跨座式单轨车辆动力学性能试验研究

李耘茏，张杨

跨座式单轨车辆动力学性能试验研究

李耘茏，张杨

（中铁合肥新型交通产业投资有限公司，安徽 合肥 231699）

针对某型跨座式单轨车辆，通过在车体和构架上布置加速度传感器，对车辆空载和满载时的加速度数据进行采集，基于GB/T 5599－2019对车辆的运行稳定性、运行品质、平稳性指标和舒适度进行评估。现场试验结果表明：该型车辆在90 km/h速度范围内，转向架未发生失稳现象，车体横向振动加速度和垂向振动加速度均小于2.5 m/s2，横向和垂向平稳性指标均达到优级或良好等级，同时舒适度指标均达到舒适标准。中间车的平稳性较头车差，而头车的乘坐舒适度较中间车差，因此需要综合使用平稳性指标和舒适度指标对乘客乘坐舒适度进行综合评价。总体来说，该跨座式单轨车辆的动力学性能优良，满足设计要求。

跨座式单轨；动力学试验；加速度；稳定性；平稳性

单轨交通主要结构形式为跨座式单轨和悬吊式单轨[1]。跨座式单轨车辆与传统的轮轨交通相比，其特点在于其走行轮采用橡胶轮胎，同时在转向架两侧安装有导向轮和稳定轮，夹行于轨道梁两侧，为转向架提供导向和抗倾覆能力。跨座式单轨转向架通常分为单轴转向架与双轴转向架。与双轴转向架相比，单轴转向架能够显著降低车辆重心高度，有利于设置纵向紧急疏散通道，同时单轴转向架能够使轮胎在曲线处行驶轨迹与轨道梁更为匹配，减小行车阻力和轮胎磨耗，降低噪音，减小振动。

跨座式单轨车辆的动力学性能通常采用现场试验或数值仿真的方法进行研究。周生通等[2]通过广义多项式混沌方法，证明车辆载重、走行轮垂向刚度、水平轮径向刚度、空气弹簧垂向阻尼是对平稳性指标方差贡献最主要的随机参数。赵增闯[3]针对庞巴迪公司轻型跨坐式单轨车辆的特点，初步论证了轻型跨坐式单轨车辆动力学性能评价指标的适用性。李军等[4]对横风激扰下的跨座式单轨车辆的运行平稳性进行分析，认为车速、风速和合成风向角对跨座式单轨车辆的运行平稳性有显著影响。Zhang等[5]研究了导向轮和稳定轮预压力对跨坐式单轨车辆临界横向载荷的影响。沈龙江[6]认为跨座式单轨车辆需要提前设置合理的预压力来保证单轨车辆的抗倾覆稳定性和运行安全性。李燕阳等[7]利用仿真软件对跨座式单轨抗倾覆性能与临界侧滚角进行了分析，并计算出临界侧滚角和临界超高率。罗宝良[8]基于MATLAB/SIMULIK软件建立了单轨车辆动力学模型，在无侧风和有侧风载荷作用下分析了不同工况下的运行平稳性。Maclel[9]研究了不同车轮的建模方法对车辆动力学仿真计算的影响，结果表明车轮径向力对于单轨车辆的建模计算有重要影响。杜子学等[10]运用SIMPACK动力学仿真软件建立了跨坐式单轨车辆的整车动力学仿真模型，采用Sperling方法对车辆平稳性指标进行评价。周君锋[11]通过仿真分析了多种轨道不平顺下的重庆单轨车辆平稳性指标。

目前国内外学者对跨座式单轨车辆动力学性能的研究主要集中在理论仿真方面，现场试验研究较少，导致本文跨座式单轨车辆的动力学研究缺乏足够的试验数据，也未形成针对性的动力学标准。本文国内自主设计研发的单轴跨座式单轨车辆为研究对象，在借鉴相关标准的基础上系统开展现场动力学试验，其测试结果为单轨车辆的动力学性能优化研究提供了重要的参考，同时也为相关动力学标准的制定提供支撑。

1 车辆结构及动力学测试内容

1.1 车辆及转向架结构

本次试验对象为自主设计的单轴跨座式单轨车辆，如图1所示。车辆编组形式为3编组，前后车带司机室。考虑到车辆编组结构的对称性和车辆运行往返特性，本文针对前司机室和中间车辆进行动力学测试。该车辆采用单轴转向架，转向架主要由走行轮、稳定轮、导向轮、构架、牵引装置、抗点头装置、二系悬挂系统等结构组成，走行轮、导向轮和稳定轮数量分别为2个、4个和2个，转向架结构如图2所示。与传统的双轴跨座式单轨转向架相比，单轴转向架具有更好的曲线通过性能，走行轮胎在通过曲线时侧偏角度更小，同时导向轮和稳定轮的载荷也有所降低，能有效减小走行轮胎和导向稳定/轮胎的磨损，从而达到降低运营成本的目的。转向架采用单拉杆牵引方式，考虑到单轴转向架的特点，独立设置抗点头扭杆用于抑制构架相对于车体的点头运动，同时设在二系设置横向和垂向减振器，有效衰减构架和车体之间的振动。为了降低车体重心，提高车辆的抗倾覆性能，将空气弹簧布置在构架两侧且低于轨面。

图1 测试车辆

图2 转向架结构图

1.2 动力学测试内容

车辆动力学性能是指车辆在运行过程中，车辆运行安全性指标以及乘客乘坐体验等指标，在车辆设计和运用中十分关键。

由于目前没有专门针对跨座式单轨车辆的动力学标准，本文在国内外跨座式单轨车辆运用经验的基础上，结合该车辆转向架的结构特点，借鉴GB/T 5599－2019[12]，对车辆运行稳定性、运行品质、运行平稳性和乘坐舒适度进行评估，以上指标均通过设置加速度传感器获取不同位置的振动加速度来进行评价。

依据GB/T 5599－2019，在车体内部不同位置安装8个三向加速度传感器，测点布置如图3所示。

其中测点1至测点8的位置分别为头车司机座椅下方地板面、头车第一位转向架上方地板面、头车中间座椅下方、头车第二位转向架上方地板面、中间车第一位转向架上方地板面、中间车中间座椅下方、中间车第二位转向架上方地板面、中间车后排座椅下方，如图4和图5所示。另外，在构架上安装1个横向加速度传感器，具体安装位置如图4所示。以上加速度传感器安装在不同的位置，其测量数据用于评估不同的车辆动力学性能。

图3 车体加速度测点位置示意图

图4 中间车座椅下方传感器安装位置

图5 传感器布置实物图

2 运行稳定性测试结果

对于传统的铁道车辆来说，由于轮轨关系的特殊性，始终存在轮轨蛇行问题，当蛇行失稳时，车辆有脱轨倾覆的危险，因此对车辆横向稳定性的评估十分重要。根据GB/T 5599－2019，车辆的横向稳定性用于评定转向架是否发生了不能迅速衰减的连续横向振荡，通常采用转向架构架横向振动加速度进行评价，当加速度峰值有连续6次以上，达到或超过8 m/s2时，判定转向架未发生横向失稳[13]。

图6 构架上传感器布置位置

跨座式单轨转向架采用的是橡胶轮，其轮轨关系不存在蛇行失稳的问题，但是车辆在运行过程中，会出现导向轮和稳定轮连续脱离轨道梁侧面，对车辆运行安全性和抗倾覆能力产生一定的影响，因此本文借鉴GB/T 5599－2019中对横向稳定性的评估方法，对跨座式单轨车辆的运行稳定性进行测试和分析。

利用安装在构架上的加速度传感器对构架横向振动加速度进行实时连续采样，并对加速度数据进行0.5～10 Hz带通滤波，其中车辆最高试验速度为90 km/h，载荷工况包括AW0工况和AW3工况。根据测试结果分析可知，随着跨座式单轨车辆运行速度的不断提高，构架横向加速度逐渐增大，在速度为90 km/h时加速度达到最大值。跨座式单轨车辆在AW0和AW3工况下以90 km/h速度运行时，构架横向振动加速度如图7所示，其他速度下的构架横向振动加速度由于篇幅限制不再展示。

可以看出，AW0和AW3工况下的构架横向加速度幅值相差不大，两种工况下的构架最大横向振动加速度虽然都超过了8 m/s2，但是并未出现连续6次以上达到或超过8 m/s2，因此判定车辆转向架未发生失稳现象。

图7 运行稳定性测试结果

3 运行品质测试结果

根据标均值与标准差可以求得：

考虑到车辆实际布置情况，选择对测点2、4、5、7进行运行品质的评估，以上测点在AW0和AW3工况下的运行品质如图8和图9所示。可以看出：跨座式单轨车辆在30～90 km/h速度范围内运行时，车体横向和垂向振动加速度评价值整体呈上升趋势，测点2的加速度幅值最小，而测点5的加速度幅值最大，说明中间车的横向振动加速度和垂向振动加速度大于头车；AW0和AW3工况下车体横向振动加速度和垂向振动加速度均小于2.5 m/s2，运行品质满足GB/T 5599－2019要求；AW3工况下的车体最大振动加速度值出现在70 km/h左右，主要原因是在该速度下的车辆振动频率与线路固有波长对应的频率相近，产生共振现象。

图8 AW0工况下的运行品质

图9 AW3工况下的运行品质

4 运行平稳性测试结果

运行平稳性是衡量乘客乘坐舒适度的重要指标，国内外车辆动力学标准中采用不同的评估方法。本文借鉴GB/T 5599－2019，车辆运行平稳性分别使用平稳性指标和舒适度指标进行评价。

4.1 平稳性指标

平稳性指标的计算公式为：

式中：为平稳性指标；为振动加速度，m/s2；为振动频率，Hz；为频率修正系数，如表1所示。

表1 频率修正系数

根据GB/T 5599－2019，平稳性指评定等级如表2所示。对于新造车辆，一般要求评定等级在良好及以上。

表2 平稳性指标等级表

考虑到车辆实际情况，本文选择对测点1、4、5、7的加速度数据进行处理，并进行运行平稳性评估。以上测点在AW0和AW3工况下的运行平稳性如图10和图11所示。分析结果表明：车辆在AW0状态下，在90 km/h速度范围内运行时，横向平稳性指标均小于2.5，评价为优级；在速度达到或超过80 km/h后，垂向平稳性指标大于2.5，但未超过2.75，评价等级为良好。车辆在AW3工况下，90 km/h速度范围内横向和垂向平稳性指标均未超过2.75，垂向平稳性指标最大值出现在70 km/h时；测点1的平稳性指标较小，而测点5的平稳性指标较大。整体来看，车辆在AW3工况下的运行平稳性略差于AW0工况，同时中间车的运行平稳性较头车差，规律与运行品质类似。

4.2 舒适度指标

舒适度N的简化计算公式为：

图11 AW3工况下的平稳性指标

由于人体结构较为复杂，对不同方向和不同频率的加速度敏感程度不同，所以在舒适度的计算中需要对采集的加速度数据进行频率加权处理，使计算结果更加符合真实情况。对于简化算法，方向和方向需要进行带通滤波和权重滤波，方向需要进行带通滤波和权重滤波。标准中使用传递函数方式进行滤波处理，其中的转移函数为：

的转移函数为：

的转移函数为：

上述各转移函数中各项参数的取值如表3所示。

表3 转移函数中参数取值

根据GB/T 5599－2019，舒适度指标等级如表4所示。

表4 舒适度指标等级表

结合标准规定和车辆实际情况，本文选择中间车体中部为舒适度测点位置，即测点3和测点6。车辆在AW0和AW3工况下的舒适度指标如表5所示。可以看出：

（1）在AW0状态下，40 km/h速度范围内舒适度指标均小于1.5，达到非常舒适标准，在90 km/h速度范围内，舒适度指标均小于2.5，达到舒适标准；

表5 两种工况下舒适度指标

（2）在AW3工况下，50 km/h速度范围内舒适度指标达到非常舒适标准，90 km/h速度范围内舒适度指标达到舒适标准；

（3）整体来看，头车的乘坐舒适度较中间车差。

通过对比头车的和中间车的运行平稳性，可以看出平稳性指标和舒适度指标呈现相反的趋势，头车的平稳性指标较小，舒适度指标较大，而中间车刚好相反。出现这种规律的原因与两种评价指标的计算方法有关。平稳性指标对横向和垂向加速度分别进行采集，同时设置不同的频率修正系数，分别形成横向平稳性指标和垂向平稳性指标。而舒适度指标同时对纵向、横向和垂向加速度进行采集，并综合考虑各个方向加速度的权重，最终形成一个舒适度指标值。因此，为了综合评估车辆的乘客乘坐舒适性，应同时采用平稳性指标和舒适度指标进行评估，使评估结果更为全面。

5 结论

为了全面评估单轴跨座式单轨车辆的运行动力学性能，本文在借鉴相关标准的基础上，通过现场测试方式，针对车辆运行稳定性、运行品质、运行平稳性等指标系统开展了动力学试验，结论如下：

（1）车辆在AW0和AW3工况下的构架横向加速度幅值相差不大，当车辆运行速度为90 km/h时，两种工况下的构架最大横向振动加速度均超过了8 m/s2，但未出现连续 6 次以上达到或超过8 m/s2，因此车辆转向架未发生失稳现象。

（2）车体横向振动加速度和垂向振动加速度在90 km/h速度范围内均小于2.5 m/s2，运行品质满足标准要求，由于线路共振等原因，车体的最大振动加速度值出现在70 km/h左右。

（3）车辆在90 km/h速度范围内横向和垂向平稳性指标均未超过2.75，达到良好等级，中间车的平稳性较头车差；舒适度指标均达到舒适标准，头车的乘坐舒适度较中间车差。为了更全面评估乘客乘坐舒适度，应综合使用以上两种方法进行评估。

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Experimental Study on the Dynamic Performance of Straddle Monorail Vehicles

LI Yunlong，ZHANG Yang

(China Railway New Communication Investment Co.,Ltd., (Hefei),Hefei 231699, China)

For a certain type of straddle-type monorail vehicle, by arranging acceleration sensors on the car body and frame, the acceleration data of the vehicle is collected when the vehicle is empty and fully loaded. Based on the GB/T 5599-2019 standard, the vehicle's running stability, running quality, sperling index and comfort index are evaluated. Field test results show that within the speed range of 90km/h, the bogie has no instability, the acceleration of the lateral and vertical vibration of the vehicle body are both less than 2.5 m/s2, and the lateral and vertical sperling indexes are both reach the excellent or good grade, and the comfort index reach the comfort standard. The stability of the middle car is worse than that of the lead car, and the ride comfort of the lead car is worse than that of the middle car. Therefore, it is necessary to comprehensively use the stability index and the comfort index to comprehensively evaluate the ride comfort of the passengers. In general, the straddle-type monorail vehicle has excellent dynamic performance and meets the design requirements.

straddle-type monorail；dynamical test；acceleration；stationary；stability

U121

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.008

1006-0316 (2022) 01-0053-08

2021-06-10

李耘茏（1976－），男，陕西延安人，高级工程师，主要从事轨道交通车辆研发工作，E-mail：liyunlong@ crhntc.com。