简支梁式单轨车辆的运行稳定性研究

2019-10-21邓有林崔钰敏

汽车实用技术 2019年1期

邓有林崔钰敏

摘要：为研究简支梁式跨座式单轨车辆的运行稳定性，运用多体动力学原理和动力学仿真软件建立简支梁式单轨车辆动力学模型，与传统的悬臂梁式单轨车辆进行对比分析。分析结果表明，简支梁式单轨车辆与传统悬臂梁结构相比，车辆的倾覆系数会增大，抗脱轨稳定性变好，车体侧滚角变大。关键词：跨座式单轨车辆;动力学仿真;运行稳定性中图分类号：U232 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）01-95-02

Study on Operational stability of Simple Supported Beam Monorail Vehicle

Deng Youlin， Cui Yumin

（ Research Institute of Rail Transit， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074 ）

Abstract： In order to study the running stability of the simply supported beam type straddle monorail vehicle， the multi-body dynamics principle and dynamics simulation software are used to establish the dynamic model of the simply supported beam monorail vehicle， which is compared with the traditional cantilever beam monorail vehicle. The analysis results show that compared with the traditional cantilever beam structure， the vehicle's overturning coefficient will increase， the antiderail -ment stability will be better， and the vehicle body roll angle will be reduced.Keywords： Straddle monorail vehicle; Running wheel; stabilityCLC NO.： U232 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）01-95-02

引言

傳统的跨座式单轨列车在我国已成功运行多年，在实际运行中，发现传统的悬臂梁式单轨车辆存在诸多问题，主要有走行轮偏磨严重，走行轮拆卸复杂等。为解决这些问题，前人从轮胎模型参数研究了偏磨^[1]，以及加入差速器等方法减小轮胎偏磨^[2]。但都没有改变构架结构进行相关研究，因此通过改变跨座式单轨车辆转向架结构，达到改善单轨车辆轮胎偏磨，解决拆卸复杂的问题。

1 简支梁式单轨车辆模型的建立

1.1 简支梁式转向架总成

简支梁式跨座式单轨车辆双轴转向架完全可以避免上述缺点。这种转向架的走行轮总成一端与动力总成相连，另一端通过轴承座与构架相连^[³^]。

1.2 简支梁式单轨车辆动力学模型

根据结构特点，建立自由度为37的车辆轮轨耦合动力学模型，此模型包括一个车体子结构模型，两个转向架子结构模型。重庆轨道交通3号线车辆曲线运行工况是在常规速度36km/h和极限速度43km/h安全通过半径100m弯道。据此，本文研究选取36km/h和43km/h作为研究工况。

2 稳定性能评价指标

2.1 倾覆稳定性

车辆经过弯道时，走行轮的垂向力会发生变化，一侧垂向力增载，一侧垂向力减载。根据GB5599-1985的规定，车辆倾覆系数为D<0.8。

式（1）中 P_z—增载侧走行轮垂向力;P_J—减载侧走行轮垂向力。

2.2 抗脱轨稳定性

跨座式单轨车辆通常运行时车必然受到各种横向力的作用，如风力、离心力等。在这些横向力作用下，会造成单轨车辆的各个轮胎力的变化，会使得车辆一侧的导向轮增载，同侧的稳定轮减载，另一侧的导向轮减载，而稳定轮增载，当横向力大到某一值时，导向轮与稳定轮可能会离开轨面^[⁴^]。

2.3 临界侧滚角

跨座式单轨车辆因为具有独特的机理，因此我们假设一侧导向轮中心与走行面齐平（上移0.16m），此时转向架处于临界倾覆状态，临界侧倾角应满足如下关系;

式（2）中L_d—导向轮质心到转向架横梁的垂距;

L₁—走行轮支点在横梁上的投影到转向架横梁的距离;

h—走行轮支点到转向架横梁的距离。

此时临界倾覆状态的γ=8.4°，并规定该值为转向架临界侧滚限值。

3 简支梁单轨车辆稳定性研究

本文采用simpack软件做动力学模型仿真计算。

3.1 倾覆稳定性分析

当走行轮经过曲线段时，其垂向力会有所变化，并且左右走行轮垂向力增减量相等。在36km/h的速度下，当悬臂梁式单轨车辆的前右走行轮最大垂向力为67kN，前左走行轮最小垂向力为33kN ，此时的倾覆系数为0.34。简支梁式单轨车辆前右走行轮最大垂向力70kN，而此时前左走行轮最小垂向力为29.9kN，这个时候车辆的倾覆系数为0.4。

我们再来比较43km/h的速度通过弯道时，此时车辆的走行轮的增减载明显大于在36km/h时，悬臂梁式单轨车辆前右走行轮最大垂向力为70kN，前左走行轮最大垂向力为29kN，此时车辆的倾覆系数为0.41。简支梁式单轨车辆前右走行轮载荷增加到72kN，前左走行轮减载到27.3kN，这个时候车辆的倾覆系数为0.45。

由此可以得出结论，改变转向架的构架结构后，简支梁式单轨车辆的倾覆系数要比悬臂梁式单轨车辆的倾覆系数要大，但走行轮还在路面上行驶，在43km/h的速度下，倾覆系数依然远小于规定值0.8。

3.2 抗脱轨稳定性受力分析

在36km/h速度下，悬臂梁式单轨车辆前转向架导向轮径向力变化大，前转向架前左导向轮横向力增加到7.8kN，前右导向轮横向力减少到2.5kN，车辆左侧稳定轮有一定的减载，右侧稳定轮增载。简支梁式单轨车辆前左导向轮横向力6.3kN，前右导向轮横向力为3.7kN ，而稳定轮过弯道时横向力变化很小。

在43Km/h速度下，悬臂梁式單轨车辆转向架右侧两个导向轮减载到0，说明此时车辆转向架右侧导向轮离开轨面，另一侧导向轮增载到14000N，而稳定轮左侧减载到0，右侧增载到12000N，此时车辆出现脱轨现象。这个时候车辆抗脱轨稳定性较差。简支梁式单轨车辆前转向架中的前右导向轮横向力减小到0，后右导向轮横向力有较大减载，但未脱离轨面，前左侧导向轮横向力增加到10000N，后左导向轮横向力增加到11000N，左侧稳定轮横向力减小到2500N，右侧稳定轮横向力增加到7500N。

综上简支梁式单轨车辆的抗脱轨稳定性比悬臂梁式单轨车辆要好。