懸掛式單軌車輛懸掛參數優化研究

王孔明，魏德豪，徐銀光，范 琪，孫付春

(1.中國中鐵二院工程集團有限公司，四川 成都 610031； 2.成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106)

懸掛式單軌車輛懸掛參數優化研究

王孔明1，魏德豪1，徐銀光1，范 琪1，孫付春2

(1.中國中鐵二院工程集團有限公司，四川 成都 610031； 2.成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106)

以陜西韓城懸掛式單軌交通一號線車輛為研究對象，分析了懸掛式單軌車輛的結構特點及走行原理，并基于多體動力學理論，利用計算機仿真軟件建立了具有66自由度的懸掛式單軌車輛動力學模型.為了體現橡膠走行輪的非線性特征，走行輪采用了Pacejka模型.結合懸掛式單軌車輛與傳統鐵道車輛的區別，通過仿真計算，對車輛的懸掛參數進行了優化，并提出了懸掛參數的取值建議，為國內懸掛式單軌交通的車輛選型及工程建設提供了重要的參考依據.

懸掛式單軌；動力學模型；懸掛參數；優化

0 引 言

懸掛式單軌，是一種歷史悠久的城市軌道交通系統，并因其具有造價低、占地面積小及對城市景觀影響較小等優點，現已在全球多個國家與地區投入運營，尤其是在德國和日本[1-2].雖然目前國內已有不少城市開始規劃本地的懸掛式單軌交通系統，但仍處于起步階段，缺乏實際工程應用經驗以及標準規范，相關研究也較少.對此，本研究以陜西韓城懸掛式單軌交通一號線項目車輛為研究對象，對懸掛式單軌車輛的結構和拓撲構型進行分析并建立SIMPACK動力學仿真模型，參照相關標準的規定[3]并與懸掛式單軌車輛的特點相結合，對車輛的懸掛參數進行了優化，擬為韓城懸掛式單軌交通系統項目的車輛選型和線路設置提供重要的參考依據.

1 項目概況

1.1 線路概況

韓城懸掛式單軌交通一號線位于陜西韓城市境內，起于龍亭機場，止于西韓城際站，線路全長約27.9 km，其中一期工程為龍亭機場至古城游客中心，線路長度約16.2 km.該工程正線全線共設置20處水平曲線，曲線半徑大小不等，其中最小曲線半徑為200 m，最大曲線半徑為800 m；車輛基地內曲線半徑為50 m，出入段線左線曲線半徑為50 m，右線曲線半徑為60 m.

1.2 車輛概況

韓城懸掛式單軌交通系統采用對稱膠輪型的接觸軌牽引供電式車輛.根據客流預測及行車組織安排，列車采用Mc1+M0+Mc2的3節固定編組形式，車體寬度為2.4 m，列車全長33.45 m，最大軸重為5.5 t.列車的最高運行速度為70 km/h.

2 研究方法與車輛動力學模型

2.1 研究方法

懸掛式單軌車輛的結構和原理與傳統鋼輪鋼軌車輛有相似之處，但其輪軌關系又明顯不同，與汽車更為接近.本研究通過分析韓城懸掛式單軌車輛系統結構及走行原理，利用SIMPACK軟件進行動力學仿真計算，再結合車輛動力學評價指標對其部分動力學參數進行優化.

2.2 車輛結構

2.2.1 車輛系統結構.

懸掛式單軌車輛系統主要由軌道梁、走行部及車體組成.車輛運行時，走行部上部在箱型軌道梁內運行，走行輪與軌道梁走行面接觸，起到承載車輛系統垂向力和傳遞牽引制動力的作用.導向輪和軌道梁導向面接觸，起到導向的作用.走行部下部與車體頂部相連接.車輛結構示意圖如圖1所示.

2.2.2 走行部結構.

懸掛式單軌車輛走行部主要包括構架、搖枕、空氣彈簧、齒輪箱、牽引電機、一系橡膠、走行輪及導向輪等.在走行部中，構架是其他部件的安裝基礎，齒輪箱的兩端分別通過彈性節點和一系橡膠與構架相連.走行輪和導向輪均為實心橡膠輪胎，走行輪安裝于齒輪箱兩側.導向輪共4組，每組2個.構架下端通過一個鉸與搖枕相連，兩者之間還裝有斜置減振器.車體通過空氣彈簧吊掛于搖枕上，其間還裝有橫向減振器、垂向減振器和牽引拉桿.

圖1車輛結構示意圖

2.3 車輛動力學仿真模型

2.3.1 車輛仿真參數.

韓城懸掛式單軌一號線車輛動力學仿真主要參數如表1所示.

表1 車輛主要參數

2.3.2 車輛仿真模型.

根據車輛結構及相關動力學參數，本研究利用多體動力學軟件SIMPACK建立了韓城懸掛式單軌車輛的動力學模型，如圖2所示.

圖2車輛動力學模型

由于懸掛式單軌車輛結構復雜、零部件眾多，為了提高計算效率，根據研究目的對車輛模型進行簡化，具體為：將車體、構架、搖枕等結構件視作剛體；空氣彈簧、減振器等看作是線彈性元件.但是考慮到懸掛式單軌車輛獨特的輪軌關系，為了考慮實心橡膠輪胎的側偏和滑轉特性，走行輪采用Pacejka模型計算.由于SIMPACK軟件固有的局限，無法建立非垂向輪胎力元，導向輪只能通過構架和導向軌之間的單邊接觸力來近似模擬.

懸掛式單軌車輛動力學關系拓撲構型如圖3所示.

圖3車輛拓撲構型示意圖

在圖3所示車輛拓撲構型圖中，車體、構架、車軸、搖枕分別有6個自由度，走行輪、齒輪箱只有1個轉動自由度，單節車輛共66個自由度.

3 車輛懸掛參數優化

影響車輛動力學性能的諸多參數可以分為2類：一類是難以改變的，如車輛的質量、結構尺寸等；另一類是可以在較大范圍內加以選擇的，如懸掛參數系統的剛度和阻尼等.車輛動力學性能的改進可以通過優選參數來實現[4].

由于懸掛式單軌車輛的轉向架位于截面為箱型的軌道梁內部，車體位于轉向架下方，運行時不會發生傾覆和脫軌.因此，懸掛參數優化主要目的在于提高車輛的運行品質與曲線通過性能[5].類比傳統鐵道車輛，選擇對車輛動力學性能有較強影響的參數，并針對懸掛式單軌車輛的懸掛參數進行優化.表2所示為本研究分析并優化的車輛懸掛參數及其初始數值.

表2 懸掛參數初始值

3.1 二系懸掛參數優化

3.1.1 軌道不平順激勵.

由于懸掛式單軌車輛走行原理與傳統鋼輪鋼軌車輛不同，而針對其線路的研究資料還很少，目前主要還是借鑒跨坐式單軌車輛的相關研究結果.其中，周君鋒[6]曾在多種軌道譜下，仿真分析了重慶市跨坐式單軌車輛的運行平穩性，發現美國軌道交通系統6級譜最為接近實測值.故本研究也選擇美國軌道交通系統6級譜作為軌道不平順激勵.

3.1.2 空氣彈簧參數優化.

懸掛式單軌車輛每個轉向架左右側各設有一個空氣彈簧，空氣彈簧下端安裝在搖枕上，上端與車頂吊掛梁連接.

圖4(a)和4(b)所示分別為車輛在AW0和AW3工況下以80 km/h的設計最高速度運行時，空氣彈簧垂向和橫向剛度變化對懸掛式單軌車輛平穩性的影響.空氣彈簧剛度變化范圍為0.05～0.25 MN/m.

圖4空氣彈簧剛度對平穩性的影響

從圖4可以看出，車輛的垂向和橫向平穩性指標都隨著空氣彈簧對應剛度的增大而逐漸增大，說明隨著剛度的增大，車輛的平穩性變差.其中垂向平穩性指標的增幅較大，而橫向平穩性增幅較小，但最大值均小于2.5，處于文獻[3]相關規定中優秀的等級范圍內.

雖然空氣彈簧剛度越小，車輛的運行平穩性越好，但是為避免過小的剛度導致運行過程中發生碰撞止擋，空氣彈簧的垂向和橫向剛度選為0.1 MN/m.

3.1.3 二系減振器參數優化.

圖5(a)和5(b)所示分別為二系垂向減振器和橫向減振器阻尼大小對車輛運行平穩性的影響，此時空簧參數已為優化后的參數.圖5中阻尼的變化范圍是0～20 kN·s/m，車輛運行速度為80 km/h.

圖5二系減振器阻尼對平穩性的影響

從圖5(a)可以看出，隨著垂向減振器阻尼的增大，車輛前端垂向平穩性指標先減小后增大，而后端垂向平穩性指標則一直增大.為達到整體的最優值，選擇二系垂向減振器阻尼值為5 kN·s/m.從圖5(b)可以看出，除了AW0工況車輛后端橫向平穩性隨著橫向阻尼的增大而變差以外，其余指標均在阻尼為5 kN·s/m時取得最優值.綜合考慮，選取5 kN·s/m為二系橫向減振器的阻尼值.

3.2 斜置減振器阻尼優化

與傳統軌道車輛相比，懸掛式單軌車輛的特點之一就是車體位于轉向架下方，通過搖枕與轉向架構架相連.搖枕與構架之間通過轉動關節鉸接，左右側各有一個斜置減振器，主要起到抑制搖枕與構架之間相對擺動的作用，故對車輛的曲線通過性能有一定影響.

3.2.1 曲線工況設置.

車輛通過曲線時，由于離心加速度的作用，轉向架曲線外側的導向輪與軌道梁的導向軌相互擠壓，車輛的向心力全部由軌道梁提供.考慮到軌道梁的強度，需按式(1)控制車輛通過曲線時的最高速度，

(1)

式中，V為車輛通過曲線時的最高速度，km/h；R為曲線半徑，m.

私人信件當然比作家的公開出版物更少“作家氣”了。 羅扎諾夫提到自己保留了一大箱舊信件，常常讀得津津有味：

仿真計算中，曲線半徑選擇實際線路設計中的曲線半徑值，相應的緩和曲線長度也取實際線路設計值.同時，韓城懸掛式單軌交通系統線路全線不設置曲線超高.據此可得曲線工況設置如表3所示.其中，50 m和60 m半徑曲線為出入段線曲線，其余為正線曲線.由于曲線半徑達到280 m時，限速達到最高運行速度70 km/h，所以300 m和400 m半徑曲線的通過限速為70 km/h.

表3 曲線通過工況設置

仿真計算中，不設置軌道不平順激勵，工況為AW3.

3.2.2 斜置減振器阻尼優化.

車輛通過曲線時，由于受到離心力的作用，車體向外傾擺，轉向架會壓緊軌道梁外側導向面，走行輪也會出現一側增載另一側減載的現象.受橡膠材料強度和轉向架結構強度限制，導向輪組允許最大載荷為36 kN/對，走行輪允許最大垂向力為96 kN/輪.

導向輪組提供導向力最大值隨斜置減振器阻尼變化的情況如圖6(a)所示.從圖6(a)可以看出，導向力最大值約為8.6 kN，遠小于36 kN限值.在正線曲線上，導向輪組導向力最大值呈隨減振器阻尼增大而減小的趨勢.圖6(b)為車輛通過R200m曲線時前轉向架前端曲線外側導向輪組的導向力變化曲線.從圖6(b)中可以看出，斜置減振器阻尼為0時，導向力波動不能衰減，阻尼在100～500 kN·s/m范圍內時，導向力曲線則幾乎重合.

圖6 導向輪組導向力

走行輪垂向力最大值隨減振器阻尼的變化如圖7(a)所示.從圖7(a)中可以看出，走行輪垂向力最大值遠小于96 kN的限值，且在阻尼為100～200 kN·s/m時較小.圖7(b)所示為車輛通過R200m曲線時前轉向架前端內側走行輪垂向力的變化曲線.從圖7(b)可以看出，在通過曲線時，曲線內側輪增載.若減振器阻尼過大，則在進入緩和曲線時走行輪垂向力的波動會較大.

圖7走行輪垂向力

車體側滾角最大值隨減振器阻尼變化情況及車輛通過R200m曲線時車體側滾角的變化情況分別如圖8(a)和8(b)所示.從圖8可以看出，隨著阻尼的增大，側滾角最大值減小，最大值約為11 °.隨著阻尼的增大，車體的擺動衰減變快，能更快地恢復穩定.

圖8車體側滾角

綜和考慮曲線段上斜置減振器對導向力、走行輪垂向力最大值及車體擺動衰減的影響，斜置減振器阻尼選為200 kN·s/m.

4 結 論

針對懸掛式單軌交通系統車輛獨特的結構和走行原理，本研究結合文獻[3]相關規定對陜西韓城懸掛式單軌車輛的動力學性能進行了分析，并對車輛的懸掛參數進行了優化，得出以下結論：

1)隨著空氣彈簧垂向和橫向剛度的增大，車輛的垂向和橫向平穩性變差，考慮到剛度過小時可能發生碰撞止擋，建議空氣彈簧垂向和橫向剛度都選為0.1 MN/m，此時車輛的平穩性處于優秀等級.

2)二系減振器的阻尼對車輛平穩性指標有明顯的影響，為使車輛整體的平穩性最優化，建議二系垂向和橫向減振器阻尼取值為5 kN·s/m.

3)懸掛式單軌車輛在搖枕和構架之間裝有2個斜置減振器，這是其特有的結構，主要起到抑制車體擺動的作用.在曲線路段上，當斜置減振器阻尼為200 kN·s/m時，能夠在有效衰減車體擺動的同時，減小走行輪和導向輪的增載.

4)車輛通過曲線時，曲線外側導向輪提供車輛的導向力，而曲線內側走行輪增載，導向輪和走行輪受力均未超出限值.

5)車輛通過曲線時，車體側滾角度較大，這樣可能會引起乘客的不適.本研究建議通過限制曲線通過速度并適當加長緩和曲線長度來減小車體的側滾，也可以在搖枕的兩側加裝止擋，限制搖枕的最大傾擺角度，進而限制車體的最大側滾角.

[1]李芾,許文超,安琪.懸掛式單軌車的發展及其現狀[J].機車電傳動,2014,55(4):16-20,76.

[2]李定南.國內外懸掛式單軌列車的發展與展望[J].國外鐵道車輛,2017,54(3):1-4,45.

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范：GB 5599-1985[S].北京：中國標準出版社，1985.

[4]王福天.車輛系統動力學[M].北京:中國鐵道出版社,1994.

[5]李天一.具有一系懸掛的懸掛式單軌車輛懸掛參數分析及優化[D].成都：西南交通大學,2015.

[6]周君鋒.重慶跨坐式單軌列車運行平穩性研究[D].北京：北京交通大學,2007.

SuspensionParametersOptimizationofSuspendedMonorailVehicle

WANGKongming1,WEIDehao1,XUYinguang1,FANQi1,SUNFuchun2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China; 2.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

The paper selects the suspended monorail in Hancheng as the research object,and then the structural features and running principle of the vehicle are analyzed.Based on multi-body dynamics theory,a 66-DOF dynamics model of suspended monorail is built by computer simulation software.In order to show the nonlinear characteristics of rubber traveling wheels,Pacejka wheel model is adopted.Considering the differences between suspended monorail and conventional railway vehicle,suspension parameters of the vehicle are optimized by simulation analysis.Meanwhile,the recommended values of suspension parameters are proposed.This paper provides important references for domestic suspended monorail vehicle type selection and engineering construction.

suspended monorail;dynamics model;suspension parameters;optimization

U270.1+1

A

1004-5422(2017)04-0402-05

2017-10-26.

四川省科技廳科技計劃(2016GZ0337)、 成都市科技計劃(2016-HM01-00352-SF)資助項目.

王孔明(1981 — )，男，碩士，高級工程師，從事軌道交通相關工程設計與技術研究.