曲線超高率對單軸轉向架跨座式單軌車輛曲線通過性能的影響

許 亮

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074）

跨座式單軌車輛的軌道交通線路不同于地鐵，其具有交通線路條件復雜，軌道梁模式多樣的特點。軌道走行線路超高率影響著乘坐舒適度與運行穩定性，國內對跨座式單軌車輛線路曲線超高值的研究少之甚少，很多國際標準也僅僅給出跨座式單軌車輛線路曲線超高率的大致范圍。鐵道第三勘察設計院集團有限公司進行了高速鐵路曲線超高設計的研究，國內《跨座式單軌交通車輛道岔結構及分析》書簡述了曲線超高率確定的一般理論公式，日本《大阪結構設計指南》對軌道梁的超高和欠超高也給出了相應的標準范圍。

1 軌道梁運行線路及曲線超高率

為了平衡曲線路面上車輛的離心力，軌道梁走行輪行駛面設置了一定的超高。乘客會由離心力的作用而向外傾斜產生疲勞感與不舒適感，因此需要在曲線軌道上設置一定的超高，曲線超高即確定緩和曲面長度及曲線間距值等參數。軌道在設計過程中，采用直線、緩和曲線、和圓形曲線段的組合。

（1）直線階段：跟蹤直線段起點與終點的距離；無超高值。

（2）緩和曲線階段：擬合在直線和圓形之間，在設計的線路上，使用了一個過渡曲線路徑；超高率在緩和段以某一曲率遞增/減。

（3）圓形曲線段：在這個階段，軌道以一個半徑不變的圓形路徑；超高率保持某一定值不變。

需要注意的是，在循環曲線之后，過渡段和直線段再次遵循相同的順序。完成設置線路的長度如表1所示。

表1 曲線線路設置

2 基于ADAMS的單軸轉向架跨座式單軌列車模型

根據單軸轉向架跨座式單軌車輛主要技術參數進行建模，耦合模型主要包括車體部分，轉向架部分，軌道路面及部分力學特性元件。

單軸轉向架不同于雙軸轉向架，由于其中心為走行輪，所以不能設置中央牽引銷，在建立仿真模型時要重新設置牽引裝置，各種力學原件的位置剛度等也要重新考慮。圖1為單軸轉向架CATIA三維結構簡化示意圖，圖示走行輪輪對中置，空氣彈簧、橫向止擋及垂直和斜向油壓減振器布置在轉向架的中部兩側且靠下的穩定輪支架的兩側，油壓減震器布置在轉向架左右兩側。

圖1 單軸轉向架結構簡化示意

車體模型從CATIA中導出相應三維模型，然后通過改變文件格式導入動力學軟件中。走行部與車體之間的約束主要由二系懸掛系統提供，在動力學軟件中模擬出車體的質量和轉動慣量等參數。

3 曲線超高率對單軸轉向架曲線通過性能的影響

3.1 不同曲線超高率下的導向輪最大徑向力變化曲線

抗脫軌穩定性定義為：在任何條件下同一個轉向架上同側的兩個導向輪徑向力與另一側穩定輪橫向力不同時為零，則單軌車輛不會出現脫軌。

從曲線圖2中可以看出在超高率為4%，6%，8%，14%和16%時，均有一個導向輪徑向力為0，此時雖然不會發生脫軌危險，但是車輛曲線通過性能一般；當曲線超高率在10%～12%時，4個導向輪均有載荷，說明無一導向輪離開軌面，故此時車輛曲線通過性能相對其他工況來說達到最優。

圖2 導向輪最大徑向力的變化曲線

3.2 不同曲線超高率下的走行輪側偏角變化曲線

輪胎的側偏特性對車輛的穩定性起很大的作用，也影響著輪胎的耐磨損性能和使用壽命周期。走行輪胎的側偏角大小則是反映輪胎側偏特性的一個重要參數，故而要求車輛在行駛過程中，綜合性能考慮，應盡量使走行輪側偏角偏小。

根據不同工況仿真結果，得出圖3中走行輪側偏角的變化曲線，可以看出在曲線超高率為12%時，走行輪側偏角最小，因走形輪胎為橡膠輪胎，根據重慶軌道三號線的經驗，輪胎的磨耗率是設計線路重要考慮因素，此時走行輪胎的磨損性能最小，曲線通過性能優。

圖3 走行輪側偏角變化曲線

3.3 不同曲線超高率下的轉向架導向力矩變化曲線

轉向架的導向力矩是決定轉向架曲線通過性能的重要指標，轉向架通過曲線時所需導向力矩越小說明其曲線通過性能越好。

如圖4所示，隨著曲線超高率的增大，轉向架導向力矩逐漸變大，此時在7種不同工況下車輛曲線通過性能較好，均滿足曲線通過性能要求。

圖4 轉向架導向力矩變化曲線

3.4 不同曲線超高率下的車體側滾角變化曲線

車體的側滾程度對車輛曲線通過的安全性以及車內乘客舒適度感受非常重要。從圖5中可以看出，車體側滾角在曲線超高率未超過12%時側滾角小于1°，此時乘客乘坐舒適度較好，但當超過12%時側滾角遞增趨勢增大，這將一定程度影響乘坐舒適性與行車安全性。

圖5 車體側滾角變化曲線

3.5 不同曲線超高率下的傾覆系數變化曲線

從圖6中看出，隨著曲線超高率的增大，車輛傾覆系數也逐漸增大，但均小于我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB5599—85）規定車輛傾覆系數D≤0.8，說明單軸轉向架跨座式單軌車輛傾覆穩定性較好，滿足車輛曲線通過性能。

圖6 傾覆系數變化曲線

3.6 不同曲線超高率下的走行輪最大垂向力變化曲線

如圖7所示，隨著曲線超高率的增大，走行輪垂向力先變小后增大，分析對比得出在超高率為10%～12%工況時，車輛曲線通過性能最好。

4 結語

通過改變曲線超高率對單軸轉向架跨座式單軌車輛曲線通過性能的計算分析，可以得出曲線超高率對單軸轉向架跨座式單軌車輛曲線通過性能的影響：曲線超高率不是越低越好，也并非越高越好，數據表明曲線超高率在10%～12%之間時，曲線通過性能整體達到優化狀態。

不同工況仿真結果數據的對比可以發現：設置合理的曲線超高率，既能保證列車運行中乘客的舒適度，又可以保持輪軌之間受力比較均勻，減少輪胎磨損率,有利于線路的養護。

圖7 走行輪最大垂向力變化曲線