基于ADAMS的直線電機軌道交通安全性研究

辛會珍

（天津交通職業學院，天津 300110）

直線電機軌道交通具有較好的選線性能，其采用了直線電機和徑向轉向架，但是還是具有一定的安全隱患。主要是在軌道坡度增大時，會使得輪緣爬軌加劇，嚴重時還會導致脫軌事故的產生。在直線電機軌道交通運行的過程中，一旦橫向力過大就會使得乘客的舒適度有所降低，這也是ADAMS運用于直線電機軌道交通的原因之一。就我國目前的直線電機軌道交通來說，系統線路設定值比較保守，可以依靠ADAMS軟件的研究增強系統性能和安全性。

1 分析車輛在運行過程中的評標規范

當車輛行駛在直線電機軌道交通路段的時候首先需要保障車輛行駛過程是絕對安全可靠的，還需要讓乘客保持舒適的狀態。運行過程中的安全性和平穩性需要以車輛的脫軌系數、軌道橫向穩定性及傾覆系數等確定，舒適性則主要需要滿足旅客的需求。舒適性主要的判定指標是疲勞時間評定、加速度最大限值等。在研究直線電機軌道交通安全性的時候，需要首先將車輛行駛的安全性考慮在內，然后將列車路線的動力系統考慮在內，所以在選擇研究控制指標的時候需要慎重，可以選擇脫軌的安全性以及車輛行駛過程中的平穩性作為評價規范。

1.1 脫軌安全性

車輛在運行過程中經常會通過曲線，而曲線運動會在離心力、側向風力和橫向振動慣性力的作用下導致外側前輪輪緣緊靠鋼軌。在這種情況下，前輪還會在導向力的作用下對整個轉向架沿曲線方向運行。有時候側向力會比較大，導致車輪會往上爬，輪緣就會沿著鋼軌側面滾動，嚴重時車輪還會落出軌外，導致脫軌。發生這種現象時，主要是車輪與鋼軌接觸點存在臨界，使得車輪有向下滑的趨勢。對車輛運動來說，直線電機軌道交通對輪軌起到了一定的支撐導向作用，在評價其安全性的過程中就可以利用脫軌系數進行判定。

1.2 車輛穩定性

車輛傾覆是危及直線電機軌道交通安全性的重要原因。發生傾覆的車輛主要是由于受到離心力、橫向振動慣性力的雙重作用，進而使得車輛運行具有一定的危險性。在考量車輛是否存在傾覆的危險性時，需要利用傾覆系數D進行衡量，計算公式為D=Pd/Pst。在式中，Pd表示的是同一側車輪上的總的動荷載，Pst表示的是車輛在同一側車輪上的總的靜荷載。如果計算得出D＞8，則說明車輛存在傾覆的可能，因此，直線電機軌道線路的設計參數一般是D＜8。

2 機械系統動力學仿真分析軟件輪軌模塊簡介

2.1 輪對建模

在進行直線電機軌道交通安全性研究的過程中，需要考慮很多方面的因素，其中轉向架中有一對屬性一致的輪對，這是最需要考慮在內的，所以，一般當軌道是直線電機形式的時候，在軌道上行駛的車輛其耦合動力學模型的表示需要將一對相同的輪對模型包含在內。當進行車輪的邊緣建模處理的時候，可以借助富點擬合的方法，在這個擬合過程中需要考慮到輪緣的幾何形狀，可以將幾何形位轉換為大量的點來擬合。利用這種方法，可以將車輪中不規范的幾何行為模擬出來，并且具有較大的準確性，操作比較簡單。有時候可以直接采用等效函數表示模型，但是多點擬合方式得出的結果更加準確。

2.2 構架建模

在利用ADAMS軟件研究直線電機軌道交通安全性的過程中，需要先確定建模的構架，才能保證建模的準確性。一般來說，需要采用內置式H形整體構架，在整個系統中，可以將構架建模視為剛體，確定構架位置。

2.3 對于懸掛系統建模處理

當對于懸掛系統進行建模的時候，主要思路是對于輪對以及轉向架機構上找出配合建模的連接點，然后將這些連接點作為整個懸掛單元的起點，在這些連接點的基礎上，可以進行新的彈簧單元的建立。

2.4 止檔建模

所謂止檔建模，指的是建模的位置選擇在轉向架以及車體之間，建模的主要目的是對于各個零部件的擺動行為進行控制。在止檔建模中，還能夠利用彈性拉力控制系統運行的穩定性，保障運行的可靠性，但是進行止檔建模，需要重點注意的是止檔的作用力和作用力引發的形變之間沒有線性關系。

2.5 對于自導向徑向轉向架傳動裝置進行建模處理

一般來講城市交通系統比較發達，并且具有很明顯的特點，那就是曲線較小，所以如果在建模過程中充分利用自導向徑向轉向架傳動設備能夠使直線電機軌道交通更加適應城市軌道交通的運行。

在利用這種傳動裝置建模的過程中，自導徑向轉向架可以通過機構將轉向架的前后兩輪銜接起來，使其能夠借助蠕滑力實現相對回轉，并且這種作用力的實現是比較簡單的。在進行自導徑向轉向架傳動裝置建模的過程中，需要在前輪和后輪上對輪軸加裝傳動輪桿，保障輪軸和桿件能夠自由旋轉，但是對兩者的橫向移動以及自由程度卻是有限制的，在轉向設置的中間位置，需要使用彈簧裝置將傳動桿件聯系起來，然后設置阻尼設備。同時，需要將傳動桿件的質量、轉動慣量設置為很小的數值，這樣能夠使得轉向架的幾何特性不會受到添加桿件的影響，彈簧和阻尼的質量可以忽略不計。

2.6 直線電機建模

轉向架與直線電機的連接方式是5點懸吊式。在按照實際連接效果將輪軸與直線電機連接在一起時，需要將直線電機設置為有一定橫向自由度的模型。直線電機允許出現橫向的少量移動，并且當出現移動的時候不會產生橫向作用力。在建模過程中可能會忽略掉直線電機與輪軸之間的剛度，而在具體的結構中，直線電機和輪軸的連接位置一般有一個彈性膠墊層，并且這個膠墊的強度一般較大，所以即使直線電機和電磁力共同作用，也不會產生較大的形變，在建模過程中需要將其認為是剛性連接。

2.7 車體建模

在進行車體建模的過程中，不需要經歷過于復雜的步驟，其主要為空間剛體，只需要對相關的線自由度和角自由度進行設置和研究即可。在設置車體的長、寬、高和質量、轉動慣量以及中心位置時，可以通過文件或者界面輸入完成。

2.8 整車模型

整車模型是在轉向架模型及車體模型結合基礎上建立的，其能夠與這兩者進行重新組合，進而使直線電機軌道交通安全性能得到有效保障。

3 仿真計算

直線電機車輛在自身的形成特點上，比普通車輛更加突出，主要表現在徑向轉向架的作用和直線電機感應力作用上。在進行仿真計算的過程中，需要保證車體的參數相同，并且兩者需要在相同的線路上，行車速度也不能存在差異，比照仿真計算結果就能夠對結果特征參數進行對比。

3.1 徑向轉向架仿真計算

后輪對和前輪對的脫軌系數曲線整體來說是比較類似的，但是后輪對的數值還是大于前輪對數值，特別是在圓曲線段中，后輪對比前輪對的固定值基本都要大，說明前輪對對于后輪對來說具有一定的導向作用，并且后輪對的動力響應要更大。

3.2 對于直線電機進行仿真處理

當線路情況一致的情況下，計算直線電機軌道需要借助車輛模型，主要的目的是驗證模型添加直線電機的正確性。

在計算過程中，需要明確仿真條件，其中線路全長為32m，主要是5m直線+4m緩和曲線+4m圓曲線（半徑為5m）+4m緩和曲線+延長的5m直線，圓曲線超高為5mm，緩和曲線的圖形可以大致看成是三次拋物線型，直線型超高順坡。在這個過程中，車輛的參數保持不變，并且一直處于勻速運行狀態，速度始終保持在7km/h。

4 結語

綜上所述，通過本文的計算講解，計算過程涉及到的脫軌系數，橫向轉動力等相比較正常車輛都是偏小的，所以，同自導向徑向的轉向架性質也是相吻合的。當加設直線電機之后，車輛運行狀態更加穩定，并且促進了車輛行駛過程更加安全可靠，并且行駛過程沒有使得脫軌系數有較大的改變。在ADAMS模塊中研究直線電機軌道交通安全性是符合實際工程要求的，在仿真計算中，還能夠驗證組合整車模型的正確性和有效性。

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