跨座式單軌車輛滾動振動試驗臺的設計

肖 乾 黎晨曦 劉新龍 付至晨

（華東交通大學，江西 南昌330013）

近年來，我國城市汽車保有量年均增速高達15%，城鎮道路里程增速僅為2%。“兩化”疊加帶來了交通擁堵、空氣污染等一系列社會問題；而跨座式單軌屬于中等運量軌道交通系統，其特點是適應性強、噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強，能更好適應復雜的地形地貌環境。同時，在城市道路中央或道路兩旁的綠化帶即可立柱，占地面積小、遮擋少、選線靈活、對現有城市道路的交通干擾很輕微。跨座式單軌建設周期僅為地鐵的一半，造價成本僅為地鐵的三分之一[1]。跨座式單軌的速度可以達到每小時80 公里，在國內是較受歡迎的一種交通運輸方式[2]。然而一款新車在正式下線運營之前需進行各方面的綜合性能測試，國內目前并沒有現成的專門用于跨座式單軌車輛的滾動振動綜合性能測試的試驗臺。因此，筆者根據國內常用的幾款跨座式單軌列車的結構特點和幾何尺寸，設計了一種新型的跨座式單軌車輛滾動振動試驗臺。

1 跨座式單軌滾動振動試驗臺的總體方案

滾動振動試驗臺的工作原理是利用與軌頭形狀一致的軌道輪單元來代替實際的軌道，通過改變軌道輪單元的位置來模擬機車車輛的真實工況，例如軌道不平順、曲線軌道等情況。機車車輛借助上車梁或其它輔助設施被安放在對應軌道輪單元上方，且通過反力架縱向限位，通過軌道輪的不斷轉動來模擬無限長的兩條鋼軌，軌道輪對間一般設置有差速裝置，用來控制左右軌道輪同步或者差速轉動[3]。而跨座式單軌以其獨特的轉向架而不同于其它機車車輛，導致跨座式單軌車輛不能在普通的機車車輛滾動振動試驗臺上進行試驗[4]。為了使該試驗臺適用于跨座式單軌車輛，筆者對其結構進行重新設計。本文設計的跨座式單軌滾動振動試驗臺保留了機車車輛滾動振動試驗臺的縱向固定反力架，但因其原來的軌道輪對、激振裝置等裝置不適用于跨座式單軌車輛的轉向架，所以采用重新設計的走行輪對滾機構、導向輪與穩定輪機構等裝置進行替換，使得設計的滾動振動試驗臺能夠適用于跨座式單軌車輛。

2 跨座式單軌試驗臺的機械設計

2.1 試驗臺機械系統組成

滾動振動試驗臺的機械系統主要包括四部分:走行輪對滾機構、導向輪與穩定輪機構、試驗臺基座、A 型轉向架B 型轉向架等部分組成。如圖1 所示。

圖1 跨座式單軌車輛滾動振動試驗臺整體圖

2.2 A 型轉向架與B 型轉向架

轉向架是支承車體并擔負車輛沿著軌道走行的支承走行裝置，是車輛的最重要組成部件之一。A 型轉向架與B 型轉向架都屬于跨座式單軌車輛轉向架，與其它機車車輛的轉向架結構不同，主要由減振器、走行輪、牽引電機、穩定輪、導向輪、空氣彈簧等零件構成[4-5]，如圖2 所示。其主要功能是支撐車體并擔負車輛沿軌道行走。目前兩種轉向架共適用于四種不同類型的跨座式單軌車輛，分別為日立單軌、加拿大龐巴迪單軌、瑞士Intanin 單軌、比亞迪云軌[6]。

圖2 A 型轉向架與B 型轉向架

2.3 走行輪對滾機構

走行輪是內部充滿氮氣的橡膠輪胎，其內胎無鋼絲圈支撐，在行駛過程中能起到減震的作用，充氣壓力為880 kPa[5]。走行輪對滾機構由走行輪對滾輪、傳動齒輪、傳送帶、萬向節傳動軸、異步變頻電機、軸承座、電液伺服作動器等零件組成，如圖3 所示，其主要功能是模擬走行輪與軌道梁實際接觸，并模擬走行輪在軌道梁上的運行情況[7]。

圖3 走行輪對滾機構

走行輪對滾機構工作原理是：異步變頻電機驅動輸出動力，通過萬向節傳動器帶動同步帶輪運動，從而使同步帶輪帶動單軌列車的走行輪磨輪轉動。

本文設計的走行輪對磨輪的直徑為503mm，而現在跨座式單軌列車的時速最高可達100km/h。有公式：

式中：n-每秒走行輪轉動的圈數。

可得跨座式單軌列車走行輪在時速最高時可達到8.8r/s，走行輪對磨輪的速度最高可達17.6r/s，由傳動比為1:1,可以得到異步變頻電機的轉速為17.6r/s。異步電動機在運行過程中, 由于定子旋轉磁場轉速和轉子轉速存在轉速差, 這種不同步導致了電機轉差率的存在。異步電動機實際輸出轉速是電機同步轉速和轉差率共同作用的結果, 由電機機械特性的普遍規律決定[8-9]。通常工程計算中異步電機的調速公式為：

式中：n-電機轉速；f-驅動電機運行的頻率；p-電機極對數；s-異步電機轉差率。在實際工程運用中，由于異步電機的差速率較小，1-s 可近似等于1。變頻電機可通過改變輸入電壓的頻率來改變電機的轉速，當單軌列車達到最高時速時，電機的頻率為0.88 赫茲。

2.4 導向輪與穩定輪機構

導向輪與穩定輪的結構類似，但作用不同，導向輪與穩定輪分別負責跨座式單軌車在行駛過程中的導向和穩定0。導向輪與穩定輪機構由導向輪對滾輪、穩定輪對滾輪、調距基座、伺服變頻電機、軸承等零件組成，如圖4 所示。導向輪與穩定輪機構工作原理是：伺服變頻電機通過同步帶輪帶動皮帶，使皮帶帶動導向輪對滾輪轉動。

圖4 對滾輪與穩定輪機構

2.5 試驗臺基座

試驗臺基座由縱向固定反力架、超高調節平臺、縱移基座、橫移基座、轉向架旋轉平臺等零件組成，如圖5 所示。其主要功能是適應不同型號車輛試驗要求、通過轉向架旋轉平臺的旋轉來模擬曲線通過路況、固定車輛、在試驗過程中提供支撐。

3 跨座式單軌車輛滾動振動試驗臺的實驗分析

本文設計的跨座式單軌滾動振動試驗臺能夠進行車輛運行試驗、車輛運行平穩性試驗、車輛整車振動試驗、車輛轉向通過性能試驗，下面根據具體對車輛運行試驗、車輛運行平穩性試驗、車輛整車振動試驗、車輛轉向通過性能試驗等具體實施方案進一步說明。

3.1 車輛運行試驗/車輛運行平穩性試驗

車輛運行試驗：被試車輛的輪胎置于行走輪上，該行走輪通過轉動，用以模擬軌道的各種實際狀態，實驗中既可以由機車動輪驅動滾輪，實現機車牽引工況，也可以由滾輪驅動車輪，實現制動工況，走行輪對滾副由走行輪對滾輪、傳動齒輪、傳送帶、萬向節傳動軸、異步變頻電機、承座、電液伺服作動器等零件組成，為了模擬走行輪與軌道梁實際接觸,對滾輪以鋼為基體,水泥包覆層，使用的水泥標號與軌道梁一致。導向輪與穩定輪機構由導向輪對滾輪、穩定輪對滾輪、調距基座、伺服變頻電機、軸承等組成。為了模擬走行輪與軌道梁實際接觸,對摩輪以鋼為基體,水泥包覆層，使用的水泥標號與軌道梁一致；為適應不同車輛試驗需求，設計滿足前后轉向架中心距離可調整機構,該裝置由液壓桿驅動，可上下移動，調節穩定輪之間的軸距。

3.2 車輛曲線通過性能試驗

車輛在圓曲線上行駛時，受橫向力或離心力作用會產生滑移，為了抵消車輛在圓曲線路段上行駛時所產生的離心力，保證車輛能安全、穩定、滿足設計速度和經濟、舒適地圓曲線，在該路段橫斷面上設置的外側高于內側的單向橫坡，利用車身的重力的分力減小單軌列車在通過曲線時對軌道外側的擠壓力，這種單向橫坡稱為超高，如圖6 所示。根據我國鐵路設計規范的規定，外軌超高度的計算公式如下所示[3]：

式中：L-輪軌接觸斑的距離(一般取1500mm);R-軌道的曲率半徑;V-單軌列車通過曲線的平均速度。不同單軌車輛通過同一曲線的速度并不一致，而外軌超過內軌的距離是固定的，所以在該曲線軌道上行駛時，常表現為過超高和欠超高。在試驗臺上模擬超高不足，可通過反超高的方法實現。

假設軌道寬度為D,軌道超高為H，則質量為M 的單軌列車通過曲率半徑為R 的曲線時的超高角可由公式(4)計算得到。

單軌列車在通過曲線時，車體提供的向心力為:

而單軌列車通過該曲線需要的向心力為：

所以單軌列車通過曲線時欠缺的向心力為：

進而得到超高不足角：

因此需要模擬的外軌超高不足為：

4 結論

本文研制了一臺專門用于單軌車輛的滾動振動試驗臺，可在該試驗臺上完成車輛運行試驗、車輛運行平穩性試驗、車輛整車振動實驗、車輛轉向通過性能實驗。該試驗臺可同時進行多項性能試驗，其優點是試驗周期短，試驗成本低，測試裝置定置安裝，檢測方便。對幾種典型的跨座式單軌車輛的測試要求，該試驗臺可以通過調節或更換不同的轉向架進行實驗，可兼容單軌、機車車輛，能夠充分利用實驗臺資源。