跨坐式单轨车辆的横向平稳性研究

赵增闯，葛方顺，任利惠

（1.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804； 2.中车浦镇阿尔斯通运输系统有限公司，安徽 芜湖 241000）

跨坐式单轨车辆骑跨在一根用于支撑、稳定和导向的混凝土轨道梁上，其走行轮提供车辆支撑力，导向轮和稳定轮具有提高导向和抗倾覆的作用。相较于传统轮轨接触车辆，跨坐式单轨车辆有较大优势，如曲线通过能力强、爬坡能力强、噪声低、更安全可靠等［1］。

目前，我国投入运用的跨坐式单轨车辆主要有使用日立模式的单轨车辆和庞巴迪模式的单轨车辆，前者使用2 轴转向架，后者使用单轴转向架，2种转向架均采取无摇枕模式。受到二系悬挂的约束，跨坐式单轨车辆的走行轮胎在曲线上产生侧偏角，造成轮胎在曲线工况行驶时产生偏磨，严重时会影响走行轮胎的正常使用寿命，且走行轮严重的磨耗会造成自身的黏着能力下降，驱动系统更加耗能，制动系统更加迟缓，影响安全性与节能性［2-4］。

径向转向架能有效地减小走行轮胎通过曲线的侧偏角。庞巴迪INNOVIA 300 型跨坐式单轨车辆使用辅助导向装置，该装置能够减小转向架通过曲线时的冲角，从而减小走行轮胎的侧偏力和导向轮胎的径向力［5-9］。但运行过程中，安装辅助导向装置的车辆在一定程度上抵消了Ⅱ系悬挂带来的摇头刚度，直接影响车辆运行的横向平稳性。为研究辅助导向装置对跨坐式单轨车辆横向平稳性的影响，本文通过动力学仿真软件UM 建立车辆动力学模型，对跨坐式单轨车辆横向振动性能进行了仿真计算和分析。

1 辅助导向装置

INNOVIA 300 型跨坐式单轨车辆单轴转向架辅助导向装置具体结构如图1 所示。在牵引机构中，增加1 个具有预压力的油气弹簧，实现径向功能。当车辆处于直线上，转向架相对车体没有转角，油气弹簧的预压力作用方向与牵引杆垂直，油气弹簧预压力在左、右曲柄上产生的力矩大小相同、方向相反，这对作用合力矩为零，对左、右牵引杆不产生作用力，因此对转向架不产生回转力矩。当车辆处于曲线上，转向架相对车体发生转动时，牵引杆通过上曲柄带动油气弹簧运动，使油气弹簧预压力的作用方向发生改变，这时油气弹簧的预压力在左、右曲柄上产生的力矩发生变化，并通过左、右牵引杆对转向架产生回转力矩，迫使转向架与车体之间的转角增大，直到与二系悬挂产生的回转力矩平衡。由于二系悬挂与辅助导向装置的回转力矩相互抵消，在导向轮径向力的作用下，转向架趋向径向位置［5-6］。

图1 辅助导向装置Fig.1 Steering assist device

2 横向振动加速度功率谱仿真分析

通过动力学仿真软件UM 建立跨坐式单轨车辆的动力学仿真模型，如图2所示。整车共有34个自由度，其中车体、构架各具有6 个自由度，走行轮、导向轮和稳定轮各有1 个旋转自由度。辅助导向装置各杆件端头为橡胶节点铰接，上曲柄、下曲柄和扭杆固定连接，油气弹簧采用带有预压力的弹簧力元建模，初始设置预压力为14 kN。

图2 车辆动力学仿真模型Fig.2 Vehicle dynamics simulation model

轨道不平顺是运行中轨道车辆产生振动响应的原因，作为车辆系统的输入激扰，其直接影响车辆的运行平稳性和安全性。跨坐式单轨车辆骑跨的轨道梁为混凝土预制，因此使用ISO 8608路面标准路谱。经对比，仿真使用ISO 8608规定的A级道路谱，其得到的横向平稳性指标与实测数据较接近，因此本文仿真中的轨道谱均采用ISO 8608规定的A 级道路谱。对车辆横向振动加速度功率谱的分析可知，横向平稳性指标变化的根源为探索辅助导向装置对直线工况下车辆横向运行平稳性的影响，因此研究车速和油气弹簧预压力对车辆横向振动加速度功率谱的影响是有必要的，后文采用前转向架和车体数据分析［10-11］。

2.1 不同车速对横向振动加速度功率谱的影响

2.1.1 横移加速度功率谱

在不同的运行速度下，前转向架和车体的横移加速度功率谱密度如图3所示。由图可知，在不同速度下，横移加速度功率谱密度的形状是相似的，总体呈先增加后降低的趋势。速度与横移加速度功率谱值总体呈正相关，速度越大，横移加速度功率谱密度越大，即速度越大，横移运动的振动幅值越大，能量越大。对于转向架的横移加速度功率谱，前3次依次出现的峰值，其对应频率值随速度的增加而变大。在高频区间，随着频率的增大，车体和转向架的功率谱密度总体呈减少的趋势。

图3 横移加速度功率谱密度Fig.3 Lateral acceleration power spectral density

2.1.2 侧滚加速度功率谱

前转向架及车体在不同运行速度下的侧滚加速度功率谱密度如图4 所示。由图4 可知，在不同速度下，侧滚加速度功率谱密度的形状相似，总体呈先增加后降低的趋势。速度与侧滚加速度功率谱值总体呈正相关，速度越大，侧滚加速度功率谱密度越大，即速度越大，侧滚运动的振动幅值越大，能量越大；在2~6 Hz区段，速度与转向架侧滚加速度功率谱密度谱值基本呈负相关，速度越大，其谱值越小。对于转向架的侧滚加速度功率谱，最大峰值对应的频率值随速度增加而变大。在高频区间，随着频率的增大，车体和转向架的功率谱密度总体呈减少的趋势。

图4 侧滚加速度功率谱密度Fig.4 Roll acceleration power spectral density

2.1.3 摇头加速度功率谱

前转向架和车体在不同的运行速度下的摇头加速度功率谱密度如图5 所示。由图5 可知，在不同的速度下，摇头加速度功率谱密度的形状是相似的，总体呈先增加后降低的趋势。速度和摇头加速度功率谱值总体呈正相关，速度越大，摇头加速度功率谱密度越大，即速度越大，摇头运动的振动幅值越大，能量越大。对于转向架，摇头加速度功率谱密度峰值对应的频率值基本不随速度的变化而变化；但对于车体，摇头加速度功率谱密度出现峰值时对应的频率值，随速度变大而变大。

图5 摇头加速度功率谱密度Fig.5 Yaw acceleration power spectral density

2.2 不同预压力对横向振动加速度功率谱密度的影响

前转向架和车体在辅助导向装置使用不同预压力情况下的加速度功率谱密度如图6~图8 所示。由图6~图8 可知，对于车体的功率谱密度，预压力的影响较小，对于摇头自由度，预压力的影响较大，预压力越大，摇头加速度功率谱的幅值越大。对于转向架，预压力的影响较大，预压力越大，功率谱密度幅值越大，功率谱密度峰值对应的频率值不随预压力的变化而变化。

图6 横移加速度功率谱密度Fig.6 Lateral acceleration power spectral density

图7 侧滚加速度功率谱密度Fig.7 Roll acceleration power spectral density

图8 摇头加速度功率谱密度Fig.8 Yaw acceleration power spectral density

3 横向平稳性指标仿真分析

不同车速、不同预压力下，车体按照GB 5599标准的Sperling横向平稳性指标的变化情况如图9所示。横向平稳性指标均小于GB 5599 规定的2.5，达到了优秀等级。平稳性指标都随着速度增加而变大，并且预压力对平稳性指标的影响都远小于速度的影响。辅助导向装置的预压力对车体的横向平稳性产生不利影响，但影响较小，预压力越大，车体横向平稳性指标越大，预压力对横向平稳性的影响范围较稳定。速度为30 km/h时，预压力对横向平稳性影响范围约0.09，当速度达到70 km/h时，影响范围约为0.08。

图9 车体横向平稳性指标Fig.9 Lateral ride comfort index of vehicle

4 结论

本文基于动力学仿真软件UM 建立跨坐式单轨车辆动力学模型，对车辆施加ISO 8608 规定的A级道路谱，分析不同速度、油气弹簧不同预压力下，车体和转向架的横向振动加速度功率谱与平稳性指标，得到以下结论。

（1） 车体和转向架横向振动加速度功率谱谱值与速度总体呈正相关，速度越大，幅值越大。其中，在2~6 Hz区段，速度与前后转向架侧滚加速度功率谱谱值基本呈负相关。在高频区间，随着频率的增大，功率谱总体呈减小趋势。

（2） 对于转向架的横移加速度功率谱、侧滚加速度功率谱，峰值对应的频率值随速度增加而变大，摇头加速度功率谱峰值对应的频率值基本不随速度变化而变化；对于车体的摇头加速度功率谱，第1次出现峰值对应的频率值随速度的增加而变大。

（3） 预压力对车体的功率谱密度影响较小，对摇头自由度的影响较大，预压力越大，摇头加速度功率谱谱值越大。与车体相比，预压力对转向架加速度功率谱的影响较大，预压力越大，功率谱谱值越大。功率谱峰值对应的频率值不随预压力的变化而变化。

（4） 横向平稳性指标随速度的增加而增加，辅助导向装置预压力的影响相对于速度的影响很小，预压力对车体的横向平稳性产生不利影响，但影响较小，最大影响范围为0.09，且影响范围较稳定。