兩種空鐵轉向架動力學性能對比分析

何斌斌，鐘 敏，梁小強，張 弘

(中唐空鐵科技有限公司，四川 成都 610200)

0 引言

空鐵交通(即懸掛式單軌交通)系統具有占地少、適應性強、投資小、工期短、綠色環保等特點，適合作為大城市現有軌道交通系統的補充，在中小城市更可作為公共交通干線，在景區可作為觀光線使用?？砧F列車在德國的烏珀塔爾和杜塞爾多夫、日本的湘南和千葉均有運營業績，國內的中唐空鐵和中國中車先后建設了空鐵試驗線，目前，國內第一條由中唐空鐵牽頭的大邑空鐵示范線也正式落地，空鐵前景非?？捎^。與傳統軌道交通系統一樣，轉向架系統依然是車輛最為核心的技術，但不同的是，由于空鐵車輛制式的特殊性，其轉向架的輪軌關系、結構布置以及參數設置與傳統轉向架截然不同，國內外學者對此也開展了大量的研究，重點研究了轉向架構架、走行輪、導向輪和基礎制動裝置的結構，并根據直線平穩性指標和曲線通過性能指標對車輛懸掛參數進行了仿真優化，校核了其動力學性能；有些研究針對各自轉向架結構特點，分析了轉向架懸掛參數對車輛動力學性能的影響?？偨Y以上的研究，從結構上分析，空鐵轉向架相比傳統軌道車輛轉向架有較大的區別，其中非常關鍵的一個區別是空鐵轉向架與車體不是通過傳統的二系懸掛相連，而是通過一套特有的懸吊機構相連，因此，這套懸吊機構的結構和參數設置對車輛的整體性能起著至關重要的作用。一般來說，懸吊機構有四連桿型和鐘擺型兩種，大量文獻對采用這兩種懸吊機構車輛各自的動力學性能進行了研究，但缺少這兩種結構之間的性能差異研究。因此，本文專門探討兩種結構型式的空鐵轉向架車輛動力學性能的差異，為今后的工程建造提供一定的理論指導。

1 空鐵車輛轉向架結構分析

空鐵車輛轉向架運行在封閉的軌道箱梁內部，可用的空間非常有限，然其結構和功能卻并不比傳統轉向架少，可謂麻雀雖小，五臟俱全?？砧F轉向架主要包括構架、一系懸掛、輪對裝置、導向輪裝置、驅動裝置、制動裝置以及懸吊裝置等部件。構架通過一系懸掛與輪對裝置相連，輪對裝置集成了齒輪箱傳動裝置，實際是一根帶差速器的驅動軸橋；導向輪裝置安裝在構架端頭，走行輪和導向輪一般為實心橡膠輪胎(在相同軸重下充氣輪胎的空間尺寸大，需要較大的軌道梁尺寸，導致大幅提高建設成本)，走行輪與軌道梁底面接觸，起到承載車輛系統垂向力和傳遞牽引制動力的作用，導向輪與軌道梁側面接觸提供導向作用。由于橫向空間的限制，驅動系統的電機一般為縱向布置，通過聯軸節與輪對裝置內的齒輪箱連接，齒輪箱為錐齒輪結構，將電機軸縱向旋轉轉化為橫向旋轉，并通過差速器傳遞到左右走行輪上，差速器使得同一根軸左右兩輪在通過曲線時轉速不同，提高曲線通過能力。

相比傳統轉向架，空鐵轉向架設有一套特有的機構——懸吊機構，它用于連接構架和車體，功能與傳統轉向架二系懸掛類似，為車體提供約束和衰減振動，保證車輛能夠順利通過各種曲線的同時又得到各方向良好的平穩性。由于空鐵車輛車體懸掛式的特殊結構，車輛重心位于走行支撐面下方，這帶來了一個非常大的優勢，就是當車體橫向偏移后可以通過自重自動回復到平穩位置，不存在傾覆的可能，因此懸吊機構可以將車體的橫移和側滾運動大幅釋放，這種特性使得空鐵車輛具有傳統車輛無法比擬的曲線通過能力，因此懸吊機構的結構和性能對車輛的動力學性能起著至關重要的作用。

目前懸吊機構主要有兩種型式，即鐘擺型和四連桿型，采用兩種懸吊機構的車輛結構示意圖如圖1所示。鐘擺型轉向架的搖枕直接鉸接在構架上，搖枕可像鐘擺一樣相對于構架繞x軸(x向為車輛前進方向)自由轉動，在構架與搖枕之間需設置抗擺減振器來衰減搖枕的擺動；四連桿型轉向架的構架與搖枕通過2根擺桿連接，構架、搖枕、擺桿組成四邊形結構，這種懸吊結構能夠同時提供繞x軸轉動自由度和橫移自由度，且這兩個方向的運動是耦合關聯的，因此只設置一個橫向(y向)減振器，即可同時抑制轉動和橫向平動。車體通過二系簧吊掛于搖枕上，由于鐘擺型懸吊機構不能提供橫向平動，因此二系簧還需提供車體與搖枕之間的橫向減振；四連桿型則無需額外的二系簧橫向減振，搖枕與車體橫向可固接在一起。懸吊機構上均設有止擋，以限制車體過大的擺動角度。

圖1 采用兩種懸吊機構的車輛結構示意圖

2 研究方法與車輛動力學模型

2.1 研究方法

空鐵車輛相對于傳統鐵道車輛不存在脫軌安全性、車輛傾覆以及蛇形穩定性等問題，因此平穩性和曲線通過性能是動力學研究的關鍵，其中曲線通過性能主要考慮輪軌作用力和車輛運行姿態(限界)。本文利用多體動力學軟件分別建立兩種轉向架型式的空鐵車輛動力學模型，對比分析兩種車輛的平穩性以及曲線通過性能，為轉向架結構型式選擇提供參考。

2.2 車輛動力學模型

根據車輛結構及相關動力學參數，利用多體動力學軟件分別建立兩種轉向架型式空鐵車輛的動力學模型。由于車輛結構復雜、零部件眾多，為提高計算效率，根據研究目的對車輛模型進行了簡化。將車體、構架、搖枕、擺桿、齒輪箱等結構件視作剛體，橡膠件、空氣彈簧、減振器等看作是彈性力元。其中，采用鐘擺懸吊機構的空鐵車輛動力學模型共有68個自由度，各部件自由度見表1(其中，-表示無此自由度，√表示有此自由度)；采用四連桿懸吊機構的空鐵車輛動力學模型共有74個自由度，較鐘擺型增加了擺桿轉動和搖枕橫向平動自由度，各部件自由度見表2。

表1 采用鐘擺懸吊機構的空鐵車輛系統自由度

表2 采用四連桿懸吊機構的空鐵車輛系統自由度

2.3 車輛參數與軌道譜

本文主要的研究對象是兩個懸吊機構的差異，因此除了與懸吊機構相關結構和參數有差異外，其余車輛參數均完全相同。

本文采用文獻[6]中的公路不平順譜，基于該軌道譜的動力學仿真結果與中唐空鐵試驗線的測試結果接近，具有一定的準確性。另外，本次對比分析未考慮軌道梁的彈性變形和伸縮縫的影響。

3 動力學對比分析

3.1 車輛直線動力學性能對比分析

車輛運行舒適性是空鐵車輛最為關鍵的評判指標，空鐵的轉向架結構型式和懸掛參數匹配也將舒適性作為重要目標。本文直線動力學性能以GB5599中的平穩性指標作為評判，分別計算兩種懸吊機構型式車輛在10 km/h～80 km/h速度級下的平穩性指標，結果如表3和圖2所示。計算結果表明：在各速度級下，兩種車輛橫向和垂向平穩性相差很??；兩種車輛的平穩性隨著車速增大而單調增大，均能達到GB5599中的優級標準(小于2.5)。因此，只要合理匹配懸掛參數，選用兩種結構型式轉向架都能使空鐵車輛具有較好的舒適性。

表3 兩種懸吊機構車輛直線平穩性指標對比

圖2 兩種懸吊機構車輛直線平穩性指標對比

3.2 車輛曲線通過性能對比分析

空鐵車輛雖不存在脫軌的安全性問題，但輪軌間的相互作用關系也是不容忽視的，良好的轉向架曲線通過性能有利于減小車輛運行阻力、降低輪軌磨耗，同時也有利于降低工程建造成本。本文以最小通過曲線半徑為30 m和200 m作為研究對象，曲線設置(軌道梁未設置加寬和超高)如表4所示。以輪軌作用力和車輛運動姿態來綜合評判車輛的曲線通過性能，同時，對比車輛在曲線半徑為200 m上的平穩性指標。

表4 曲線設置

3.2.1 運動姿態對比

四連桿型懸吊機構車輛的車體側滾在曲線半徑為30 m和200 m曲線上的側滾角分別為1.5°和2.0°，而鐘擺型懸吊機構的車體側滾角達到6.3°和7.4°，遠大于四連桿型懸吊機構車輛，可見鐘擺型懸吊機構釋放的繞x軸的旋轉自由度將使車體產生很大的側滾角，而四連桿懸吊機構則同時產生一定的橫向位移和一個較小側滾角，這種較大的側滾角將使車體產生較大橫向位移，尤其是遠離旋轉中心的車體底部。從地板面車體橫向位移可以看到，鐘擺型懸吊機構車輛的車體地板面橫向位移在曲線半徑為30 m和200 m曲線上分別為318 mm和415 mm，遠大于四連桿懸吊機構車輛的100 mm和162 mm。兩種懸吊機構所產生的車體側滾和位移值對比如表5所示，車體運動姿態如圖3所示，其中虛線表示車體擺動后的位置?？梢?，四連桿型懸吊機構車輛在橫向位移和車體側滾方面具有很大優勢，因為車體位移過大必將加大車輛限界，致使軌道立柱蓋梁的懸臂加長，從而增加工程造價。

表5 兩種懸吊機構車輛的車體側滾和位移值對比

圖3 兩種懸吊機構車輛的車體運動姿態示意圖

3.2.2 輪軌作用力對比

由于篇幅有限，本文的導向輪正壓力和走行輪輪重減載率僅取最大值進行對比。四連桿型懸吊機構車輛的導向輪正壓力在半徑為30 m和200 m曲線上分別為8 570 N和6 560 N，而鐘擺型懸吊機構車輛的導向輪正壓力分別為7 550 N和5 660 N，可以看出四連桿型懸吊機構車輛的導向輪正壓力大于鐘擺型的15%左右；四連桿懸吊機構車輛走向輪輪重減載率在曲線半徑為30 m和200 m曲線上分別為41%和16%，鐘擺型懸吊機構車輛走向輪輪重減載率分別為39%和14%，相差2%左右。兩種懸吊機構車輛的輪軌作用力對比如表6所示，由此可見，鐘擺型懸吊機構車輛在輪軌作用力方面具有一定優勢，對后期橡膠輪運用維護有一定的好處。

表6 兩種懸吊機構車輛的輪軌作用力對比

3.2.3 曲線運行平穩性對比

對比了兩種結構型式轉向架車輛在曲線半徑為200 m曲線上的運行平穩性指標，如表7所示。從表7中可以看出：四連桿型懸吊機構和鐘擺型懸吊機構車輛在曲線上的橫向平穩性指標相對于直線來說均有所增大，但兩者相差很??；而垂向平穩性指標和直線相比差異不大，總的來說，兩種結構型式車輛的曲線運行平穩性處于同等水平。

表7 兩種懸吊機構車輛的曲線平穩性指標對比

4 結論

對兩種懸吊機構轉向架結構進行了分析，并建立了車輛的多體動力學模型，對比分析兩種車型在直線和曲線上的動力學性能，可以得出以下結論：

(1) 選用兩種結構型式轉向架車輛運行平穩性水平相當，只要合理匹配懸掛參數，兩種轉向架都能使空鐵車輛具有較好的平穩性。

(2) 四連桿型懸吊機構車輛在橫向位移和車體側滾方面具有很大優勢，在獲得相同曲線通過速度和平穩性的前提下，車輛限界比較小。因此，選用四連桿型轉向架能夠降低軌道梁柱的建造成本。

(3) 鐘擺型懸吊機構車輛在輪軌作用力方面具有一定優勢，對后期橡膠輪運用維護有一定的好處。