空气弹簧对悬挂式单轨车动力学性能影响分析

李天一，王伯铭，张德乾，曹 恺

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

空气弹簧对悬挂式单轨车动力学性能影响分析

李天一，王伯铭，张德乾，曹 恺

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

根据悬挂式单轨车辆结构特点，使用SIMPACK多体动力学分析软件建立悬挂式单轨车辆多体动力学模型，分析空气弹簧参数对该车辆动力学性能的影响。重点分析空气弹簧垂向刚度、横向刚度、垂向阻尼对悬挂式车辆运行平稳性以及车辆通过曲线时空气弹簧载荷、车辆侧滚角的影响。

空气弹簧参数；悬挂式单轨车辆；动力学性能

0 引言

悬挂式单轨是一种中等运量的城市轨道交通系统[1]。该交通系统的轨道梁是长条状的箱型梁，通过立柱悬挂在半空中。箱型梁内部包括车辆运行需要的供电、控制、走行轨和导向轨等系统。车辆的走行部位于轨道梁内部，车体通过悬挂装置吊在走行部下方。其中车辆走行部的走行轮和导向轮均采用充满惰性气体的橡胶轮胎，驱动部分含有差速机构，所以这种形式的交通系统具有建设速度快、成本低廉、运行噪声低、爬坡能力强和曲线半径小等一系列优点[2]。空气弹簧是悬挂式单轨车辆的重要部件，对缓和冲击、提高悬挂式单轨车辆舒适性以及车辆曲线通过性能有着重要的作用。本文重点对空气弹簧对悬挂式单轨车动力学性能影响进行分析。

1 悬挂式单轨车辆动力学模型

悬挂式单轨车辆的走行部主要包括构架、枕梁、空气弹簧、齿轮箱、牵引电机、走行轮、导向轮、悬吊杆等，各部分在走行部中的位置详见图1。在走行部中，构架是安装其他部件的基础，走行轮和空气弹簧在整个系统中起着重要的减振作用。

图1 悬挂式单轨车辆走行部结构图

根据悬挂式单轨车辆组成部分的特点以及各部之间的连接关系，进行简化处理，将导向轮、构架、走行轮、悬吊杆、中心销和枕梁等作为重点内容，并根据不同部分间相互作用关系进行动力学建模。本文在SIMPACK动力学分析软件中建立悬挂式单轨车辆动力学模型，如图2所示。

图2 SIMPACK软件中建立的悬挂式单轨车辆模型

该模型为单节编组，包括一个车体、前后各一个转向架以及连接车体和转向架的悬挂系统。转向架构架和走行轨(Isys)之间具有6个自由度，走行轮和构架之间具有绕y轴旋转(β)的自由度。枕梁和中心销之间有0个自由度。中心销和构架之间具有4个自由度，即沿y轴与z轴移动、绕x轴转动(α)、绕z轴转动(γ)。悬吊杆和中心销具有绕x轴旋转(α)自由度，车体与悬吊杆之间通过约束(限制x、y、z)连接在一起。车体和走行轨之间具有6个自由度。空气弹簧、横向拉杆、减振器和止挡等均用力元模拟。该模型的动力学拓扑关系如图3所示。图3中虚线框内部为车辆的二系悬挂组成，由上到下依次为枕梁、中心销和悬吊杆。

2 空气弹簧参数对车辆平稳性的影响

空气弹簧是车辆悬挂系统中的关键部件之一，具有衰减振动、缓和冲击等作用，对悬挂式单轨车辆动力学性能影响显著[3]。本文建立的动力学模型中每个转向架中心左、右侧各设有一个空气弹簧，空气弹簧下端安装在构架上，上端与枕梁连接，枕梁通过中心销、悬吊杆等连接到车体。

图3 悬挂式单轨车辆仿真模型拓扑结构图

2.1 平稳性指标计算方法

判断乘客乘坐车辆舒适程度的关键技术指标就是车辆运行的平稳性指标，它可以表现出车辆运行中产生的振动对人的影响。参照GB5599-85，平稳性计算公式如下：

W=7.08×[A3F(f)/f]0.1.

(1)

其中：W为车辆运行平稳性指标；f为振动的频率，Hz；F(f)为频率值的修正系数；A为测量点的振动加速度，g。其中频率修正系数的选择参照GB5599-85的规定。

2.2 列车平稳性观测点的选择

按照GB5599-85的要求，在评测车辆平稳性指标时，测点选取转向架正上方距离中心一侧1 m的车辆地板面上[4]。由于悬挂式单轨车辆车体位于转向架正下方，按照标准选择加速度测量点为图4中所示B点和E点。为更加全面地评测车辆运行时的平稳性，在结合悬挂式单轨车辆座椅等空间布置的前提下，增加驾驶室司机位置A点、车体中心点C、偏离车体中心点C1 m的D点以及距离转向架最远(距离1.5 m)的乘客位置F点。

图4 平稳性测量点

当前国内没有实际运营的悬挂式单轨车辆，此处借鉴国外的实际运营情况将车辆的运营速度定为80 km/h。选择美国6级谱作为轨道不平顺的输入激励[5]。平稳性测量结果如图5所示。

图5 不同测量点的平稳性

分析图5可以得出，垂向平稳性Wzz最大值出现在测量点A，为1.84，横向平稳性Wzy最大值出现在测量点F，为1.39，符合国标中一级平稳性的规定；并且，垂向和横向最差的点并不重合，为了后续分析结果更加合理可靠，后续分析中分别测量A点和F点的平稳性表现。

2.3 空气弹簧对车辆直线运行平稳性的影响

本文研究的空气弹簧参数包括垂向阻尼、横向与垂向刚度。在模拟运行的过程中，车辆的运营速度为80 km/h，直线段的距离为0.3 km，在左、右轨道分别施加不平顺激励。

2.3.1 空气弹簧垂向刚度对车辆平稳性的影响。

图6为空气弹簧垂向刚度在0.05 MN/m～0.7 MN/m的区间变化时，车辆A点与F点的垂向平稳性与横向平稳性的变化曲线。从图6中可以看出，悬挂式单轨车辆的垂向平稳性由1.62增大至2.15，变化幅值为0.53；横向平稳性由1.28增大至1.62，变化幅值为0.34。这两个指标的最大值均未超过一级平稳性的要求。通过对比变化幅值，可以看出垂向刚度对车辆的垂向平稳性影响更加明显。

图6 空气弹簧垂向刚度对车辆平稳性的影响

2.3.2 空气弹簧横向刚度对车辆平稳性的影响

图7为空气弹簧横向刚度在0.05 MN/m～0.3 MN/m的区间变化时，车辆A点与F点的垂向平稳性与横向平稳性的变化曲线。其中，垂向平稳性的变化幅值为0.01，横向平稳性的变化幅值为0.3，并且两个指标的最大值均符合国标中一级平稳性的要求。通过对比两个指标的变化幅值可以看出，横向刚度几乎对垂向平稳性没有影响，对横向平稳性影响很显著。

图7 空气弹簧横向刚度对车辆平稳性的影响

2.3.3 空气弹簧阻尼对车辆平稳性的影响

图8为空气弹簧阻尼在5 000 N·s/m～60 000 N·s/m的区间变化时，车辆A点与F点的垂向平稳性与横向平稳性的变化曲线。从图8(a)中可以看出：垂向平稳性最小值为1.85，最大值为2.05，变化的幅值为0.2；A点与F点的垂向平稳性指标均出现了先降低后增加的趋势，指标的最小值出现在阻尼为22 500 N·s/m左右，在该阻尼下，车辆具有最佳的平稳性。分析图8(b)可以看出，横向平稳性最小值为1.25，最大值为1.58，变化幅值为0.33。两个指标的最大值均符合国标一级平稳性的要求。

图8 空气弹簧阻尼对车辆平稳性的影响

3 空气弹簧对车辆曲线通过性能的影响

3.1 曲线设置

当前国内没有实际运营的悬挂式单轨车辆，此处借鉴国外相关线路的情况，选择较小的曲线半径(R=50 m)进行分析。在参照传统铁路和相关地铁设计规范的基础上，对曲线通过工况设置如下：直线段100 m，缓和曲线段60 m，圆曲线段100 m，缓和曲线段60 m，直线段100 m，共计420 m。线路超高为外轨抬高7%。车辆的通过速度为35 km/h。

3.2 刚度对空气弹簧载荷变化的影响

图9为悬挂式单轨车辆通过曲线时，空气弹簧刚度变化(0.1 MN/m～0.7 MN/m)对空气弹簧载荷的影响。由图9可以看出车辆通过曲线时，两侧空气弹簧载荷呈现出相反的变化趋势，即一侧增载，一侧减载。当刚度在0.1 MN/m～0.7 MN/m间变化时，随空气弹簧刚度的逐渐增大，左侧空气弹簧载荷的最大值逐渐增大，右侧空气弹簧载荷的最小值逐渐减小。当刚度取值为0.7 MN/m时，左、右侧空气弹簧载荷变化最大，增载率和减载率分别为10.7%与8.9%。

3.3 刚度对车辆侧滚角的影响

图10为车辆通过曲线时，空气弹簧刚度变化(0.1 MN/m～0.7 MN/m)对车体侧滚角的影响。车辆在直线行驶时，车辆不会发生侧滚，进入曲线后，侧滚角逐渐增大，在圆圈线段，侧滚角达到最大值，然后逐渐减小并趋于零。随着空气弹簧刚度增加，最大侧滚角

逐渐减小。在空气弹簧刚度变化范围(0.1 MN/m～0.7 MN/m)内，侧滚角最大值为0.05 rad，约为2.9°。由此可以看出空气弹簧对车辆侧滚的影响并不显著。

图9 不同刚度的空气弹簧载荷变化曲线

图10 空气弹簧刚度对车体侧滚角β的影响

4 结语

(1) 悬挂式单轨车辆的平稳性受空气弹簧参数的影响显著，对车辆垂向平稳性影响最大的是空气弹簧的垂向刚度和阻尼，对车辆横向平稳性影响最显著的是空气弹簧的横向刚度。在仿真参数变化范围内，悬挂式单轨车辆的平稳性均符合GB5599-85的一级要求，具有良好的动力学性能。

(2) 车辆通过曲线时，构架两侧空气弹簧一侧载荷增大，一侧载荷减小；载荷变化的幅值随空气弹簧的刚度的增大而增大。

(3) 车辆在曲线上的最大侧滚角随空气弹簧刚度增加逐渐减小；车辆的侧滚角最大值较小，空气弹簧刚度对车辆的侧滚角影响不显著。

[1] 许文超.悬挂式单轨车动力学性能研究[D].成都：西南交通大学，2014:1-2.

[2] 胡晓玲.悬挂式单轨车辆曲线通过性能研究[D].成都：西南交通大学，2013:2-3.

[3] 王伯铭.高速动车组总体及转向架[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[4] 铁道部标准计量所.GB/T5599-85铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范[S].北京：中国标准出版社，1986:1-32.

[5] 郑凯飞，沈刚.基于SIMPACK的四轴电力机车运行平稳性分析[J].城市轨道交通研究，2012(1)：80-82.

Influence of Air Spring on Dynamic Performance of Suspended Monorail Vehicle

LI Tian-yi, WANG Bo-ming, ZHANG De-qian, CAO Kai

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the influence of air spring parameters on the dynamic performance of suspended monorail vehicle，a model of suspended monorail vehicle was built in the SIMPACK dynamic software on the basis of vehicle structural characteristics. The study focused on the influences of the vertical stiffness, lateral stiffness and vertical damping of air spring on the riding stability, the air spring load and vehicle roll angle on curve passing.

air spring parameters; suspended monorail vehicle; dynamic performance

1672- 6413(2015)06- 0051- 03

2015- 01- 16；

2015- 07- 16

李天一(1989-)，男，山东潍坊人，在读硕士研究生，研究方向：车辆系统动力学。

TP391.7

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