基于ADAMS的直线电机轨道交通安全性研究

辛会珍

（天津交通职业学院，天津 300110）

直线电机轨道交通具有较好的选线性能，其采用了直线电机和径向转向架，但是还是具有一定的安全隐患。主要是在轨道坡度增大时，会使得轮缘爬轨加剧，严重时还会导致脱轨事故的产生。在直线电机轨道交通运行的过程中，一旦横向力过大就会使得乘客的舒适度有所降低，这也是ADAMS运用于直线电机轨道交通的原因之一。就我国目前的直线电机轨道交通来说，系统线路设定值比较保守，可以依靠ADAMS软件的研究增强系统性能和安全性。

1 分析车辆在运行过程中的评标规范

当车辆行驶在直线电机轨道交通路段的时候首先需要保障车辆行驶过程是绝对安全可靠的，还需要让乘客保持舒适的状态。运行过程中的安全性和平稳性需要以车辆的脱轨系数、轨道横向稳定性及倾覆系数等确定，舒适性则主要需要满足旅客的需求。舒适性主要的判定指标是疲劳时间评定、加速度最大限值等。在研究直线电机轨道交通安全性的时候，需要首先将车辆行驶的安全性考虑在内，然后将列车路线的动力系统考虑在内，所以在选择研究控制指标的时候需要慎重，可以选择脱轨的安全性以及车辆行驶过程中的平稳性作为评价规范。

1.1 脱轨安全性

车辆在运行过程中经常会通过曲线，而曲线运动会在离心力、侧向风力和横向振动惯性力的作用下导致外侧前轮轮缘紧靠钢轨。在这种情况下，前轮还会在导向力的作用下对整个转向架沿曲线方向运行。有时候侧向力会比较大，导致车轮会往上爬，轮缘就会沿着钢轨侧面滚动，严重时车轮还会落出轨外，导致脱轨。发生这种现象时，主要是车轮与钢轨接触点存在临界，使得车轮有向下滑的趋势。对车辆运动来说，直线电机轨道交通对轮轨起到了一定的支撑导向作用，在评价其安全性的过程中就可以利用脱轨系数进行判定。

1.2 车辆稳定性

车辆倾覆是危及直线电机轨道交通安全性的重要原因。发生倾覆的车辆主要是由于受到离心力、横向振动惯性力的双重作用，进而使得车辆运行具有一定的危险性。在考量车辆是否存在倾覆的危险性时，需要利用倾覆系数D进行衡量，计算公式为D=Pd/Pst。在式中，Pd表示的是同一侧车轮上的总的动荷载，Pst表示的是车辆在同一侧车轮上的总的静荷载。如果计算得出D＞8，则说明车辆存在倾覆的可能，因此，直线电机轨道线路的设计参数一般是D＜8。

2 机械系统动力学仿真分析软件轮轨模块简介

2.1 轮对建模

在进行直线电机轨道交通安全性研究的过程中，需要考虑很多方面的因素，其中转向架中有一对属性一致的轮对，这是最需要考虑在内的，所以，一般当轨道是直线电机形式的时候，在轨道上行驶的车辆其耦合动力学模型的表示需要将一对相同的轮对模型包含在内。当进行车轮的边缘建模处理的时候，可以借助富点拟合的方法，在这个拟合过程中需要考虑到轮缘的几何形状，可以将几何形位转换为大量的点来拟合。利用这种方法，可以将车轮中不规范的几何行为模拟出来，并且具有较大的准确性，操作比较简单。有时候可以直接采用等效函数表示模型，但是多点拟合方式得出的结果更加准确。

2.2 构架建模

在利用ADAMS软件研究直线电机轨道交通安全性的过程中，需要先确定建模的构架，才能保证建模的准确性。一般来说，需要采用内置式H形整体构架，在整个系统中，可以将构架建模视为刚体，确定构架位置。

2.3 对于悬挂系统建模处理

当对于悬挂系统进行建模的时候，主要思路是对于轮对以及转向架机构上找出配合建模的连接点，然后将这些连接点作为整个悬挂单元的起点，在这些连接点的基础上，可以进行新的弹簧单元的建立。

2.4 止档建模

所谓止档建模，指的是建模的位置选择在转向架以及车体之间，建模的主要目的是对于各个零部件的摆动行为进行控制。在止档建模中，还能够利用弹性拉力控制系统运行的稳定性，保障运行的可靠性，但是进行止档建模，需要重点注意的是止档的作用力和作用力引发的形变之间没有线性关系。

2.5 对于自导向径向转向架传动装置进行建模处理

一般来讲城市交通系统比较发达，并且具有很明显的特点，那就是曲线较小，所以如果在建模过程中充分利用自导向径向转向架传动设备能够使直线电机轨道交通更加适应城市轨道交通的运行。

在利用这种传动装置建模的过程中，自导径向转向架可以通过机构将转向架的前后两轮衔接起来，使其能够借助蠕滑力实现相对回转，并且这种作用力的实现是比较简单的。在进行自导径向转向架传动装置建模的过程中，需要在前轮和后轮上对轮轴加装传动轮杆，保障轮轴和杆件能够自由旋转，但是对两者的横向移动以及自由程度却是有限制的，在转向设置的中间位置，需要使用弹簧装置将传动杆件联系起来，然后设置阻尼设备。同时，需要将传动杆件的质量、转动惯量设置为很小的数值，这样能够使得转向架的几何特性不会受到添加杆件的影响，弹簧和阻尼的质量可以忽略不计。

2.6 直线电机建模

转向架与直线电机的连接方式是5点悬吊式。在按照实际连接效果将轮轴与直线电机连接在一起时，需要将直线电机设置为有一定横向自由度的模型。直线电机允许出现横向的少量移动，并且当出现移动的时候不会产生横向作用力。在建模过程中可能会忽略掉直线电机与轮轴之间的刚度，而在具体的结构中，直线电机和轮轴的连接位置一般有一个弹性胶垫层，并且这个胶垫的强度一般较大，所以即使直线电机和电磁力共同作用，也不会产生较大的形变，在建模过程中需要将其认为是刚性连接。

2.7 车体建模

在进行车体建模的过程中，不需要经历过于复杂的步骤，其主要为空间刚体，只需要对相关的线自由度和角自由度进行设置和研究即可。在设置车体的长、宽、高和质量、转动惯量以及中心位置时，可以通过文件或者界面输入完成。

2.8 整车模型

整车模型是在转向架模型及车体模型结合基础上建立的，其能够与这两者进行重新组合，进而使直线电机轨道交通安全性能得到有效保障。

3 仿真计算

直线电机车辆在自身的形成特点上，比普通车辆更加突出，主要表现在径向转向架的作用和直线电机感应力作用上。在进行仿真计算的过程中，需要保证车体的参数相同，并且两者需要在相同的线路上，行车速度也不能存在差异，比照仿真计算结果就能够对结果特征参数进行对比。

3.1 径向转向架仿真计算

后轮对和前轮对的脱轨系数曲线整体来说是比较类似的，但是后轮对的数值还是大于前轮对数值，特别是在圆曲线段中，后轮对比前轮对的固定值基本都要大，说明前轮对对于后轮对来说具有一定的导向作用，并且后轮对的动力响应要更大。

3.2 对于直线电机进行仿真处理

当线路情况一致的情况下，计算直线电机轨道需要借助车辆模型，主要的目的是验证模型添加直线电机的正确性。

在计算过程中，需要明确仿真条件，其中线路全长为32m，主要是5m直线+4m缓和曲线+4m圆曲线（半径为5m）+4m缓和曲线+延长的5m直线，圆曲线超高为5mm，缓和曲线的图形可以大致看成是三次抛物线型，直线型超高顺坡。在这个过程中，车辆的参数保持不变，并且一直处于匀速运行状态，速度始终保持在7km/h。

4 结语

综上所述，通过本文的计算讲解，计算过程涉及到的脱轨系数，横向转动力等相比较正常车辆都是偏小的，所以，同自导向径向的转向架性质也是相吻合的。当加设直线电机之后，车辆运行状态更加稳定，并且促进了车辆行驶过程更加安全可靠，并且行驶过程没有使得脱轨系数有较大的改变。在ADAMS模块中研究直线电机轨道交通安全性是符合实际工程要求的，在仿真计算中，还能够验证组合整车模型的正确性和有效性。

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