跨坐式單軌車輛的橫向平穩性研究

趙增闖，葛方順，任利惠

（1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804； 2.中車浦鎮阿爾斯通運輸系統有限公司，安徽 蕪湖 241000）

跨坐式單軌車輛騎跨在一根用于支撐、穩定和導向的混凝土軌道梁上，其走行輪提供車輛支撐力，導向輪和穩定輪具有提高導向和抗傾覆的作用。相較于傳統輪軌接觸車輛，跨坐式單軌車輛有較大優勢，如曲線通過能力強、爬坡能力強、噪聲低、更安全可靠等［1］。

目前，我國投入運用的跨坐式單軌車輛主要有使用日立模式的單軌車輛和龐巴迪模式的單軌車輛，前者使用2 軸轉向架，后者使用單軸轉向架，2種轉向架均采取無搖枕模式。受到二系懸掛的約束，跨坐式單軌車輛的走行輪胎在曲線上產生側偏角，造成輪胎在曲線工況行駛時產生偏磨，嚴重時會影響走行輪胎的正常使用壽命，且走行輪嚴重的磨耗會造成自身的黏著能力下降，驅動系統更加耗能，制動系統更加遲緩，影響安全性與節能性［2-4］。

徑向轉向架能有效地減小走行輪胎通過曲線的側偏角。龐巴迪INNOVIA 300 型跨坐式單軌車輛使用輔助導向裝置，該裝置能夠減小轉向架通過曲線時的沖角，從而減小走行輪胎的側偏力和導向輪胎的徑向力［5-9］。但運行過程中，安裝輔助導向裝置的車輛在一定程度上抵消了Ⅱ系懸掛帶來的搖頭剛度，直接影響車輛運行的橫向平穩性。為研究輔助導向裝置對跨坐式單軌車輛橫向平穩性的影響，本文通過動力學仿真軟件UM 建立車輛動力學模型，對跨坐式單軌車輛橫向振動性能進行了仿真計算和分析。

1 輔助導向裝置

INNOVIA 300 型跨坐式單軌車輛單軸轉向架輔助導向裝置具體結構如圖1 所示。在牽引機構中，增加1 個具有預壓力的油氣彈簧，實現徑向功能。當車輛處于直線上，轉向架相對車體沒有轉角，油氣彈簧的預壓力作用方向與牽引桿垂直，油氣彈簧預壓力在左、右曲柄上產生的力矩大小相同、方向相反，這對作用合力矩為零，對左、右牽引桿不產生作用力，因此對轉向架不產生回轉力矩。當車輛處于曲線上，轉向架相對車體發生轉動時，牽引桿通過上曲柄帶動油氣彈簧運動，使油氣彈簧預壓力的作用方向發生改變，這時油氣彈簧的預壓力在左、右曲柄上產生的力矩發生變化，并通過左、右牽引桿對轉向架產生回轉力矩，迫使轉向架與車體之間的轉角增大，直到與二系懸掛產生的回轉力矩平衡。由于二系懸掛與輔助導向裝置的回轉力矩相互抵消，在導向輪徑向力的作用下，轉向架趨向徑向位置［5-6］。

圖1 輔助導向裝置Fig.1 Steering assist device

2 橫向振動加速度功率譜仿真分析

通過動力學仿真軟件UM 建立跨坐式單軌車輛的動力學仿真模型，如圖2所示。整車共有34個自由度，其中車體、構架各具有6 個自由度，走行輪、導向輪和穩定輪各有1 個旋轉自由度。輔助導向裝置各桿件端頭為橡膠節點鉸接，上曲柄、下曲柄和扭桿固定連接，油氣彈簧采用帶有預壓力的彈簧力元建模，初始設置預壓力為14 kN。

圖2 車輛動力學仿真模型Fig.2 Vehicle dynamics simulation model

軌道不平順是運行中軌道車輛產生振動響應的原因，作為車輛系統的輸入激擾，其直接影響車輛的運行平穩性和安全性。跨坐式單軌車輛騎跨的軌道梁為混凝土預制，因此使用ISO 8608路面標準路譜。經對比，仿真使用ISO 8608規定的A級道路譜，其得到的橫向平穩性指標與實測數據較接近，因此本文仿真中的軌道譜均采用ISO 8608規定的A 級道路譜。對車輛橫向振動加速度功率譜的分析可知，橫向平穩性指標變化的根源為探索輔助導向裝置對直線工況下車輛橫向運行平穩性的影響，因此研究車速和油氣彈簧預壓力對車輛橫向振動加速度功率譜的影響是有必要的，后文采用前轉向架和車體數據分析［10-11］。

2.1 不同車速對橫向振動加速度功率譜的影響

2.1.1 橫移加速度功率譜

在不同的運行速度下，前轉向架和車體的橫移加速度功率譜密度如圖3所示。由圖可知，在不同速度下，橫移加速度功率譜密度的形狀是相似的，總體呈先增加后降低的趨勢。速度與橫移加速度功率譜值總體呈正相關，速度越大，橫移加速度功率譜密度越大，即速度越大，橫移運動的振動幅值越大，能量越大。對于轉向架的橫移加速度功率譜，前3次依次出現的峰值，其對應頻率值隨速度的增加而變大。在高頻區間，隨著頻率的增大，車體和轉向架的功率譜密度總體呈減少的趨勢。

圖3 橫移加速度功率譜密度Fig.3 Lateral acceleration power spectral density

2.1.2 側滾加速度功率譜

前轉向架及車體在不同運行速度下的側滾加速度功率譜密度如圖4 所示。由圖4 可知，在不同速度下，側滾加速度功率譜密度的形狀相似，總體呈先增加后降低的趨勢。速度與側滾加速度功率譜值總體呈正相關，速度越大，側滾加速度功率譜密度越大，即速度越大，側滾運動的振動幅值越大，能量越大；在2~6 Hz區段，速度與轉向架側滾加速度功率譜密度譜值基本呈負相關，速度越大，其譜值越小。對于轉向架的側滾加速度功率譜，最大峰值對應的頻率值隨速度增加而變大。在高頻區間，隨著頻率的增大，車體和轉向架的功率譜密度總體呈減少的趨勢。

圖4 側滾加速度功率譜密度Fig.4 Roll acceleration power spectral density

2.1.3 搖頭加速度功率譜

前轉向架和車體在不同的運行速度下的搖頭加速度功率譜密度如圖5 所示。由圖5 可知，在不同的速度下，搖頭加速度功率譜密度的形狀是相似的，總體呈先增加后降低的趨勢。速度和搖頭加速度功率譜值總體呈正相關，速度越大，搖頭加速度功率譜密度越大，即速度越大，搖頭運動的振動幅值越大，能量越大。對于轉向架，搖頭加速度功率譜密度峰值對應的頻率值基本不隨速度的變化而變化；但對于車體，搖頭加速度功率譜密度出現峰值時對應的頻率值，隨速度變大而變大。

圖5 搖頭加速度功率譜密度Fig.5 Yaw acceleration power spectral density

2.2 不同預壓力對橫向振動加速度功率譜密度的影響

前轉向架和車體在輔助導向裝置使用不同預壓力情況下的加速度功率譜密度如圖6~圖8 所示。由圖6~圖8 可知，對于車體的功率譜密度，預壓力的影響較小，對于搖頭自由度，預壓力的影響較大，預壓力越大，搖頭加速度功率譜的幅值越大。對于轉向架，預壓力的影響較大，預壓力越大，功率譜密度幅值越大，功率譜密度峰值對應的頻率值不隨預壓力的變化而變化。

圖6 橫移加速度功率譜密度Fig.6 Lateral acceleration power spectral density

圖7 側滾加速度功率譜密度Fig.7 Roll acceleration power spectral density

圖8 搖頭加速度功率譜密度Fig.8 Yaw acceleration power spectral density

3 橫向平穩性指標仿真分析

不同車速、不同預壓力下，車體按照GB 5599標準的Sperling橫向平穩性指標的變化情況如圖9所示。橫向平穩性指標均小于GB 5599 規定的2.5，達到了優秀等級。平穩性指標都隨著速度增加而變大，并且預壓力對平穩性指標的影響都遠小于速度的影響。輔助導向裝置的預壓力對車體的橫向平穩性產生不利影響，但影響較小，預壓力越大，車體橫向平穩性指標越大，預壓力對橫向平穩性的影響范圍較穩定。速度為30 km/h時，預壓力對橫向平穩性影響范圍約0.09，當速度達到70 km/h時，影響范圍約為0.08。

圖9 車體橫向平穩性指標Fig.9 Lateral ride comfort index of vehicle

4 結論

本文基于動力學仿真軟件UM 建立跨坐式單軌車輛動力學模型，對車輛施加ISO 8608 規定的A級道路譜，分析不同速度、油氣彈簧不同預壓力下，車體和轉向架的橫向振動加速度功率譜與平穩性指標，得到以下結論。

（1） 車體和轉向架橫向振動加速度功率譜譜值與速度總體呈正相關，速度越大，幅值越大。其中，在2~6 Hz區段，速度與前后轉向架側滾加速度功率譜譜值基本呈負相關。在高頻區間，隨著頻率的增大，功率譜總體呈減小趨勢。

（2） 對于轉向架的橫移加速度功率譜、側滾加速度功率譜，峰值對應的頻率值隨速度增加而變大，搖頭加速度功率譜峰值對應的頻率值基本不隨速度變化而變化；對于車體的搖頭加速度功率譜，第1次出現峰值對應的頻率值隨速度的增加而變大。

（3） 預壓力對車體的功率譜密度影響較小，對搖頭自由度的影響較大，預壓力越大，搖頭加速度功率譜譜值越大。與車體相比，預壓力對轉向架加速度功率譜的影響較大，預壓力越大，功率譜譜值越大。功率譜峰值對應的頻率值不隨預壓力的變化而變化。

（4） 橫向平穩性指標隨速度的增加而增加，輔助導向裝置預壓力的影響相對于速度的影響很小，預壓力對車體的橫向平穩性產生不利影響，但影響較小，最大影響范圍為0.09，且影響范圍較穩定。