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1、跨坐式单轨车导向轮稳定轮预压力研究 . . 铁 道 机 车 车辆第 卷第 期 .年 月文章编号: ? ? 跨坐式单轨车导向轮稳定轮预压力研究张建全 ,黄运华。,李 芾 ,陶功安株洲电力机车有限公司,湖南株洲;西南交通大学 机械工程学院,四川成都摘 要 介绍了跨坐式单轨车转向架的工作原理,并依据浮心理论及动力学仿真分析得出跨坐式单轨车导向轮、稳定轮的预压力对保证单轨车的运行安全性,稳定性具有十分重要的作用。通过仿真研究了车辆在通过不同曲线半径时预压力的大小对车辆运行性能的影响,提出了确定导向轮和稳定轮预压力大小的方法。关键词 单轨车;预压力;仿真;动力学中图分类号: .文献标志码: 年重庆市政府
2、正式批准轨道交通系统列入重 导向轮的支撑架,左右侧梁的中部有稳定轮的支撑架。车辆运行时,走行轮与稳定轮紧紧“抱”住轨道梁,其轨庆市城市建设总体规划,并成立重庆市轨道交通总公司。轨道交通线路中,校场口至新山村线为高架单轨线,也是 道梁不仅是承重的桥梁结构,同时也是支承和约束车辆我国第一条单轨交通线 。此外,杭州市、东莞和石家庄 行驶的轨道,承受较大的扭转荷载。市也均对单轨交通系统对本市轨道交通线路的适应性进行了研究 。单轨交通作为一种城市公共交通系统已经在我国受到越来越多的关注,但对于单轨车辆动力学方面的研究相对较少。本文即对影响单轨车辆动力学性能轮的导向轮、稳定轮的预压力进行研究,以期对单轨交
3、通在我国的应用和发展有一定的指导意义。单轨车转向架工作原理与传统轨道交通相比,除供电方式、通信、信号系统等有所区别外,跨坐式单轨交通的最大区别主要反跌在 图 跨坐式单轨车转向架原理图车辆转向架、轨道梁和道岔等 方面,称之为该交通系车体的抗倾覆稳定性统的 大关键技术。跨坐式单轨车辆转向架是车辆的车辆在横向力作用下,车体将产生横摆和侧滚,当核心部件,是最能体现该交通系统运行特点的部分。转外力消失后在悬挂装置的复原力和复原力矩的作用下,向架采用跨坐式无摇枕转向架、中心销牵引。每个转向车体向平衡位置移动并引起自由振动,在各种阻力作用架有 个走行轮、 个导向轮、 个稳定轮,都使用橡胶轮胎 如图 所示 。
4、走行轮采用充氮气无内胎钢丝 下,自由振动逐渐衰减并恢复到静平衡位置。车体离开橡胶轮胎,以轨道梁的上表面为走行面,起承载、传递牵 平衡位置后,能自动恢复到平衡位置的特性称为车体在引力、制动力和缓冲车辆竖向振动的作用;导向轮、稳定 弹簧上具有抗倾覆稳定性 。如果车体离开平衡位置轮内充压缩空气,都以轨道梁的侧面为走行面,起到缓 后不能自动恢复到平衡位置而继续保持倾斜状态,甚至冲车辆横向振动的作用,其中导向轮在过弯道时起导向 逐渐增加倾斜而使车体倾覆,车体将在弹簧上丧失抗倾作用;稳定轮是在车辆受到离心力、风力的时候起稳定 覆稳定性,出现这种现象是车辆安全运行所不允许的。作用。为防止轮胎失气,每种车轮都
5、备有辅助安全车 在车辆设计中应确保车体在弹簧上有足够的抗倾覆稳轮。转向架构架由钢板焊接而成,其左右侧梁的前后有 定性。国家高技术研究发展计划 计划 项目张建全 一 男,河南南阳人,助理工程师 修回日期: ? ? 第 期 跨座式单轨车导向轮稳定轮预压力研究道梁之间的作用力对跨坐式单轨车辆的安全性、稳定性根据船舶浮心理论,令 一,为车体在弹簧和平稳性有着重要的影响,本文即对导向轮和稳定轮与上的浮心高度。若车体浮心高度大于车体重心高度,即轨道梁之间的作用力进行深入研究 。 时,车体在弹簧上具有抗倾覆稳定性;车体浮心直线线路上车辆有无预压力时的仿真研究高度小于车体重心高度,即时,车体在弹簧上丧利用多体
6、动力学软件对跨坐式单轨车模型参数见失抗倾覆稳定性;车体浮心高度等于车体重心高度即为表 其在定员情况下通过一带有激扰的直线路面进行随遇平衡,这种状态为稳定和失稳的临界状态。仿真,仿真结果如图 所示。若车辆为两系悬挂,则车辆的浮心高度 为:表 计算模型主要计算参数; , 、“ . . . . . . .。 , , 。 。 . . .参数四 嘶;车体质量/ 式中 为一系悬挂垂向刚度; 为二系悬挂垂向刚转向架质量/走行轮刚度/ 度; 为车体质量; 为一系悬挂横向跨距之半; 。为导向轮/稳定轮刚度/二系悬挂横向跨距之半。走行轮阻尼/为了确保车体在弹簧上有足够的抗倾覆稳定性,前导向轮/稳定轮阻尼/苏联铁路
7、规定车体浮心高度 应大于车体重心高度 空气弹簧垂向刚度/空气弹簧水平刚度/ 。的量在 以上 ,即:二系减振器阻尼/。一二系减振器安装角度/ 。车辆定距之半/南跨坐式单轨车辆的转向架结构原理图可以明显走行轮轴距之半/看到,单 轨 车辆走 行 轮 的横 向跨距 很 小,一 般为导向轮轴距之半/ ,由公式以及车辆相关参数可以得到单轨车空气弹簧横向问距/ 空车的浮心高度只是比车体重心高 左右,而在定员的情况下就远低于车体重心高度,所以单轨车辆很图中各个字母的意义分别是 为导向轮稳定轮贴容易失稳,属“随遇不稳定”模式。因此,跨坐式转向架 靠在轨道梁; 为稳定轮和轨道梁有一间隙,导向轮贴需要没置稳定轮,由
8、此产生横向力从而形成反力矩来保 靠在轨道梁上; 为导向轮和轨道梁有一间隙,稳定轮证车辆的稳定性。跨坐式单轨车辆的导向是靠导向轮贴靠在轨道梁上; 为导向轮、稳定轮和轨道梁均有一和轨道梁的压力来提供的,因此,导向轮和稳定轮与轨间隙; 为导向轮、稳定轮和轨道梁均有一预压力。.? . 置.漤一.璺巨蛙蛙足卅一 . 时间/ 时间/ 时间/车体横移车体侧滚转向架横移. 。.巡幽叵.样世 一.时间/时间/转向架侧滚车体横向加速度图 单轨车通过一路面激励时动力学指标变化曲线 铁 道 机 车 车辆 第 卷要 。从图 的仿真结果可以看出:】 当导向轮稳定轮贴靠在轨道梁上,车辆在. 车辆圆曲线上横向受力分析通过路面
9、激扰后经过微小的振动后很快恢复到稳定状图 为车辆以一定速度通过圆曲线时横向的受力态,只是车体横移、车体侧滚、转向架横移、转向架侧滚情况,从图中看出车辆在通过曲线时主要受到的横向力均有一较小的偏移量。有导向轮、稳定轮的径向力、离心力和车辆重力在横向当导向轮贴靠在轨道梁上,而稳定轮有一间隙的分力、走行轮的侧向力。这些力在横向有以下关系:的时候,车辆在通过路面激扰后要经过长时问的振? 一动才能恢复到稳定状态,在稳定状态只有车体横移能够式中 为导向力; 为离心力; 为车辆重力; 为稳回到零位置附近,但仍有一较小的横移量,而车体侧滚、定轮抗倾覆力; 走行轮侧向力; 为超高角。转向架横移、转向架侧滚均有一
10、较大的偏移量。从式可以看出,这些力的变化是由车辆的运行当导向轮与轨道梁有一间隙,而稳定轮贴靠在速度、线路的超高以及曲线半径来决定的。轨道梁 上的时候,车辆在通过路面激扰后很快产生一较大的偏移量,并经过一段时间的振动才能恢复到稳定状态。 当导向轮和稳定轮同时和轨道梁有一间隙的时候,车辆在通过路面激扰后很快产生一较大的偏移量,并经过长时间的振动才能恢复到稳定状态,只是车体横移较导向轮与轨道梁有一间隙,而稳定轮贴靠在轨道梁上时稍大一点,而车体侧滚、转向架横移、转向架侧滚的偏移量则大了很多。 当导向轮和稳定轮同时和轨道梁有一预压力的时候,车辆在通过路面激扰后经过微小的振动后很快恢复到稳定状态,在稳定状
11、态车辆基本回到零位 图 车辆圆曲线上的受力图置。. 有预压力时的曲线通过仿真从车体横向加速度图可以看到,当导向轮稳定为了考察导向轮稳定轮预压力对车辆动力学性能轮贴靠在轨道梁上和有预压力的时候车体振动一两次的影响 ,仿真计算了单轨车辆在预压力从到就达到稳定,并且振幅很小;当有间隙存在时会有长时 变化时,通过 到 不同曲线半径超高间的波动,并且幅值也比较大,尤其是导向轮和稳定轮率为 的曲线时,车辆动力学性能指标的变化情况如同时存在间隙的时候波动最大。图 所示。由上述分析可知,导向轮、稳定轮与轨道粱之间的从图 可以看出,随着预压力的增加,导向轮稳定间隙加剧了车辆的振动和车辆的偏移量,使车辆的抗倾 轮
12、径向力的变化量、车体侧滚角、转向架侧滚角和车体横移量 车体相对于前后转向架中心的连线 显著变小覆稳定性变差。当稳定轮和轨道梁有一问隙的时候会后趋于平缓;随着曲线半径的增加,导向力变化量的减比导向轮和轨道梁之间有一间隙时的振动较大一些,是小比较明显,稳定轮径向力变化量、车体侧滚角、转向架由于车辆的侧滚运动没有得到有效的抑制,当导向轮和侧滚角和车体横移略有减小;空气弹簧垂向力的变化随稳定轮同时有一问隙的时候是最恶劣的情况,此时车辆曲线半径和预压力的增加变化都比较小。的偏移量最大且振动最剧烈。当导向轮、稳定轮贴靠在图 是导向轮稳定轮与轨道梁有预压力,跨轨道梁上和有一预压力的时候车体的偏移和振动情况坐
13、式单轨车辆以均衡速度通过 半径 超高率会改善很多,其中有预压力的时候车辆的运行状态最的曲线时,导向力和稳定轮径向力的变化随时间历程变好,此时车辆具有良好的抗倾覆稳定性。化情况。曲线线路上导向轮稳定轮预压力研究从图 可以看出,右侧导向轮和左侧稳定轮在缓和车辆在道路上运行时不可避免的要受到风力等其曲线上时就已经离开了轨道梁,在圆曲线上稳定轮径向他外部激扰的影响,特别是在曲线通过时,由于存在离力有长时间较小幅度的振荡。而此时若车辆受到外部心力、重力的分力以及风力的作用,车体在曲线上会有 激扰如强风的影响将给车辆带来危险,从而影响车辆的较大的倾覆,此时导向轮稳定轮的预压力就显得尤为重 稳定性、安全性。第 期 跨座式单轨车导向轮稳定轮预压力研究 厦咖稳定轮径向力变化 车体侧滚角导向力变化车体横移量 空气弹簧垂向力变化转向架侧滚角图 车辆动力学性能指标的变化图至蚤厘 厦曲曲时间/时间/后转向架前转向架毒毒删藕时间/时间/前转向架后转向架图 导向轮和稳定轮径向力的变化曲线辆的平稳导向和安全性有重要的作用。但如果导向轮由以上分析可知,对导向轮胎和稳定轮胎设置一个和稳定轮的预压力取得太小,在高速通过曲线或受到侧预压力,使之紧贴在轨道梁侧面,对保证跨坐式单轨车
