跨坐式單軌車輛的耦合轉(zhuǎn)向架

任利惠 黃有培 冷 涵 孫達(dá)力

(1. 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2. 北京維時(shí)正喜科技有限公司，101300，北京//第一作者，教授)

目前，我國(guó)的跨坐式單軌車輛類型主要有日立模式和龐巴迪模式，兩者的差別主要體現(xiàn)在走行部。

日立模式的單軌車輛采用兩軸轉(zhuǎn)向架，具有2對(duì)走行輪、4個(gè)導(dǎo)向輪和2個(gè)穩(wěn)定輪，懸掛系統(tǒng)采用空氣彈簧，車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力采用橡膠堆傳遞[1]。由于使用了兩軸轉(zhuǎn)向架，日立模式單軌車輛的承載能力較強(qiáng)，在單軌車輛中運(yùn)量最大。但兩軸轉(zhuǎn)向架也造成客室地板面距軌面較高，車輛高度尺寸大。

龐巴迪模式的跨坐式單軌車輛采用單軸轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架設(shè)置1對(duì)走行輪、4個(gè)導(dǎo)輪和2個(gè)穩(wěn)定輪，懸掛系統(tǒng)采用沙漏型橡膠彈簧，牽引裝置采用空間4連桿結(jié)構(gòu)，不僅傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力，同時(shí)抑制轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)[2]。單軸轉(zhuǎn)向架配合車體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了客室的低地板化，降低了車輛高度。

不論日立模式還是龐巴迪模式的跨坐式單軌車輛，由于其車體均直接坐落在二系懸掛之上，通過(guò)曲線時(shí)依靠二系懸掛的縱向變形來(lái)適應(yīng)車體與轉(zhuǎn)向架之間的回轉(zhuǎn)角度，則二系懸掛會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生回轉(zhuǎn)約束，使得走行輪在圓曲線上均不能處于徑向位置[3-4]。

研究表明，走行輪側(cè)向力、側(cè)偏角和側(cè)傾角是影響走行輪偏磨的主要因素[5]。當(dāng)走行輪不能處于徑向位置時(shí)，勢(shì)必將產(chǎn)生側(cè)偏角和側(cè)偏力，從而引起走行輪的偏磨。減小側(cè)偏角能夠明顯地減小走行輪的偏磨。導(dǎo)向輪的徑向力是評(píng)價(jià)跨坐式單軌車輛曲線通過(guò)安全性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[6]，減小導(dǎo)向輪的徑向力能夠提高曲線通過(guò)的安全性。

為了克服現(xiàn)有日立模式單軌車輛的雙軸轉(zhuǎn)向架和龐巴迪模式單軌車輛的單軸轉(zhuǎn)向架在曲線通過(guò)時(shí)不能處于徑向位置的缺點(diǎn)，本文提出了跨坐式單軌車輛的一種新型轉(zhuǎn)向架——耦合轉(zhuǎn)向架。將兩個(gè)相鄰車體下的單軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)回轉(zhuǎn)彈簧聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)設(shè)置合理的回轉(zhuǎn)剛度，可以使得耦合轉(zhuǎn)向架的走行輪在圓曲線處于徑向位置，從而消除走行輪的側(cè)偏力和回轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)減小導(dǎo)向輪的徑向力，提高車輛的曲線通過(guò)性能。

1 耦合轉(zhuǎn)向架

1.1 耦合轉(zhuǎn)向架方案

跨坐式單軌車輛耦合轉(zhuǎn)向架的原理如圖1所示。將相鄰兩個(gè)車體下面的兩個(gè)單軸轉(zhuǎn)向架用提供搖頭回轉(zhuǎn)剛度的耦合機(jī)構(gòu)連接，使之成為一種介于兩軸轉(zhuǎn)向架和單軸轉(zhuǎn)向架之間的新型轉(zhuǎn)向架，稱為耦合轉(zhuǎn)向架。

1——車體I；2——車體II；3——走行輪；4——導(dǎo)向輪；5——穩(wěn)定輪；6——二系懸掛；7——耦合機(jī)構(gòu)

1.2 耦合機(jī)構(gòu)方案

圖2給出了跨坐式單軌車輛耦合轉(zhuǎn)向架的耦合機(jī)構(gòu)的一種實(shí)現(xiàn)方案[7]。耦合機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)扭桿彈簧的組合結(jié)構(gòu)。在相鄰的兩個(gè)單軸轉(zhuǎn)向架的端部各布置一個(gè)扭桿彈簧，兩個(gè)扭桿彈簧通過(guò)縱向布置的拉桿連接，由扭桿彈簧提供耦合回轉(zhuǎn)剛度。

圖2 耦合機(jī)構(gòu)方案

上述耦合機(jī)構(gòu)方案具有以下特點(diǎn)：①耦合回轉(zhuǎn)剛度易于調(diào)整，耦合機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)剛度可以通過(guò)調(diào)節(jié)扭桿的長(zhǎng)度、扭臂的長(zhǎng)度、扭桿桿身直徑來(lái)調(diào)整；②整個(gè)機(jī)構(gòu)隨動(dòng)性好，對(duì)轉(zhuǎn)向架其它自由度的運(yùn)動(dòng)影響小；③故障導(dǎo)向安全，耦合機(jī)構(gòu)中無(wú)論扭桿、扭臂還是連桿，一旦損壞，則整個(gè)耦合機(jī)構(gòu)立刻失效，耦合轉(zhuǎn)向架變成單軸轉(zhuǎn)向架，不會(huì)產(chǎn)生其他負(fù)面影響。

龐巴迪模式的單軸轉(zhuǎn)向架只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造，加裝上述耦合機(jī)構(gòu)，即可成為耦合轉(zhuǎn)向架。

2 曲線通過(guò)性能

2.1 耦合剛度的理論值

單軸轉(zhuǎn)向架的走行輪通常固接在構(gòu)架上，所以在理論分析時(shí)，可把走行輪和構(gòu)架看作一個(gè)整體處理。以耦合轉(zhuǎn)向架其中一個(gè)單軸走行部為例，當(dāng)轉(zhuǎn)向架在圓曲線上處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，其搖頭運(yùn)動(dòng)的力平衡方程為：

Mgt+Mrt+Ms+Mc=0

(1)

式中：

Mgt——導(dǎo)向輪提供的搖頭力矩；

Mrt——走行輪的回正力矩；

Ms——二系彈簧產(chǎn)生的搖頭力矩；

Mc——耦合彈簧產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。

當(dāng)轉(zhuǎn)向架在圓曲線處于徑向位置時(shí)，走行輪的搖頭角Ψt=0，這時(shí)Mrt=0，Mgt=0，因此有：

Ms+Mc=0

(2)

由于懸掛系統(tǒng)的橫向變形比車輛的名義定距2L小得多，可認(rèn)為車體的中央部分近似與圓曲線相切，這時(shí)單軸轉(zhuǎn)向架與車體的搖頭角β=L/R(R為曲線半徑,L為車輛定距之半)，則二系彈簧產(chǎn)生的搖頭力矩為：

Ms=2b2Ksx·L/R

(3)

式中：

b——二系懸掛的橫向間距之半；

Ksx——二系懸掛的縱向剛度。

同理，當(dāng)轉(zhuǎn)向架處于徑向位置時(shí)，相鄰兩個(gè)單軸轉(zhuǎn)向架之間的搖頭角為2α=2a/R，其中a為耦合轉(zhuǎn)向架的前、后走行輪的縱向間距之半，則耦合彈簧產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩為：

Mc=Kφ·2a/R

(4)

式中：

Kφ——耦合彈簧的回轉(zhuǎn)剛度。

將式(3)、(4)代入方程(2)，可以得到耦合轉(zhuǎn)向架在圓曲線處于徑向位置時(shí)，耦合回轉(zhuǎn)剛度與二系彈簧縱向剛度之間的關(guān)系：

(5)

當(dāng)Kφ與Ksx滿足式(5)時(shí)，耦合轉(zhuǎn)向架的前、后走行輪就能在二系彈簧和耦合彈簧的共同作用下趨向徑向位置。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真

在UM軟件中建立圖3所示編組型式的跨坐式單軌列車的動(dòng)力學(xué)模型。模型包括3個(gè)車體和4個(gè)轉(zhuǎn)向架，其中2個(gè)端部轉(zhuǎn)向架采用單軸轉(zhuǎn)向架，2個(gè)中間轉(zhuǎn)向架采用耦合轉(zhuǎn)向架，參數(shù)選自文獻(xiàn)[8]。

圖3 列車編組型式

圖4給出了耦合轉(zhuǎn)向架以均衡速度通過(guò)半徑為100 m、超高率為12%曲線的仿真結(jié)果。可以看出:在圓曲線上，耦合轉(zhuǎn)向架的搖頭角近似等于零，這時(shí)耦合走行輪的側(cè)偏力和回轉(zhuǎn)力矩也近似等于零，耦合轉(zhuǎn)向架走行輪以徑向姿態(tài)通過(guò)圓曲線，明顯減小走行輪的偏磨；在圓曲線上，耦合轉(zhuǎn)向架所有導(dǎo)向輪的徑向力近似相等，都接近初始預(yù)壓力，這說(shuō)明耦合轉(zhuǎn)向架可明顯減小導(dǎo)向輪在圓曲線上的載荷，提高通過(guò)曲線的安全性；在圓曲線上，耦合彈簧的力矩和二系懸掛的搖頭力矩大小相等，方向相反。

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果可以畫出耦合轉(zhuǎn)向架在圓曲線的受力狀態(tài)，如圖5所示。由于二系彈簧所產(chǎn)生的搖頭力矩正好被耦合彈簧的耦合力矩所平衡，這時(shí)前后走行輪處于徑向位置，走行輪的側(cè)偏力和

a) 轉(zhuǎn)向架搖頭角

回正力矩為零；導(dǎo)向輪的載荷僅由未平衡離心力引起，軌道梁同側(cè)的各個(gè)走行輪的徑向力相等。

圖5 耦合轉(zhuǎn)向架在圓曲線的受力狀態(tài)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架方案，將相鄰車輛的兩個(gè)單軸走行部通過(guò)回轉(zhuǎn)剛度耦合在一起構(gòu)成耦合轉(zhuǎn)向架。只要設(shè)置合適的耦合回轉(zhuǎn)剛度，耦合轉(zhuǎn)向架的前、后走行輪在圓曲線上能處于徑向位置，從而消除走行輪的側(cè)偏力和回轉(zhuǎn)力矩，減小走行輪通過(guò)曲線時(shí)的偏磨；同時(shí)可減小導(dǎo)向輪的徑向力，增加車輛的運(yùn)行安全性。

耦合轉(zhuǎn)向架克服了兩軸轉(zhuǎn)向架和單軸轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)的缺陷，具有良好的曲線通過(guò)性能，其為跨坐式單軌車輛的發(fā)展提供了新的解決方案。