曲线超高率对单轴转向架跨座式单轨车辆曲线通过性能的影响

许 亮

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

跨座式单轨车辆的轨道交通线路不同于地铁，其具有交通线路条件复杂，轨道梁模式多样的特点。轨道走行线路超高率影响着乘坐舒适度与运行稳定性，国内对跨座式单轨车辆线路曲线超高值的研究少之甚少，很多国际标准也仅仅给出跨座式单轨车辆线路曲线超高率的大致范围。铁道第三勘察设计院集团有限公司进行了高速铁路曲线超高设计的研究，国内《跨座式单轨交通车辆道岔结构及分析》书简述了曲线超高率确定的一般理论公式，日本《大阪结构设计指南》对轨道梁的超高和欠超高也给出了相应的标准范围。

1 轨道梁运行线路及曲线超高率

为了平衡曲线路面上车辆的离心力，轨道梁走行轮行驶面设置了一定的超高。乘客会由离心力的作用而向外倾斜产生疲劳感与不舒适感，因此需要在曲线轨道上设置一定的超高，曲线超高即确定缓和曲面长度及曲线间距值等参数。轨道在设计过程中，采用直线、缓和曲线、和圆形曲线段的组合。

（1）直线阶段：跟踪直线段起点与终点的距离；无超高值。

（2）缓和曲线阶段：拟合在直线和圆形之间，在设计的线路上，使用了一个过渡曲线路径；超高率在缓和段以某一曲率递增/减。

（3）圆形曲线段：在这个阶段，轨道以一个半径不变的圆形路径；超高率保持某一定值不变。

需要注意的是，在循环曲线之后，过渡段和直线段再次遵循相同的顺序。完成设置线路的长度如表1所示。

表1 曲线线路设置

2 基于ADAMS的单轴转向架跨座式单轨列车模型

根据单轴转向架跨座式单轨车辆主要技术参数进行建模，耦合模型主要包括车体部分，转向架部分，轨道路面及部分力学特性元件。

单轴转向架不同于双轴转向架，由于其中心为走行轮，所以不能设置中央牵引销，在建立仿真模型时要重新设置牵引装置，各种力学原件的位置刚度等也要重新考虑。图1为单轴转向架CATIA三维结构简化示意图，图示走行轮轮对中置，空气弹簧、横向止挡及垂直和斜向油压减振器布置在转向架的中部两侧且靠下的稳定轮支架的两侧，油压减震器布置在转向架左右两侧。

图1 单轴转向架结构简化示意

车体模型从CATIA中导出相应三维模型，然后通过改变文件格式导入动力学软件中。走行部与车体之间的约束主要由二系悬挂系统提供，在动力学软件中模拟出车体的质量和转动惯量等参数。

3 曲线超高率对单轴转向架曲线通过性能的影响

3.1 不同曲线超高率下的导向轮最大径向力变化曲线

抗脱轨稳定性定义为：在任何条件下同一个转向架上同侧的两个导向轮径向力与另一侧稳定轮横向力不同时为零，则单轨车辆不会出现脱轨。

从曲线图2中可以看出在超高率为4%，6%，8%，14%和16%时，均有一个导向轮径向力为0，此时虽然不会发生脱轨危险，但是车辆曲线通过性能一般；当曲线超高率在10%～12%时，4个导向轮均有载荷，说明无一导向轮离开轨面，故此时车辆曲线通过性能相对其他工况来说达到最优。

图2 导向轮最大径向力的变化曲线

3.2 不同曲线超高率下的走行轮侧偏角变化曲线

轮胎的侧偏特性对车辆的稳定性起很大的作用，也影响着轮胎的耐磨损性能和使用寿命周期。走行轮胎的侧偏角大小则是反映轮胎侧偏特性的一个重要参数，故而要求车辆在行驶过程中，综合性能考虑，应尽量使走行轮侧偏角偏小。

根据不同工况仿真结果，得出图3中走行轮侧偏角的变化曲线，可以看出在曲线超高率为12%时，走行轮侧偏角最小，因走形轮胎为橡胶轮胎，根据重庆轨道三号线的经验，轮胎的磨耗率是设计线路重要考虑因素，此时走行轮胎的磨损性能最小，曲线通过性能优。

图3 走行轮侧偏角变化曲线

3.3 不同曲线超高率下的转向架导向力矩变化曲线

转向架的导向力矩是决定转向架曲线通过性能的重要指标，转向架通过曲线时所需导向力矩越小说明其曲线通过性能越好。

如图4所示，随着曲线超高率的增大，转向架导向力矩逐渐变大，此时在7种不同工况下车辆曲线通过性能较好，均满足曲线通过性能要求。

图4 转向架导向力矩变化曲线

3.4 不同曲线超高率下的车体侧滚角变化曲线

车体的侧滚程度对车辆曲线通过的安全性以及车内乘客舒适度感受非常重要。从图5中可以看出，车体侧滚角在曲线超高率未超过12%时侧滚角小于1°，此时乘客乘坐舒适度较好，但当超过12%时侧滚角递增趋势增大，这将一定程度影响乘坐舒适性与行车安全性。

图5 车体侧滚角变化曲线

3.5 不同曲线超高率下的倾覆系数变化曲线

从图6中看出，随着曲线超高率的增大，车辆倾覆系数也逐渐增大，但均小于我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599—85）规定车辆倾覆系数D≤0.8，说明单轴转向架跨座式单轨车辆倾覆稳定性较好，满足车辆曲线通过性能。

图6 倾覆系数变化曲线

3.6 不同曲线超高率下的走行轮最大垂向力变化曲线

如图7所示，随着曲线超高率的增大，走行轮垂向力先变小后增大，分析对比得出在超高率为10%～12%工况时，车辆曲线通过性能最好。

4 结语

通过改变曲线超高率对单轴转向架跨座式单轨车辆曲线通过性能的计算分析，可以得出曲线超高率对单轴转向架跨座式单轨车辆曲线通过性能的影响：曲线超高率不是越低越好，也并非越高越好，数据表明曲线超高率在10%～12%之间时，曲线通过性能整体达到优化状态。

不同工况仿真结果数据的对比可以发现：设置合理的曲线超高率，既能保证列车运行中乘客的舒适度，又可以保持轮轨之间受力比较均匀，减少轮胎磨损率,有利于线路的养护。

图7 走行轮最大垂向力变化曲线