跨坐式单轨铰接式转向架动力学分析

钱艳

摘 要：通过研究跨座式单轨和铰接式转向架的原理，设计能够应用于跨座式单轨列车的铰接式转向架。利用ADAMS建立三车四转向架模型后进行仿真，确定其最优参数后，从列车的运行平稳性以及稳定性评价跨座式单轨的铰接式转向架的性能，同时论证铰接式转向架在跨坐式单轨列车中运用的可行性。

关键词：跨坐式单轨;铰接式转向架;ADAMS;动力学仿真

1前言

20世纪90年代末，我国从日本引进跨坐式单轨交通技术，于2000年开始建设重庆轨道交通2号线，成为我国单轨交通建设的首条线路。铰接式转向架技术最早应用于法国TGV高速列车，TGV是欧洲高速铁路中研制最早、运用考验时间最长、世界上运营速度最高、试验速度多次创造世界纪錄、性能优良的高速列车。然而目前，将铰接式转向架应用于跨坐式单轨列车尚未出现相关研究，所以研究跨坐式单轨的铰接式转向架动力学性能十分有必要。

2铰接式转向架特点

通过分析，可以得出铰接式单轨列车主要运动特点为：

（1）车体具有伸缩、横移、沉浮、点头、摇头和侧滚6个自由度，经由中心销和空气弹簧与转向架构架相连。

（2）转向架构架具有伸缩、横移、沉浮、点头、摇头和侧滚6个自由度，其中，构架与中心销之间的减振器起减振作用，横向止挡起止挡作用，牵引橡胶堆则起到传递动力的作用。

（3）每台转向架构架上安装有两根车轴，用于安装橡胶轮胎，每个轮胎相对于构架只考虑绕轴旋转的运动。

综上，该动力学模型中，铰接式列车的运动自由度为（4+4+2）×4+6×7=82个自由度。

3铰接式列车动力学模型

通过分析单轨列车的运行机理，联合机械系统动力学原理，采用虚拟样机技术，建立三车四转向架的“车辆—轮胎—轨道梁”耦合动力学仿真模型。在三车四转向架的动力学模型中，头尾车为动力转向架，故而头尾车为动车;而中间车两端的转向架为非动力铰接式转向架，因此中车为拖车。

在所建动力学模型中，将弹性变形相对悬挂系统变形可以忽略不计的部件（比如轮对、转向架构架、车体等）均假设为刚体，仿真计算中不考虑弹性变形。建模过程中，对于两端车的传统动力转向架，转向架与车体之间的由空气弹簧、中心销、中心销座、横向止挡、牵引橡胶堆、横向油压减振器实现纵向、垂向、横向的连接;而铰接式转向架的动力学建模，空气弹簧与车体直接相连的部分，称为支撑端，铰接在支撑端上面的车体称为铰接端，二系悬挂均与支撑端车体连接。

4 仿真结果分析

利用ADAMS完成建模后，设定列车运行工况为：轨道半径R100，车速30km/h，路面属性文件中空间功率谱密度 ，进行仿真分析计算能够得到其动力学性能参数。

轨道车辆运行安全性由车辆动力学性能决定。车辆的动力学性能主要包括运行平稳性、稳定性以及曲线通过性能。由于单轨车辆是轨道车辆的一种典型制式，而目前我国尚未建立单独适用于单轨车辆的动力学性能评定和试验鉴定规范，所以，本次计算分析将参考GB5599—85评价体系，对跨坐式单轨铰接式转向架的动力学性能进行评定和分析。

4.1  运行平稳性

参照GB5599—85《轨道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，分析单轨车辆运行平稳性。运行平稳性由平稳性指数W评定，W的计算公式如下：

F（f） _频率修正系数，取值参考表1

4.2  运行稳定性

运行工况为：导向轮、稳定轮预压力4900N;转弯半径R100;车速30km/h;仿真结果如下图（按照前左、前右、后左、后右排序）：

a）转向架1走形轮垂向力 b）转向架2走形轮垂向力

c）转向架3走形轮垂向力 d）转向架4走形轮垂向力

由图4.1可以得出以下结果：当走形轮开始进入曲线路段的时候，其垂向力会发生较大的变化，取相差最大的时刻计算其倾覆系数（D1、D2、D3 、D4 分别为转向架1、2、3、4的倾覆系数）为：

满足GB5599—85所规定的机车的机车容许倾覆系数D<0.8，说明将铰接式转向架应用到跨坐式单轨车辆后，其抗倾覆稳定性是足够的。

5结论

1）本文首次运用ADAMS建立了三车四转向架的铰接式单轨动力学模型，并找出了模型相关较优参数。

2）该动力学模型能够保证单轨列车的运行安全性、运行平稳性以及稳定性。

3）该模型并未达到最优，为实现铰接式转向架在跨座式单轨更好应用，还需要进一步对各个参数进行优化。

参考文献：

[1]任利惠，周劲松，沈钢.跨座式独轨车辆动力学模型及仿真[J].中国铁道科学.2004

[2]M. Haiba， D.C. Barton， P.C. Brooks， M.C. Levesley， The development of an optimization algorithm

[3]杜子学，左长永.基于MD ADAMS的跨坐式单轨车辆动力学性能研究

[4]虞大联.轻轨车辆新型转向架的设计研究西南交通大学研究生学位论文

[5]王福天，杨国祯.铰接式高速客车转向架的设计与研究.铁道学报，1997

[6]汪群生，曾京，董浩.基于SIMPACK铰接式列车的动力学性能分析

[7]卜继玲，沈继强.铰接式转向架在城轨车辆中的应用及其性能研究