液壓減振器失效對跨座式單軌車輛動力學(xué)性能的影響分析

杜子學(xué)，馬加兵

(重慶交通大學(xué) 城市軌道交通研究院，重慶 400074)

0 引 言

跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和走行機(jī)理不同于鐵道車輛，在布置二系減振器裝置時，因受到空間和結(jié)構(gòu)限制，無法像傳統(tǒng)鐵道車輛那樣在轉(zhuǎn)向架和車體之間同時布置橫向減振器和垂向減振器[1]。為使車輛運行時有優(yōu)良的動力學(xué)性能，跨座式單軌車輛安裝了兩只與垂直方向呈45°的液壓減振器，以得到垂向、橫向兩個方向的減振阻尼，起到抑制車體和轉(zhuǎn)向架之間相對運動作用，故其對車輛運行性能有著重要影響[2]。但由于在車輛運行過程中可能因液壓減振器的油封墊圈、密封墊圈老化破裂損壞，貯油缸蓋螺母松動等原因?qū)е聹p振器漏油失效[3]，從而使跨座式單軌車輛動力學(xué)性能受到影響，故有必要對液壓減振器失效工況下的單軌車輛動力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 多體系統(tǒng)動力學(xué)模型

跨座式單軌車輛既不同于其他軌道車輛，亦與汽車有明顯差異。圖1為某國產(chǎn)跨座式單軌車輛拓?fù)錁?gòu)型圖。圖1中：由前、后兩個構(gòu)造特殊的無搖枕二軸轉(zhuǎn)向架和車體構(gòu)成；轉(zhuǎn)向架通過由中心銷、中心銷座、空氣彈簧、液壓減振器、橫向止擋和牽引橡膠堆構(gòu)成的二系懸掛系統(tǒng)與車體相連[4]。車輛行駛過程中，交流電機(jī)驅(qū)動著始終與軌道梁頂面接觸的充氣橡膠走行輪旋轉(zhuǎn)，同時在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架左右兩邊設(shè)置有4個充氣橡膠導(dǎo)向輪和兩個充氣橡膠穩(wěn)定輪來導(dǎo)向和穩(wěn)定車體。

圖1 跨座式單軌車輛拓?fù)錁?gòu)型Fig. 1 Topological configuration of straddle type monorail vehicle

參照圖1，運用MD ADAMS動力學(xué)仿真軟件構(gòu)建了車輛的跨座式單軌系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，如圖2[5]。當(dāng)減振器出現(xiàn)漏油故障時，減振器減振阻尼會衰減甚至消失。因此，筆者所建立的動力學(xué)仿真模型中考慮液壓減振器功能完全喪失情況，此時將液壓減振器的阻尼設(shè)為0[6]。

圖2 跨座式單軌系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型Fig. 2 Dynamics simulation model of straddle type monorail system

由于跨座式單軌軌道梁是由一個與走行輪接觸的走行軌面和與左右水平輪(導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪統(tǒng)稱水平輪)接觸的導(dǎo)向穩(wěn)定軌面構(gòu)成，因此一共需建立3個軌面來模擬軌道梁。筆者采用由直線段、緩和曲線段、圓曲線段、緩和曲線段、直線段，共5段組成的線路類型為R100 m左轉(zhuǎn)彎道仿真模型，如圖3。根據(jù)所選線路類型，文獻(xiàn)[7]中給出了線路具體參數(shù)及速度要求，如表1。

圖3 跨座式單軌線路仿真模型Fig. 3 Simulation model of straddle monorail line

表1 線路參數(shù)及速度要求Table 1 Circuit parameters and speed requirements

2 液壓減振器失效工況動力學(xué)仿真

2.1 減振器失效對車輛傾覆穩(wěn)定性的影響

參考鐵道車輛傾覆穩(wěn)定性研究，將傾覆穩(wěn)定性中的表述方式作適當(dāng)改變，鐵道車輛的輪對垂向載荷由走行輪垂向載荷來表示，以評價跨座式單軌車輛液壓減振器失效后的傾覆穩(wěn)定性[8]。由于單軌在正常工況向左轉(zhuǎn)彎過程中，離心力會使車體有向右外傾趨向，此時右側(cè)液壓減振器受力大于左側(cè)。因此主要分析以下幾種液壓減振器不同位置失效時的工況，如表2。

表2 液壓減振器失效工況Table 2 Failure modes of hydraulic shock absorber

車輛在左轉(zhuǎn)彎過程中，受離心力和軌道不平順激勵影響，其走行輪垂向載荷也會發(fā)生較大差異，左側(cè)走行輪減載，而右側(cè)走行輪增載。分別對以上不同工況下的傾覆系數(shù)進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖4。

圖4 不同工況下車輛傾覆系數(shù)Fig. 4 Capsizing factor of vehicles under different working conditions

當(dāng)車輛某一側(cè)走行輪在走行軌面的垂向載荷趨于零時，此時車輛處于運行危險工況(傾覆臨界狀態(tài))，車輛有可能會發(fā)生傾覆。參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗鑒定車輛傾覆系數(shù)為D<0.8[9]，其計算如式(1)。

(1)

式中：P1為減載側(cè)走行輪垂向載荷，N；P2為增載側(cè)走行輪垂向載荷，N。

由圖4可看出：不同液壓減振器失效工況下的車輛傾覆系數(shù)均小于0.8，但相比于液壓減振器的正常工況，其數(shù)值皆有所變大。其主要原因為：在轉(zhuǎn)彎過程中輪胎與軌道梁之間會有較大垂向和橫向振動沖擊，而液壓減振器失效后，車輛在垂向、橫向的減振阻尼力消失，車體和轉(zhuǎn)向架之間相對偏轉(zhuǎn)振動得不到很好抑制。

2.2 減振器失效對車輛抗脫軌穩(wěn)定性影響

由于跨座式單軌走行結(jié)構(gòu)特殊，在曲線路段運行時會受車況和線路條件如曲線半徑、超高及路面激勵影響，水平輪徑向力會發(fā)生較大變化。此時為較惡劣情形(前、后轉(zhuǎn)向架軌道一側(cè)的兩個導(dǎo)向輪徑向力同時為0，另一側(cè)穩(wěn)定輪徑向力為0)，車輛運行顛簸甚至有可能會脫離軌面，對車輛安全穩(wěn)定運行會造成一定影響[10-11]。故將抗脫軌穩(wěn)定性定義為：前、后轉(zhuǎn)向架同側(cè)的兩個導(dǎo)向輪徑向力同時變?yōu)?，而與之對側(cè)的穩(wěn)定輪徑向力也為0，則車輛有脫軌可能。

在線路類型為R100 m的彎道，車輛以36 km/h的速度運行，水平輪預(yù)壓力為4 900 N，不同工況下的水平輪徑向力仿真結(jié)果如圖5～11。其中：Ffl、Rrr、Fwl、Rwr分別代表前轉(zhuǎn)向架前軸左側(cè)導(dǎo)向輪徑向力、后轉(zhuǎn)向架后軸右側(cè)導(dǎo)向輪徑向力、前轉(zhuǎn)向架左側(cè)穩(wěn)定輪徑向力、后轉(zhuǎn)向架右側(cè)穩(wěn)定輪徑向力，其余依次類推。

圖5 正常工況時水平輪徑向力Fig. 5 Radial force of horizontal wheel under normal working condition

圖6 工況1時水平輪徑向力Fig. 6 Radial force of horizontal wheel under working condition 1

圖7 工況2時水平輪徑向力Fig. 7 Radial force of horizontal wheel under working condition 2

圖8 工況3時水平輪徑向力Fig. 8 Radial force of horizontal wheel under working condition 3

圖9 工況4時水平輪徑向力Fig. 9 Radial force of horizontal wheel under working condition 4

由圖5可看出：車輛正常工況運行時，未發(fā)生脫軌。由圖6、7可看出：工況1、2運行時，不滿足脫軌條件。由圖8、9可看出：工況3、4運行時，雖不完全滿足脫軌條件，但水平輪徑向力變化較大，車輛運行已變得不平穩(wěn)。由圖10、11可看出：工況5、6運行時，均出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架兩軸右側(cè)的兩個導(dǎo)向輪徑向力同時為零，且與之對側(cè)的穩(wěn)定輪徑向力也為零情況；車輛運行已經(jīng)變得極其顛簸且存在脫軌趨勢，嚴(yán)重影響到單軌車輛穩(wěn)定運行。

圖10 工況5時水平輪徑向力Fig. 10 Radial force of horizontal wheel under working condition 5

圖11 工況6時水平輪徑向力Fig. 11 Radial force of horizontal wheel under working condition 6

2.3 減振器失效對車輛側(cè)滾角影響

跨座式單軌車輛相對于其他鐵道車輛而言，存在走行輪橫向跨距小，重心距軌道面高，且在穩(wěn)態(tài)時側(cè)滾角大等特點[12]。而車體側(cè)滾對車輛轉(zhuǎn)彎時乘員舒適感受乃至行車安全十分重要。因此對液壓減振器失效工況下車輛側(cè)滾的研究不容忽視。

圖12給出了車輛在線路類型為R100 m、車速為36 km/h運行狀態(tài)下的7種工況車體側(cè)滾角。以上7種工況中，工況5、6的車體側(cè)滾角最大接近7°，車體側(cè)滾相對最大，且此線路超高率已經(jīng)達(dá)到了10.2%，較大的車體側(cè)滾會使得乘客有強(qiáng)烈的不適及恐慌感。

圖12 7種工況下的車體側(cè)滾角Fig. 12 Rolling angle of car body under seven working conditions

2.4 減振器失效對車輛運行平穩(wěn)性影響

對于跨座式單軌車輛而言，運行平穩(wěn)性也是衡量其運行性能的一項重要技術(shù)指標(biāo)。筆者主要研究了液壓減振器在不同失效工況對車輛運行平穩(wěn)性的影響。由于跨座式單軌軌道梁的軌面與傳統(tǒng)軌道有所不同，與公路路面更為接近，故采用文獻(xiàn)[13]中的A級路面來模擬軌道隨機(jī)不平順。在距離轉(zhuǎn)向架中心1 000 mm的車體地板面斜對角上選取1個前端測量點和1個后端測量點作為加速度測量點，見圖13。

圖13 平穩(wěn)性測量點俯視Fig. 13 Top view of stationarity measurement point

平穩(wěn)性計算如式(2)：

(2)

式中：W為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動加速度；f為振動頻率，Hz；F(f)為頻率修正系數(shù)。

文獻(xiàn)[7]給出了平穩(wěn)性評定標(biāo)準(zhǔn)，如表3。在平穩(wěn)性模擬仿真中，導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪預(yù)壓力為4 900 N，線路類型為S500 m直線軌道，車輛以最高運行速度75 km/h運行。在3個軌面均設(shè)置隨機(jī)不平順激勵，按式(2)分別計算前端測量點和后端測量點的平穩(wěn)性指標(biāo)，其計算結(jié)果如表4。

表3 客車運行平穩(wěn)性等級評價標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The level evaluation standard of running stationarity of passenger train

從表4可看出：① 跨座式單軌車輛在直線軌道正常工況運行時，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)低于2.5，運行平穩(wěn)性等級為1級(優(yōu))；而垂向平穩(wěn)性指標(biāo)低于2.75，運行平穩(wěn)性等級為2級(良)。② 相比于正常工況時，液壓減振器不同的失效工況下單軌車輛橫、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都有所變化：橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增大了0.041 6～0.561 4，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大了0.089 6～0.479 1。但其車輛橫向平穩(wěn)性等級仍為1級(優(yōu))；而部分垂向平穩(wěn)性指標(biāo)超過了2.75(<3.0)，平穩(wěn)性由2級(良)變?yōu)?級(合格)。

表4 跨座式單軌車輛前/后端測量點平穩(wěn)性指標(biāo)Table 4 Stationarity index of front/rear measurement points for straddle-type monorail vehicles

由此可知：在直線軌道運行時，液壓減振器失效對跨座式單軌車輛橫向平穩(wěn)性影響較小，但對車輛垂向平穩(wěn)性影響較大。

3 結(jié) 論

筆者采用多體動力學(xué)方法，仿真分析了跨座式單軌車輛液壓減振器不同失效工況對動力學(xué)性能影響，得到如下結(jié)論：

1)不同液壓減振器失效工況下的車輛傾覆系數(shù)均小于0.8，但相比于液壓減振器正常工況，數(shù)值皆有所變大。其主要原因為：在轉(zhuǎn)彎過程中輪胎與軌道梁間會有較大垂、橫向振動沖擊，而液壓減振器失效后車輛在垂、橫向的減振阻尼力消失，車體和轉(zhuǎn)向架間的相對偏轉(zhuǎn)振動得不到很好抑制；

2)通過對液壓減振器不同失效工況仿真分析對比發(fā)現(xiàn)：工況5、6運行時，車輛抗脫軌穩(wěn)定性最差，車輛運行已變得極其顛簸且存在脫軌趨勢，會嚴(yán)重影響到車輛穩(wěn)定運行；

3)單軌車輛在線路類型為R100 m的曲線軌道運行時，與其他幾種液壓減振器失效工況相比，工況5、6運行時，車體側(cè)滾相對最大，且線路超高率已達(dá)到了10.2%，較大的車體側(cè)滾會讓乘客有強(qiáng)烈不適及恐慌感；

4)單軌車輛在直線軌道以最高運行速度75 km/h運行時，相比于正常工況時，液壓減振器不同失效工況下單軌車輛橫、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)雖均有所增加，但車輛橫向平穩(wěn)性等級仍為1級(優(yōu))，而部分垂向平穩(wěn)性指標(biāo)超過了2.75(<3.0)，平穩(wěn)性由2級(良)變?yōu)?級(合格)。由此說明：在直線軌道運行時，液壓減振器失效對跨座式單軌車輛橫向平穩(wěn)性影響較小，但對垂向平穩(wěn)性影響較大。