悬挂式单轨交通限界计算研究及方法分析

刘文龙，徐延海，2，吴 晓，王 建，王春波

（1 西华大学汽车与交通学院，四川成都610039；2 汽车测控与安全四川省重点实验室，四川成都610039；3 中国中铁二院工程集团有限公司，四川成都610031）

悬挂式单轨交通限界计算研究及方法分析

刘文龙1，徐延海1，2，吴 晓3，王 建3，王春波3

（1 西华大学汽车与交通学院，四川成都610039；2 汽车测控与安全四川省重点实验室，四川成都610039；3 中国中铁二院工程集团有限公司，四川成都610031）

针对城市轨道交通中悬挂式单轨交通车辆特殊的结构特点和运行方式，对该制式交通限界的计算方法进行了研究分析。首先，较系统的分析了悬挂式单轨车辆的结构和特点，在此基础上通过利用（CJJ96－2003）《地铁限界标准》对该制式交通限界进行公式计算；然后，结合动力学建模仿真的方法对悬挂式单轨交通系统限界的计算进行动态轮廓的研究；最后，针对两种计算方法得到的限界计算结果进行对比分析。结果表明，得出了利用动力学方法在悬挂式单轨交通系统限界研究中的作用特性和限界计算的研究方法，为悬挂式单轨交通工程限界研究提供参考依据。

悬挂式单轨车辆；限界；计算方法；仿真分析

单轨交通系统作为一种新型的城市轨道交通方式，以其本身具有的快捷、安全、经济与环保等较高的适应性特点受到越来越多的关注。悬挂式单轨交通以其成本低、工期短、占地面积小、空间适应性强的特点逐渐成为目前及未来阶段城市轨道交通的研究热点。其在国外轨道交通行业应用较为广泛，尤其是德国与日本。而目前国内已经或正在规划本地的空轨系统，即悬挂单轨交通系统［1］，但由于空轨系统在国内尚无实际工程应用，同时它与传统的轮轨车辆在运行方式上有明显的差别，使得该系统限界研究无法直接使用现有地铁限界标准和限界设计规定进行计算 ，文献［2］中提供的车辆限界计算方法可以很好的给出四轴轨道车辆动态轮廓线，但因无法全面地考虑到一系、二系的变形量，使得它不一定适合用于弹性元件较多的悬挂式单轨交通系统；文献［3］虽然提供了限界计算方法，但是由于缺少详细的计算参数和其设计是为了满足了欧洲新旧线路联运的情况下，使用了部分工程经验参数，使得该方法不能较好的应用在新型悬挂式轨道交通系统中；文献［4］中验证了动力学分析软件Simpack在地铁车辆限界分析中结果的可靠性，但是由于新型悬挂式单轨交通系统特殊的的轮胎模型，使得该软件不能结合橡胶轮胎特性得出限界计算的结果。随着国内悬挂式单轨交通系统研究进一步向工程化方向发展，迫切需要对悬挂式单轨交通系统限界进行研究。

基于这些原因，利用虚拟仿真平台进行某型悬挂式单轨车辆的直线段车辆限界和设备限界的仿真研究，旨在给出悬挂式单轨交通系统中采用CJJ96－2003《地铁限界标准》计算方法及动力学算法的研究方式，为悬挂式单轨交通工程限界设定的实际应用提供了参考依据。

1 悬挂式单轨车辆的限界特点

1.1 悬挂式单轨车辆

图1给出了一种典型的悬挂式单轨交通系统，主要是由线路和车辆组成。该制式交通系统的转向架结构是其最重要的走行系统，如图2所示。

1.2 悬挂式单轨交通系统限界的特点

悬挂式单轨交通的限界问题与一般的轨道交通相比有很大的特点，主要表现在以下3点：

图1 悬挂式单轨交通线路及车辆

图2 悬挂式单轨车辆走行系统

（1）在车辆运行过程中，车体通过悬吊装置悬挂在轨道梁的下部，这就使车体在遇到侧风或者转弯的情况下存在“钟摆”效应，如图3所示。

图3 “钟摆”效应图

（2）箱型轨道梁不但承载转向架走行、梁内还可能布置有信号、通信、供电和回流等设备设施，断面尺寸较小空间极为有限，内部构件多关系复杂。

（3）道岔梁对列车通过速度及运能、安全性、平稳性、舒适度影响较大，涉及轨道、桥梁、车辆、动力机械、信号等多个专业，系统复杂。

2 悬挂式单轨车辆参数及轮廓线确定

2.1 悬挂式单轨车辆基本参数

根据科研项目提供的结构参数及项目中对悬挂式单轨交通系统功能定位及车辆方案研究报告，确定了适用于国内的悬挂单轨交通系统车辆结构及参数，其中车辆主要参数见表1，车辆及转向架结构如图4所示。

图4 悬挂式单轨车辆结构简图

表1 车辆主要技术参数

2.2 车体轮廓线的确定

为了比较清楚的了解车体限界计算结果相对于车体的位置的变化，需要通过轮廓线标定点的方法对车体位置进行确定，在确定轮廓线控制点时需要考虑以下两点：

（1）车体上存在最大偏移量的位置考虑为关键轮廓点之一；

（2）车体上的轮廓控制点的选择需要满足简单、真实描述车体外形的原则。

基于以上车辆控制点的确定原则，且考虑车体“钟摆”效应主要在车体部位对限界取值有较大的影响，所以本次主要针对悬挂式单轨车辆车体的限界计算进行研究，其车体轮廓线如图5所示。

图5 悬挂单轨交通车辆车体轮廓线

3 基于CJJ96－2003标准限界的计算

车辆系统中限界计算的偏移量计算应综合考虑了车体、转向架和轨道各自受到的随机变量和非随机变量以及三者之间存在相互影响的变量因素，限于篇幅有限本文仅给出车体部分车辆限界和直线段设备限界的计算公式，如式（1）～式（5）。式中计算符号含义同标准CJJ96－2003中的规定。

3.1 车辆限界的计算

（1）横向偏移量计算公式

（2）竖向向上偏移量计算公式

（3）竖向向下偏移量计算公式

3.2 直线段设备限界的计算

（1）横向偏移量计算公式如下

（2）竖向向上偏移量计算

（3）竖向向下偏移量计算

3.3 计算结果

由上述偏移量公式进一步计算可以得出基于CJJ96－2003悬挂单轨交通系统直线段的车辆限界和设备限界，图6为悬挂式单轨交通车辆车体部分的直线段车辆限界和设备限界的计算结果。

4 动力学计算方法

4.1 动力学仿真模型

在建立悬挂式单轨车辆动力学模型时，首先选择一个参考坐标系 。以绝对坐标系中心点为坐标系原点O，以XOZ平面内X轴负方向为车辆走行方向，如图4所示。以此参考坐标系进行转向架构架其他组成仿真建模。由于转向架构架结构的复杂性，而ADAMS软件中几何建模工具要实现完全建立跟实际外形一样的模型是不现实的。因此，对转向架模型利用外部CAD软件建立对应的三维模型，然后，通过ADAMS软件与外部CAD软件的接口功能导入三维模型，并在该模型上加上软件自带的UA轮胎模型代替单轨车辆的走行轮和导向轮的橡胶轮胎［8］，建立悬挂式单轨车辆动力学仿真模型及构件关系图如图7所示，转向架模型及各部件关系图如图8所示。本文建模时做了如下假设和主要结构简化替代：

图6 地铁限界标准计算的车体部分限界图

图7 车辆构件关系图及动力学仿真模型

（1）假设车体、转向架为刚体，不考虑弹性变形，且两者关于自身的质心前后、左右对称。

（2）假设悬挂系统结构及其参数左右、前后对称，弹簧特性为线性，阻尼按黏性阻尼计算。

（3）空气弹簧的模拟 ：悬挂式单轨车辆采用空气弹簧连接车体和转向架部分，具有较高的吸收振动进而降低噪声的作用，采用轴套力（Bushing）来代替。

（4）斜置弹簧的模拟：斜置弹簧安装在中心销和摇枕之间，起到改善车体横向运动特性的作用，采用簧阻尼力（Spring－Damper）复合力来代替。

图8 转向架构件关系图及动力学仿真模型

4.2 仿真工况

由于悬挂式单轨车辆结构采用对称布置，即左右侧的轮胎、空气弹簧、斜置弹簧的结构完全一致，所以直线段限界的计算只与对应的计算工况有关。在本次动力学限界计算的过程中，考虑模拟实际车型运行的线路条件，所以线路不设超度值，车载工况设置为重车偏载，偏载值按照（2×A w3／3）计算；侧风载荷取8级风力，风速为20.7 m／s；仿真运行速度取线路设定最高速度55 km／h。

本次在进行车辆限界计算时，充分考虑以下不利因素：（1）重车偏载的影响；（2）强侧风的影响。设定直线段车辆限界仿真工况如表2所示。

表2 直线段车辆限界仿真工况

设备限界主要是考虑车体在非正常故障工况下的运行的安全裕量 ，仿真模型在进行设备限界计算时，除了考虑以上车辆限界中的不利因素，还要考虑非正常故障工况下的不利因素：（1）空气弹簧失效；（2）斜置弹簧失效 。设定直线段的设备限界仿真工况如表3所示。

表3 直线段设备限界仿真工况

4.3 仿真结果

在不同设定工况下，仿真得到悬挂式单轨车辆在考虑各工况不利因素条件下的侧滚角度，其中，直线段的车辆限界和设备限界影响因素作用结果如图9、图10所示。通过动力学方法仿真得到的直线段车辆限界和设备限界计算结果如图11所示。

图9 车辆限界不同工况下侧滚角度变化曲线

图10 设备限界不同工况下侧滚角度变化曲线

5 计算方法对比分析

针对悬挂式单轨交通车辆的限界计算，分别采用CJJ96－2003标准计算方法及动力学计算方法，对比分析了该制式交通车辆的限界取值大小的研究。

5.1 车辆限界分析

通过两种计算方法分别对限界取值的处理，得到对应直线段的车辆限界对比图，如图12所示。从图中可以看出，两种计算方法得到的限界取值主要体现在车体底部的偏移差异，其中，（CJJ96－2003）标准计算方法对于限界取值较保守，在竖直向下偏移量计算时留有比较大的安全间距。动力学方法在车体底部横向限界取值存在稍大的动态偏移量，相对于计算公式中的准静态计算有较好的参考价值。

图11 动力学仿真算法的车体部分限界图

图12 两种算法直线段车辆限界对比图

5.2 设备限界分析

图13 两种算法直线段设备限界对比图

通过两种计算方法分别对限界取值的处理，得到对应直线段的设备限界对比图，如图13所示。从图中可以看出，CJJ96－2003标准计算方法在车体偏移量计算时取值均较大，计算结果偏于保守。动力学计算方法在仿真模型中较好的模拟了空气弹簧、斜置弹簧失效的工况，但是由于车体自身存在一个平衡能力偏移量的作用，其限界取值与静态情况下CJJ96－2003标准计算结果依然存在一定偏移差异。

6 结 论

针对城市轨道交通中悬挂式单轨交通系统车辆特有的运行特点，本文对其限界进行了计算研究，并采用两种计算方法对比分析的方式得出以下结论：

（1）在车辆限界和设备限界进行不同工况下仿真计算时，由图9可以得出，侧风方向和偏载位置的确定对车身的侧滚有很大的作用。由图10可以得出，斜置弹簧在车体抗侧滚运行中具有相当重要的作用，合理的设定以上影响因素可对车辆安全运行有很大的帮助。

（2）由图12、图13计算结果对比图可以得出，动力学方法可以较真实的表现出车辆动态限界的取值范围，而采用公式计算的方法能够得到更加安全的限界取值大小。在工程应用过程中建议采用两种计算方法相结合的方式，更有效的实现限界取值的可靠性和安全性。

［1］ 孙丽朝.“空中列车”或成基建投资拉动新热点［N］.中国经营报.2015-4-20（A03）.

［2］ 杨静敏译.德国Bostra标准中关于城市轨道限界的暂行规范［S］.1996.

［3］ CJJ96－2003地铁限界标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［4］ 刘 志.铁道车辆动态限界计算研究及软件系统开发［D］.北京：北京交通大学，2012.

［5］ 罗 仁，腾万秀，干 峰.铁道车辆动态包络线计算方法研究［J］.铁道车辆.2014.52（3）.1-5.

［6］ 董 浩，曾 京，罗 仁.机车车辆动态包络线的并算法［C］.2010年度全国铁路机车车辆动态仿真学术会议论文集.成都，2010：215-221.

［7］ 王福天.车辆系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，1994.

［8］ 刘文龙，徐延海，杨吉忠，等.悬挂式单轨车辆曲线通过性仿真研究［J］.广西大学学报（自然科学版）.2016.41（5）.1-11.

［9］ 郑明军，陈潇凯，林 逸，等.空气弹簧力学模型与特性影响因素分析［J］.农业机械学报，2008，39（5）：10-14.

［10］ 倪 昌.论车辆限界的计算方法［J］.地铁与轻轨.2002（4）.20-23.

Research and Analysis for Vehicle Gauge of Suspension Monorail Transit

LIU Wenlong1，XU Yanhai1，2，WU Xiao3，WANG Jian3，WANG Chunbo3
（1 School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039 Sichuan，China；2 Sichuan Key Laboratory of Automotive Control and Safety，Chengdu 610039 Sichuan，China；3 China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031 Sichuan，China）

Aiming at the operation characteristics of suspension monorail transit system in urban rail transit vehicle，this paper analyzes the calculation methods of vehicle gauge.Firstly，it systematically analyzes the structure and characteristics of suspension monorail vehicle，and calculates its gauge through the calculation methods of＂standard of metro gauges＂（CJJ96－2003）；Then，combining with the dynamics modeling and simulation method，it studies the dynamic contour for the gauge calculation of suspension monorail transit system；Finally，two kinds of calculation methods are compared based on their calculation results，which can provide reference for suspension monorail transit＇s gauge engineering construction.

suspension monorail；vehicle gauge；calculation method；simulation and analysis

U260.2＋2

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.23

1008－7842（2016）06－0090－06

9—）男，硕士研究生（

2016－08－01）