛在通過路面激擾后經過微小的振動后很快恢復到穩定狀態,只是車體橫移、車體側滾、轉向架橫移、轉向架側滾均有一較小的偏移量。

(2)當導向輪貼靠在軌道梁上,而穩定輪有一間隙(C)的時候,車輛在通過路面激擾后要經過長時間的振動才能恢復到穩定狀態,在穩定狀態只有車體橫移能夠回到零位置附近,但仍有一較小的橫移量,而車體側滾、轉向架橫移、轉向架側滾均有一較大的偏移量。

(3)當導向輪與軌道梁有一間隙,而穩定輪貼靠在軌道梁(D)上的時候,車輛在通過路面激擾后很快產生一較大的偏移量,并經過一段時間的振動才能恢復到穩定狀態。

(4)當導向輪和穩定輪同時和軌道梁有一間隙(E)的時候,車輛在通過路面激擾后很快產生一較大的偏移量,并經過長時間的振動才能恢復到穩定狀態,只是車體橫移較導向輪與軌道梁有一間隙,而穩定輪貼靠在軌道梁(D)上時稍大一點,而車體側滾、轉向架橫移、轉向架側滾的偏移量則大了很多。

(5)當導向輪和穩定輪同時和軌道梁有一預壓力(F)的時候,車輛在通過路面激擾后經過微小的振動后很快恢復到穩定狀態,在穩定狀態車輛基本回到零位置。

(6)從車體橫向加速度圖可以看到,當導向輪穩定輪貼靠在軌道梁上和有預壓力的時候車體振動一兩次就達到穩定,并且振幅很小;當有間隙存在時會有長時間的波動,并且幅值也比較大,尤其是導向輪和穩定輪同時存在間隙的時候波動最大。

由上述分析可知,導向輪、穩定輪與軌道梁之間的間隙加劇了車輛的振動和車輛的偏移量,使車輛的抗傾覆穩定性變差。當穩定輪和軌道梁有一間隙的時候會比導向輪和軌道梁之間有一間隙時的振動較大一些,是由于車輛的側滾運動沒有得到有效的抑制,當導向輪和穩定輪同時有一間隙的時候是最惡劣的情況,此時車輛的偏移量最大且振動最劇烈。當導向輪、穩定輪貼靠在軌道梁上和有一預壓力的時候車體的偏移和振動情況會改善很多,其中有預壓力的時候車輛的運行狀態最好,此時車輛具有良好的抗傾覆穩定性。

4 曲線線路上導向輪穩定輪預壓力研究

車輛在道路上運行時不可避免的要受到風力等其他外部激擾的影響,特別是在曲線通過時,由于存在離心力、重力的分力以及風力的作用,車體在曲線上會有較大的傾覆,此時導向輪穩定輪的預壓力就顯得尤為重要。

4.1 車輛圓曲線上橫向受力分析

圖3為車輛以一定速度通過圓曲線時橫向的受力情況,從圖中看出車輛在通過曲線時主要受到的橫向力有導向輪、穩定輪的徑向力、離心力和車輛重力在橫向的分力、走行輪的側向力。這些力在橫向有以下關系:

式中Fg為導向力;H為離心力;p為車輛重力;Fw為穩定輪抗傾覆力;Fα走行輪側向力;φ為超高角。

從式(2)可以看出,這些力的變化是由車輛的運行速度、線路的超高以及曲線半徑來決定的。

圖3 車輛圓曲線上的受力圖

4.2 有預壓力時的曲線通過仿真

為了考察導向輪穩定輪預壓力對車輛動力學性能的影響[4-6,8],仿真計算了單軌車輛在預壓力從0 kN到15 kN變化時,通過100 m到500 m不同曲線半徑超高率為7%的曲線時,車輛動力學性能指標的變化情況如圖4(a)～(f)所示。

從圖4可以看出,隨著預壓力的增加,導向輪穩定輪徑向力的變化量、車體側滾角、轉向架側滾角和車體橫移量(車體相對于前后轉向架中心的連線)顯著變小后趨于平緩;隨著曲線半徑的增加,導向力變化量的減小比較明顯,穩定輪徑向力變化量、車體側滾角、轉向架側滾角和車體橫移略有減小;空氣彈簧垂向力的變化隨曲線半徑和預壓力的增加變化都比較小。

圖5是導向輪穩定輪與軌道梁有5 kN預壓力,跨坐式單軌車輛以均衡速度通過100 m半徑7%超高率的曲線時,導向力和穩定輪徑向力的變化隨時間歷程變化情況。

從圖5可以看出,右側導向輪和左側穩定輪在緩和曲線上時就已經離開了軌道梁,在圓曲線上穩定輪徑向力有長時間較小幅度的振蕩。而此時若車輛受到外部激擾如強風的影響將給車輛帶來危險,從而影響車輛的穩定性、安全性。

圖4 車輛動力學性能指標的變化圖

圖5 導向輪和穩定輪徑向力的變化曲線

由以上分析可知,對導向輪胎和穩定輪胎設置一個預壓力,使之緊貼在軌道梁側面,對保證跨坐式單軌車輛的平穩導向和安全性有重要的作用。但如果導向輪和穩定輪的預壓力取得太小,在高速通過曲線或受到側向強風作用時,有可能會造成某些導向輪或穩定輪與軌面分離,從而影響車輛的運行安全性和穩定性;如果導向輪和穩定輪的預壓力取得過大,則增加了車輛的運行阻力,容易造成輪胎過快地磨耗,并對轉向架的強度產生不利影響。因此為了確定導向輪和穩定輪初始壓力,需要綜合考慮線路的曲線半徑、超高,車輛的運行速度,側向風的作用,輪胎強度以及走行部結構強度等因素,確保車輛在各種運行條件下,導向輪和穩定輪與軌道梁之間沒有間隙,即導向輪和穩定輪對軌道的壓力不應該為零,在此前提下,盡量取小值,對于本文的單軌交通車輛系統,根據仿真結果將導向輪、穩定輪的預壓力取10 kN時可保證導向輪穩定輪在運行時既不脫離軌道也不至于太大而增加摩擦力的消耗,還可使車體、轉向架運行時的側滾角較小,從而保證車輛的運行安全性。

5 結束語

通過受力分析和仿真計算可知,導向輪、穩定輪的預壓力對單軌車的運行安全性有重要的影響,預壓力太小不能起到保證車輛運行安全的作用,但預壓力過大會增加運行阻力。因此,應綜合考慮車輛運行的各種條件選擇合理的預壓力,從而既保證車輛的運行安全也不至于使車輛運行阻力增加太大,對于本文的單軌交通車輛系統,將導向輪、穩定輪的預壓力取10 kN比較適宜。

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