轻量化铰接跨座式单轨列车故障工况动力学性能研究

舒伟明，王孔明，周建成，杨阳

（1. 南昌轨道交通集团有限公司，南昌 330038；2.中铁二院工程集团有限责任公司科学技术研究院，成都 610031；3.中车齐齐哈尔车辆有限公司大连研发中心，辽宁大连 116052）

0 引言

随着我国经济的快速发展，交通拥堵的城市病逐渐向中小城市蔓延。国内中小型城市以及旅游景区对便捷高效、经济适用的交通系统需求急迫[1-2]。跨座式交通系统具有适应能力强、噪声低、占用道路资源少等优点，在国内外得到较多的应用，对解决交通拥堵问题起到显著作用[3]。

传统中大型跨座式交通系统建设成本较高，运营维护过程中存在诸多问题，使其在中小型城市以及旅游景区推广和应用受限。因此，亟需一种新型的轻量化跨座式单轨交通系统来满足广阔的市场需求。

车辆作为轨道交通系统的重要组成部分，轻量化的列车是跨座式单轨交通系统是否能够实现轻量化、经济适用的关键[4]。本研究提出一种新型的铰接式跨座式单轨列车方案，分析列车在故障工况下的列车动力学性能指标，并给出列车在故障工况下运行建议。

1 铰接跨座式单轨车辆方案

1.1 车辆编组

列车采用4辆编组，如图1所示。列车共有5个转向架，比传统非铰接式列车减少3个转向架，有效地降低车辆总重，降低车辆投资。

图1 列车编组图

列车有铰接转向架和非铰接转向架两种形式，两端车前端坐落在非铰接转向架上，后端通过铰接转向架与另外一个车体相连接。中间车辆两车体共用一个转向架。在进行车辆运行平稳性分析时，前后观测点以及1位、4位转向架在图1中标出。

1.2 主要技术参数

列车主要技术参数列于表1，车辆采用4辆编组，列车两端车钩连挂面之间长度为37.82 m，列车走行轮、减振器、沙漏簧刚度等参数通过动力学性能优化得到。

表1 列车主要技术参数

2 车辆动力学模型

在多体动力学软件UM中建立4编组铰接式跨座式单轨列车动力学模型，如图2所示。在动力学模型考虑了轮胎刚度、沙漏弹簧刚度阻尼、减振器的阻尼特性、牵引拉杆和横向止挡的力学特性等因素[5-6]。

图2 非铰接单轨转向架

3 故障工况动力学性能研究

轻量化铰接跨座式单轨列车采用沙漏橡胶垫，沙漏橡胶垫性能相对稳定，基本不会出现故障。因此本列车在运行过程中可能出现的故障为爆胎、垂向减振器失效和横向减振器失效，分析不同工况条件下车辆动力学性能。

3.1 爆胎工况下

轻量化铰接跨座式单轨列车所采用的车轮主要包括轮胎、防爆支撑体、轮毂、胎压监测装置，以及轮毂与防爆支撑体之间的橡胶垫。当轮胎爆胎时，内部支撑体具有一定的支撑作用，保证车辆安全行驶。但是由于轮胎具有一定的减振作用，轮胎爆胎后车辆运行平稳性以及曲线通过性能将会受到一定的影响，对轮胎爆胎后不同条件下的车辆运行性能进行分析[7]。

3.1.1 直线sperling平稳性指标

分别计算各转向架不同车轮爆胎情况下不同车辆的平稳性指标，运行速度为30～70 km/h，在两侧导向面及走行面设置轨道不平顺。计算结果显示，当端车非铰接转向架轮胎爆胎时列车整体平稳性指标最差，端车的平稳性指标最大；其他轮胎爆胎后列车平稳性指标相似。因此，以图1中1位、4位转向架为例，给出轮胎爆胎情况下列车平稳性指标。

1位转向架轮胎爆胎车辆平稳性指标如图3所示，爆胎情况下前后观测点横向平稳性指标较正常工况下平稳性指标分别增加了约0.89～1.06和0.35～0.43，前后观测点垂向平稳性指标较正常工况下平稳性指标分别增加了约0.77～1.13和0.49～0.77。当车辆运行速度为50 km/h时，车辆横向、垂向平稳性指标均超过了GB 5599-85中优等级的限定值2.5。

图3 平稳性指标（1位转向架轮胎爆胎）

4 位转向架轮胎爆胎车辆平稳性指标如图4所示，爆胎情况下前后观测点横向平稳性指标比正常工况下平稳性指标分别增加了约0.73 ～0.88和0.79～0.77，垂向平稳性指标较正常工况下平稳性指标分别增加了约0.54 ～0.72和0.42～0.77。4位转向架轮胎爆胎对车辆横向平稳性的影响小于1位转向架轮胎爆胎对车辆平稳性的影响。当车辆运行速度为50 km/h时，车辆横向指标均超过了GB 5599 -85 中优等级的限定值，当车辆运行速度为7 0 km/h时垂向平稳性超过2.5。

图4 平稳性指标（4位转向架轮胎爆胎）

综上分析，在任意轮胎爆胎的工况下，为保证人员运行安全及车辆平稳性要求，建议车辆运行速度不超过40 km/h。

3.1.2 曲线通过性能

对不同转向架、不同轮胎爆胎情况进行分析，以4位转向架为例，研究列车运行速度为20～40 km/h时单一轮胎爆胎通过100 m半径曲线时轮轨垂向力、导向轮径向力、稳定轮径向力、修订的倾覆系数等指标变化。为方便描述，定义转向架曲线外侧前车轮为1号轮、曲线内侧前车轮为2号轮、曲线外侧后车轮为3号轮、曲线内侧后车轮为4号轮。

1～4号单一车轮爆胎其他车轮轮轨垂向力计算结果如图5所示，分析可知，爆胎后轮轨作用力最大值约为正常工况下的2倍。主要是由于原来有2个轮胎承担的力，爆胎后将变成由1个车轮承担。轮胎故障后将会对另外一个轮胎提出更高的要求，在进行车辆设计时应考虑轮胎在故障工况下的承载能力。

图5 轮轨垂向力

1～4 号单一车轮爆胎情况下，导向轮径向力、稳定轮径向力、修订的倾覆系数计算结果如图6～图8所示。比正常工况下导向轮径向力、稳定轮径向力、修订的倾覆系数均大幅增加，当速度为35 km/h时，修订的倾覆系数大于1，说明稳定轮已经脱离轨面，运行不再安全。因此建议车轮胎爆胎工况下运行速度不超过30 km/h。

图6 导向轮径向力

图8 修订的倾覆系数

根据上述方法研究不同曲线半径轮胎爆胎条件下列车限速情况，计算结果表明，当曲线半径大于200 m时，列车运行速度建议小于40 km/h。

图7 稳定轮径向力

3.2 垂向减振器失效

分别研究不同转向架不同位置垂向减振器失效对车辆平稳性的影响，计算结果显示，不同减振器失效对车辆平稳性的影响基本相同。某位置减振器失效后前后观测点的横向、垂向平稳性指标如图9～图10所示。计算结果显示，单一减振器失效列车运行平稳性变差，在设计速度80 km/h以下运行时车辆运行平稳性指标均小于2.5限值。

图9 横向平稳性指标

图10 垂向平稳性指标

3.3 横向减振器失效

横向减振器失效对车辆平稳性的影响与垂向减振器失效对车辆平稳向影响规律相同。某位置横向减振器失效后前后观测点的横向、垂向平稳性指标如图11～图12所示。计算结果显示，单一减振器失效列车运行平稳性变差，在设计速度80 km/h以下运行时车辆运行平稳性指标均小于2.5限值。

图11 横向平稳性指标

图12 垂向平稳性指标

4 结论

利用多体动力学分析软件建立轻量化铰接式跨座式单轨列车故障工况动力学分析模型，研究列车在爆胎，垂向减振器、横向减振器失效等工况下的列车动力学性能。分析结果显示，爆胎直线工况下，当车辆运行速度为50 km/h时，车辆横向、垂向平稳性指标均超过优等级的限定值2.5，推荐运行速度不超过40 km/h。曲线工况时半径大于200 m时列车运行速度建议小于40 km/h，曲线半径大于200 m时列车运行速度不大于30 km/h。单一减振器失效，在设计速度80 km/h以下运行时车辆运行平稳性指标均小于2.5限值，列车可按正常工况下速度运行。