跨坐式單軌鉸接式轉向架動力學分析

錢艷

摘 要：通過研究跨座式單軌和鉸接式轉向架的原理，設計能夠應用于跨座式單軌列車的鉸接式轉向架。利用ADAMS建立三車四轉向架模型后進行仿真，確定其最優參數后，從列車的運行平穩性以及穩定性評價跨座式單軌的鉸接式轉向架的性能，同時論證鉸接式轉向架在跨坐式單軌列車中運用的可行性。

關鍵詞：跨坐式單軌;鉸接式轉向架;ADAMS;動力學仿真

1前言

20世紀90年代末，我國從日本引進跨坐式單軌交通技術，于2000年開始建設重慶軌道交通2號線，成為我國單軌交通建設的首條線路。鉸接式轉向架技術最早應用于法國TGV高速列車，TGV是歐洲高速鐵路中研制最早、運用考驗時間最長、世界上運營速度最高、試驗速度多次創造世界紀錄、性能優良的高速列車。然而目前，將鉸接式轉向架應用于跨坐式單軌列車尚未出現相關研究，所以研究跨坐式單軌的鉸接式轉向架動力學性能十分有必要。

2鉸接式轉向架特點

通過分析，可以得出鉸接式單軌列車主要運動特點為：

（1）車體具有伸縮、橫移、沉浮、點頭、搖頭和側滾6個自由度，經由中心銷和空氣彈簧與轉向架構架相連。

（2）轉向架構架具有伸縮、橫移、沉浮、點頭、搖頭和側滾6個自由度，其中，構架與中心銷之間的減振器起減振作用，橫向止擋起止擋作用，牽引橡膠堆則起到傳遞動力的作用。

（3）每臺轉向架構架上安裝有兩根車軸，用于安裝橡膠輪胎，每個輪胎相對于構架只考慮繞軸旋轉的運動。

綜上，該動力學模型中，鉸接式列車的運動自由度為（4+4+2）×4+6×7=82個自由度。

3鉸接式列車動力學模型

通過分析單軌列車的運行機理，聯合機械系統動力學原理，采用虛擬樣機技術，建立三車四轉向架的“車輛—輪胎—軌道梁”耦合動力學仿真模型。在三車四轉向架的動力學模型中，頭尾車為動力轉向架，故而頭尾車為動車;而中間車兩端的轉向架為非動力鉸接式轉向架，因此中車為拖車。

在所建動力學模型中，將彈性變形相對懸掛系統變形可以忽略不計的部件（比如輪對、轉向架構架、車體等）均假設為剛體，仿真計算中不考慮彈性變形。建模過程中，對于兩端車的傳統動力轉向架，轉向架與車體之間的由空氣彈簧、中心銷、中心銷座、橫向止擋、牽引橡膠堆、橫向油壓減振器實現縱向、垂向、橫向的連接;而鉸接式轉向架的動力學建模，空氣彈簧與車體直接相連的部分，稱為支撐端，鉸接在支撐端上面的車體稱為鉸接端，二系懸掛均與支撐端車體連接。

4 仿真結果分析

利用ADAMS完成建模后，設定列車運行工況為：軌道半徑R100，車速30km/h，路面屬性文件中空間功率譜密度 ，進行仿真分析計算能夠得到其動力學性能參數。

軌道車輛運行安全性由車輛動力學性能決定。車輛的動力學性能主要包括運行平穩性、穩定性以及曲線通過性能。由于單軌車輛是軌道車輛的一種典型制式，而目前我國尚未建立單獨適用于單軌車輛的動力學性能評定和試驗鑒定規范，所以，本次計算分析將參考GB5599—85評價體系，對跨坐式單軌鉸接式轉向架的動力學性能進行評定和分析。

4.1? 運行平穩性

參照GB5599—85《軌道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，分析單軌車輛運行平穩性。運行平穩性由平穩性指數W評定，W的計算公式如下：

F（f） _頻率修正系數，取值參考表1

4.2? 運行穩定性

運行工況為：導向輪、穩定輪預壓力4900N;轉彎半徑R100;車速30km/h;仿真結果如下圖（按照前左、前右、后左、后右排序）：

a）轉向架1走形輪垂向力 b）轉向架2走形輪垂向力

c）轉向架3走形輪垂向力 d）轉向架4走形輪垂向力

由圖4.1可以得出以下結果：當走形輪開始進入曲線路段的時候，其垂向力會發生較大的變化，取相差最大的時刻計算其傾覆系數（D1、D2、D3 、D4 分別為轉向架1、2、3、4的傾覆系數）為：

滿足GB5599—85所規定的機車的機車容許傾覆系數D<0.8，說明將鉸接式轉向架應用到跨坐式單軌車輛后，其抗傾覆穩定性是足夠的。

5結論

1）本文首次運用ADAMS建立了三車四轉向架的鉸接式單軌動力學模型，并找出了模型相關較優參數。

2）該動力學模型能夠保證單軌列車的運行安全性、運行平穩性以及穩定性。

3）該模型并未達到最優，為實現鉸接式轉向架在跨座式單軌更好應用，還需要進一步對各個參數進行優化。

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