（车辆工程专业论文）跨坐式单轨交通列车动力学仿真研究.pdf

中文摘要 摘要：单轨交通作为一种短距离、适应中小客流量的轨道交通系统，具有建 设费用低、轮轨接触噪声小、能够适应很小曲线和较大坡道等方面的优点，特黝 适应山城、中小城市轨道交通的建设。我国重庆市首次引进日本技术，将跨座式 单轨作为首选的城市轨道交通方式。 车辆在运行过程中由轨道不平顺引起的随机振动影响着车辆运行的各种动态 响应，利用计算机仿真方法可以预测车辆的运行平稳性和其它动力学性能。本文 利用机械动力学仿真软件a d a m s 建立了跨坐式单轨列车车辆轨道模型，对四车 连挂列车进行了动态仿真，研究了车钩缓冲装置对其动力学性能的影响。 首先，根据重庆跨坐式单轨车辆动力学参数，在a d a m s 中利用s p l i n e 样条 曲线和轨道谱数据建立走行轮、导向轮、稳定轮轨道模型；通过单车和车钩连接 装置的建模完成列车模型；在轮轨接触模型的建立过程中考虑橡胶轮胎特殊的动 力学性能，最终建立完整的单轨列车车辆轨道模型。仿真得到加速度数据与重庆 实验数据基本一致，从而验证了模型的正确性。 然后，在不同运行速度下对单节车和列车分别进行仿真，输出加速度曲线与 相对位移曲线，并计算斯佩林平稳性指标。分析结果表明车钩缓冲装置能有效抑 制车辆的垂向和横向振动，提高车辆的运行平稳性。 最后，通过分析相同仿真速度下，车钩采用不同垂向和横向减振阻尼系数时 列车的平稳性指标，考察不同阻尼系数对列车垂向和横向平稳性的影响。研究表 明，当车钩采用适当的横向和垂向减振系数时，可明显减小列车的随机振动响应， 提高列车的运行平稳性。 图6 5 幅；表1 4 个：参考文献3 9 篇 关键词：跨坐式单轨列车；动力学仿真；车钩缓冲装置；平稳性 分类号：u 2 3 2 ：u 2 6 0 1 1 j 匕塞銮遵太堂亟堂僮i 金塞旦墨! b 堡至 a bs t r a c t a b s t r a c t ：m o n o r a i lt r a f i i cs y s t e mi sas h o r t - d i s t a n c er a i lt r a n s i tw h i c hi ss u i t a b l e f o rs m a l la n dm e d i u mp a s s e n g e rf l o wv o l u m e i th a sal o to fc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o w c o n s t r u c t i o nc o s t ，s m a l lw h e e l s e tn o i s e ，g o o dn e g o t i a b i l i t yo fs m a l lc u r v ea n dl a r g e g r a d i e n t 仃a c k b a s e do nt h ea b o v e ，i ti sv e r yf i tf o ru r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mi ns m a l la n d m o u n t a i nc i t i e s c h o n g q i n gi n t r o d u c e sj a p a n e s et e c h n i q u e sf o rt h ef i r s tt i m et oa d a p t s t r a d d l e - t y p ea st h ep r e f e r r e dm o d e r a n d o mv i b r a t i o nr e s u l t e df r o mr a i li r r e g u l a r i t yd u r i n gv e h i c l er u n n i n ga f f e c t sv a r i o u s d y n a m i cr e s p o n s e so fv e h i c l eb e h a v i o r c o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o dc a nb eu s e dt o p r e d i c tr u n n i n gs t a b i l i t ya n do t h e rd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i st h e s i s ，v e h i c l e - t r a c k m o d e lo fs t r a d d l e - t y p em o n o r a i lt r a f f i cw a sb u i l ti nm e c h a n i c a ld y n a m i c ss i m u l a t i o n s o f t w a r ea d a m s t r a i nw h i e l ic o n s i s t so ff o u rc a r sw a ss i m u l a t e da n dt h ee f f e c to f c o u p l e ro nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a i nw a ss t u d i e d f i r s t ，a c c o r d i n gt op a r a m e t e r so fc h o n g q i n gs t r a d d l e t y p em o n o r a i ls y s t e m ，t r a c km o d e l f o rr u n n i n gw h e e l s ，d i r e c t i v ew h e e l sa n ds t a b l ew h e e l sw e r eb u i l tb ys p l i n ec u r v ea n d p s dd a t a v e h i c l em o d e lw a sb u i l tb a s e do ns i n g l ec a ra n dc o u p l e r s p e c i a ld y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i co fr u b b e rt i r ew a sc o n s i d e r e dd u r i n gb u i l d i n gw h e e l r a i lc o n t a c tm o d e l f i n a l l y , c o m p l e t ev e h i c l e - t r a c km o d e lw a s b u i l t a c c e l e r m i o n so b t a i n e db ys i m u l a t i o n w e r ei na c c o r dw i t hc h o n g q i n gt e s td a t a ，w h i c hv a l i d a t e dt h a tt h em o d e li sc o r r e c t s e c o n d ，s i n g l ec a ra n dw h o l et r a i nw a ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l ya td i f f e r e n ts p e e d t h e e f f e c to fc o u p l e ro nv e h i c l es t a b i l i t yw a sa n a l y z e db yc o m p a r i n ga c c e l e r a t i o n ，r e l a t i v e d i s p l a c e m e n ta n ds p l i n es t a b i l i t yi n d e x t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o u p l e rc a ne f f e c t i v e l y r e s t r a i nv e r t i c a la n dl a t e r a lv i b r a t i o no fv e h i c l ea n di m p r o v ev e h i c l es t a b i l i t y f i n a l l y , c o u p l e rw i t hd i f f e r e n tv e r t i c a la n dl a t e r a ld a m p i n gc o e f f i c i e n t sw e r es i m u l a t e d a tt h es a m es p e e d t h ee f f e c to fd a m p i n gc o e f f i c i e n to nt r a i nv e r t i c a la n dl a t e r a ls t a b i l i t y w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts u i t a b l ev e r t i c a la n dl a t e r a ld a m p i n gc o e f f i c i e n t c a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et r a i nr a n d o mv i b r a t i o nr e s p o n s e sa n di m p r o v et r a i ns t a b i l i t y k e y w o r d s ：s t r a d d l e - t y p em o n o r a i lt r a i n ；d y n a m i c ss i m u l a t i o n ；c o u p l e r ；s t a b i l i t y c l a s s n o ：u 2 3 2 ：u 2 6 0 11 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：痢签字慨掰年睑月，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阕和借阕。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字9 期沙。g 年f 月1 2 n 导师签名刁亥 签字同期：u 。彩年f 2 ，月幻日 致谢 本论文的工作是在我的导师何庆复教授的悉心指导下完成的，何庆复教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 何庆复老师对我的关心和指导。 柳拥军副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘晓芳、靳晓波等同学对我论文中的仿真研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 单轨交通概述 1 绪论 随着道路交通污染的加剧和人类环境保护意识的加强，越来越多的国家和地 区意识到发展城市交通系统的重要性。准时、大运量、高密度、污染小、具有较 好的可持续发展特征、能提供更安全、舒适、方便的乘车条件的城市轨道交通越 来越受到人们的青睐。而单轨交通系统对复杂起伏的地形有较强的适应性，土地 占用量小，运输量适中，造价适中，以其自身的特殊适应性成为中小城市、海滨 城市和山城轨道交通首选型式之一。 1 1 1 单轨交通系统的发展及现状 单轨交通( m o n o r a i l ) 的历史悠久，它的发明可以追溯到1 8 0 多年前。根据现有的 纪录，英国人h e n r yp a l m e r 在1 8 2 1 年即开始发展单轨系统。1 8 2 4 年p a l m e r 先生在伦 敦码头区布设单轨系统轨道用以运载货物，号称世界上第一个单轨系统。当时的 轨道梁是以木料制成，将车厢跨座在木轨上并以马匹拉动。 1 8 8 8 年法人c h a r l e sl a r t i g u e 在爱尔兰建造了一条1 5 公里长的客货两用跨座式 单轨系统，以由两个汽锅连接组成的蒸气机车带动，是世界上第一个动力式单轨 系统j 。该系统平均运行速率2 8 公里川、时，最高可达4 3 公里d , 时，运营了将近三 十六年，至1 9 2 4 年才停业。1 8 9 3 年德国人e u s e nl a n g e n 开始研究发展悬挂式的单轨 系统，利用电力驱动方式，完成1 3 3 公里长的都市公共运输系统，称为l a n g e n 式或 w u p p e r t a l 式单轨系统【2 】。该系统一直持续运行至今，始终无任何伤亡记录，被列 为世界高效率运输系统之一。其后，1 9 5 2 年瑞典a x e l w e n n e r g r e n 发明了跨座式 单轨，并被命名为a l w e g 型单轨；1 9 6 0 年法国企业管理研究公司( s a f e g e ) 及与 其有关的1 0 家公司，在法国国有铁道和巴黎捷运局( r a t p ) 共协作下，共同开发 研究了悬挂型单轨，并被命名为s a f e g e 型单轨。但日本是世界上第一个应用 ”s a f e g e i i 型单轨系统的国家，于1 9 6 4 年在名古屋的东山动物园建造了4 7 0 公尺长 的游园路线。a l w e g 型及s a f e g e 型遂成为现代化单轨系统的两大技术主流。 日本自1 9 5 0 年开始研究引进单轨系统，并朝着作为未来有效的都市运输系统 的方向进行。从1 9 6 1 至1 9 6 6 年的五年间是日本单轨系统迈步发展的时代。在这段 期间内，外国的单轨技术如a l w e g 型、s a f e g e 型以及美围洛克希德公司发展的 韭宝窑道厶生硬 堂焦监塞缝业 l o o k h e e d 型陆续引入，同时h 本本地盼工业厂商如东芝、日立、三菱重工也加紧 配合研究发展适合本土应用的单轨系统吼1 9 6 4 年配合东京世运会举行，长达1 31 公里的羽田线终于首次达成前述的发展目标，将单轨系统带入大规模的都市公共 运输境界。藉1 9 7 眸大阪万国博览会以展示都市单轨新技术的目标下，完成了环 绕会场43 公罩长的跨座式单轨道线忆 此后由于跨座式单轨车辆在强风条件下比悬挂式单轨车辆更加稳定，因此跨 座式单轨车辆逐渐发展成一种具有中等运量的轨道交通系统，在世界范围内的多 个国家得以应用。截至到2 0 0 4 年，跨座武轨道交通共有1 3 条线投人城市公交运营， 大多数在日本。日本的主要城市基本都有单轨交通系统。 我国的重庆市首次引进日本技术，将跨座式轨道交通作为酋选的城市轨道交 通方式，并开始必建我国第一条跨座式轨道交通系统，是国家确定的西部开发十 大基础设施项目之一，也是重庆市跨世纪的重点工程。它对改善重庆市城市交通 阻塞状况、改善居民出行条件、优化重庆投资环境、实施中央西部大开发战略均 具有十分重要的意义。且随着重庆市新跨江大桥的建设，即将实现跨江运营的单 轨交通线路。因此，有关跨座式单轨交通体系的各种问题的研究逐渐引起工程界 和学术界的重视。 1 12 单轨交通的分类和特点 所谓单轨就是使用橡胶轮胎的车辆跨座或悬挂在一条走行道路上即轨道梁上 运行的交通工具。单轨交通从构造上可分为跨座式和悬挂式两种，跨座在轨道粱 上运行的单轨称作跨座式单轨( s 咖d d l 州y p e ) ( 见图11 ) ，其车体的重心在走行轨道 的上方；运行在轨道框架上的转向架下垂悬挂车体的单轨称作悬挂式单轨 ( s u s p e n d e d t y p e ) 5 1 ( 见图12 l 车体的重心在走行轨道的下方。 图l1 跨座式单轨交通【i f i gl 1 s t r a d d l e - t y p e 图12 悬挂式单轨交通 f i g1 2s u s p e n d e d - t y p e 单轨交通作为一种短距离、适应于中小客流量的轨道交通系统，具有以下几 方面的优点： 1 、跨座式单轨交通的输送能力适中。从工程投资来看，单轨交通工程费用较 低，车辆及整个系统的先进性与一般城市轨道交通系统完全可以相提并论。因此， 具备作为城市轨道交通的技术条件。 2 、跨座式单轨交通转弯半径小，爬坡能力强，灵活性较高，可以适应复杂地 形的要求。单轨交通主要是高架结构，占地面积小，使城市宝贵的空间得到充分 利用。 3 、采用橡胶轮胎，所以振动和噪音大大降低。跨座式单轨交通线路对城市环 境和景观影响相对较小，由于车辆与轨道的特殊结构，在轨道梁两侧均有起稳定 的导向轮，能确保运行安全。 4 、对乘客来讲，乘车环境与地铁不同，其通风、采光、眺望条件好，是一种 舒适的乘行工具 7 3 。 单轨交通与其他轨道交通方式的特点对比见表1 1 。 表1 1 四种形式的轨道交通的特剧8 】 t a b l 1c h a r a c t e r i s t i co f f o u rt y p eo f r a i lt r a n s i t 项目地铁轨道交通轮轨轻轨交通单轨轻轨交通磁悬浮轨道交通 工程造价较高适中 适中 较高 地下，且可开挖性地面平坦的市内、地势起伏的市内、地面平坦的市郊 地理环境条件 的市内线路市郊线路市郊线路线路 运量较大一般一般较少 最高速度( 1 【l n 厢) 8 0 1 0 08 0 - - 1 0 0 7 0 8 0 3 5 0 5 0 0 最大密度( 列h ) 2 0 - - - 4 02 0 4 02 0 3 0 1 5 2 5 最大坡度( ) 4 03 08 01 0 最小半径( m 3 0 02 0 05 0l 0 0 0 最大小时客流量 322 1 5 ( 万人次胁) 3 1 2 跨坐式单轨交通动力学的研究现状 关于轨道交通的车一桥耦合问题的研究是世界范围内的热点研究问题，已经 有一系列的研究成果，中、外的很多文献中都出现过车桥相互作用的有限元模型。 如：我国北京交通大学的夏禾教授就曾建立过三维斜拉桥有限元模型，研究其与 运行车辆之间的动力相互作用【9 1 ；l e i 和n o d a 也用有限元方法建立了机车、桥梁耦 合的动力计算模型【1 0 j ；j u 和l i n 则研究了高速列车通过拱桥时的动力性能【i l l 。然 而，关于单轨交通车辆的动力学、车桥耦合动力相互作用、安全性及舒适性评估 问题却始终缺乏系统研究。 过去的二十几年间，日本的单轨交通体系作为一种新的轨道交通体系，成为 解决主要城市交通拥挤问题的重要工具，日本的东京、大阪、多摩、北九州、冲 绳等地都有跨座式单轨交通线路在运营，其他国家兴建的单轨交通系统也多引用 和参照日本的经验、技术，因此，目前关于跨座式单轨交通动力学和车桥耦合问 题的研究也主要见于日本。 与其他轨道交通工具相比，跨座式单轨交通车辆的转向架很独特，其走行轮 与稳定轮紧紧“抱 住轨道梁，而单轨车辆的重量能达到轨道梁重量的5 0 ，因 此，跨座式单轨交通的动力学及车桥动力相互作用问题亦有其独特之处，其车辆 的横向振动和侧滚会对桥梁的动力响应造成较大影响，即跨座式单轨交通中车辆 与轨道梁之间的动力相互作用较大，这就使得单轨车辆的安全性、舒适性评估问 题也成为新的突出问题。 文献 1 2 】是目前所能查阅到的最早对单轨车辆曲线通过进行仿真分析研究的 文献，其所建立的单轨车辆动力模型中将车体和两转向架( 机车转向架和拖车转向 架) 假定为有横向、侧滚和偏航自由度的刚体，转向架通过空气弹簧和横向阻尼器 组成的二系悬挂装置与车体连接。空气弹簧由并联的弹簧和阻尼器来模仿。文献 假设曲线通过时在轮胎上产生轮胎径向力和轮胎接触力，其中径向力因导轨的曲 率和超高引起，接触力因轮胎接触区域的滑移而产生，分别建立起走行轮、导向 轮和稳定轮的轮胎模型，用多体动力学方法推导了动力运动方程，并对单轨车辆 以4 4 2 m s 速度通过5 0 m 等半径、4 超高曲线时的情况进行了仿真分析。结果表明 机车转向架的导向轮径向力比拖车转向架的大，因为机车转向架上由空气弹簧力 产生的偏航力矩方向与拖车转向架的不同，然而由侧向力产生的偏航力矩方向是 一样的。文献研究结果可以用于在实际走行实验之前预测轮胎上产生的作用力和 单轨车辆的曲线特性。 文献 1 3 】通过与传统轨道梁列车通过时的动力响应进行对比，找寻更为合理的 轨道梁结构形式，并对单轨列车的乘座舒适度进行了评价。文献将每个车体( 包括 4 转向架、走行轮、导向轮和稳定轮简化为1 5 自由度的车辆模型，可以描述沉浮、 点头、摇头、测滚、偏航等运动( 但忽略了沿车厢纵向的运动) ，提取桥梁有限元模 型的模态结果，建立了车一桥系统的三维有限元模型，根据l a g r a n g e 方程推导了 车一桥系统的动力学方程，建立了合理的轮轨接触关系，编制了相应的动力计算 程序，考察列车速度、旅客数量等参数变化对车辆舒适度的影响。文献 1 3 】的研究 表明，桥梁横向动力响应的幅值随列车运行速度的增加而增大，随旅客人数的增 多而减小。 我国对单轨交通各种问题的系统研究开始于重庆单轨交通线路的建立。最初 的文献仅限于静力问题的求解【1 4 1 。【1 6 1 。如文献 1 6 1 分析了在风荷载作用下跨座式单 轨交通系统车辆和轨道梁的受力状态，未考虑风振效应，建立了车辆的静力平衡 方程和轨道梁与车辆之间的变形协调方程，用以研究单轨车辆在上述荷载作用下 轮胎的变形和内力。 文献 1 7 】是国内首篇对单轨交通进行动力学研究的文献。它采用线性化的轮胎 模型建立跨座式独轨车辆的动力学方程。模型考虑了三种轮胎的径向刚度和侧偏 效应以及走行轮的纵向滑转；用面向对象的建模方法，应用m a t l a b s i m u l i n k 软 件，编制了跨座式独轨车辆动力学图形化仿真程序，通过仿真分析跨座式独轨车 辆通过曲线和轨道梁错接头时的响应特性。文献还对确定导向轮和稳定轮的合理 预压力的方法进行了探讨。 由此可见，目前国内外研究者们研究对象仅限于对跨座式单轨单节车辆的研 究，未考虑列车间车辆的相互作用的影响，从文献的仿真数据与重庆实测数据对 比来看存在一定的偏差。 总体来说，目前关于跨座式单轨交通的动力学问题尚缺乏较为系统的研究， 可参考文献数量很少，但有很多其他轨道交通类的类似文献研究思路可以借鉴， 如轮胎模型的简化可以参照文献【l8 2 0 】等。 1 3 研究的内容及任务 重庆市根据自身的特点成为我国第一座选择跨座式单轨轨道交通的城市。重 庆轻轨作为我国首次引进的跨座式轨道交通线，在技术的引进、消化、吸收当中 具有重要的地位。有关跨座式单轨交通体系的各种问题的研究逐渐引起工程界的 和学术界重视。2 0 0 6 年初，重庆市轨道交通总公司委托北京交通大学承担“重庆单 轨交通关节道岔列车通过安全性研究”的专题研究工作，用以分析重庆单轨列车通 过关节型道岔时横向摆动过大的原因和对单轨结构安全及使用寿命的影响程度， 并提出减小横向摆动的建议和措施。并根据需要在重庆1 3 号线进行了实验测试。 5 以往的学者运用单节车进行跨座式单轨车辆的动态仿真，但经过研究发现，实验 结果与仿真数据之间存在一定的偏差，有可能是因为列车间的相互作用引起。因 此，有必要对跨坐式单轨列车进行进一步的研究。 本文研究的主要目的是：通过分析跨座式单轨车辆的结构与运行工况，基于 重庆跨座式单轨车辆的几何参数和物理参数，对跨座式单轨列车进行动力学仿真， 对比分析单车与列车输出加速度、相对位移、计算基于斯佩林平稳性指标，研究 列车运行动力学性能，并研究车钩减振参数对列车运行平稳性的影响。 综合来说，本文的工作主要包括以下几点： 1 系统总结跨座式单轨交通动力学问题的研究 跨座式单轨交通车辆的动力学问题研究具有其独特性，目前国内外尚缺乏相 关系统研究，能够查阅到的文献也很少。本文以日本研究者的研究成果为主，查 阅并翻译了大量文献，系统总结了跨座式单轨交通动力学问题的研究进展及方法， 借鉴并逐渐形成自己完整的研究思路。 2 建立跨坐式单轨列车模型 根据跨坐式单轨车辆建模参数，以车辆结构及各部件约束和力学关系建立可 靠的动力学模型。由此在a d a m s m e w 中建立车体及转向架模型，然后根据各零 部件的连接关系及简化方式建立a d a m s 中相应的约束和力学关系，建立跨座式 单轨单车模型。然后根据车钩连接完成四车连挂，最终建立完整的跨坐式单轨列 车虚拟样机模型。 3 仿真模型的检验 本文对比分析了计算机仿真计算结果与试验测试结果，验证分析模型的正确 性，再根据对比结果对仿真模型进行修正，从而改进仿真结果。 4 车钩缓冲装置对跨坐式单轨列车运行动力学性能影响研究 针对单轨单节车辆和单轨列车车辆分别在5 k m h 、7 k m h 、3 0 k r n h 、4 0 k m h 、 5 0 k m h 、6 5 k m h 、7 5 k m h 匀速运行时进行车辆动力学仿真。对比分析输出加速度 数据、相对位移、计算平稳性指标数据，研究车钩缓冲装置对列车运行动力学性 能的影响。 5 车钩减振参数对列车运行平稳性影响的研究 本文以仿真为基础，通过比较车钩采用不同的垂向、横向减振阻尼系数时输 出的列车垂向、横向加速度，计算平稳性指标，研究车钩减振参数对列车运行平 稳性的影响，为进一步分析和设计车钩提供参考依据。 6 2 跨坐式单轨列车和轨道结构 2 1 车辆及转向架结构 跨坐式单轨车辆结构与其他轨道交通车辆的不同之处主要在于转向架的独特 性，而确定转向架的结构组成及各部分的基本几何参数、物理参数是正确分析车 辆模型，进行精确分析的重要基础。 跨座式单轨车辆的转向架结构和所依据的力学原理与普通铁路列车不同。铁 道车辆属“随遇稳定模式1 2 1 l ”( 如图2 1 所示) ，车辆重心始终处于2 个车轮之间，只 要作用于转向架的合力落在2 s 2 = 1 4 9 3 m m 之内，那么车辆就会自动调整到平稳位 置。但对于跨座式转向架，2 s 2 仅为4 0 0 m m ( 女u 图2 2 所示】，这就很容易失稳，属于 “随遇不稳定 模式。因此，跨座式转向架需要设置稳定轮，由此产生附加横向 力h 1 h 2 从而形成附加反力矩h l x h 2 ，“随遇不稳定”结构转变成“随遇稳定 结 构，以保护车辆的稳定性。 r1 摹 一 - p p l 荽、 ， j 囊f 一【 lr f 琏一i 图2 1 随遇稳定模式图2 2 随遇不稳定模式 f i g 2 1s t a b l em o d e l f i g 2 2n o n s t a t i o n a r ym o d e l 单轨车辆结构与其他轨道交通车辆的不同之处主要在于转向架和轨道梁的独 特性。跨座式单轨车辆转向架结构特殊， 置，由充气橡胶轮胎的弹性替代其作用， 走行装置独特，转向架不设一系悬挂装 空气弹簧安装在构架上直接支承车体， 为无摇枕结构。转向架构架为钢板焊接结构，以构架为中心，转向架由中央悬挂 装置、四个走行轮、四个导向轮、两个稳定轮、驱动装置、基础制动装置、高度 7 j e 噩至堡盍堂亟芏位盐窑墅坐式皇塾到芏塑毡堂缝擅 调整装置、轮胎内压检测装置、牵引电动机等组成，走行轮由橡胶轮胎取代铁道 车辆的钢弗4 车轮，由导向轮实现铁道车辆车轮轮缘的导向作用，稳定轮和导向轮 也使用橡胶轮胎，每个转向架共使用1 0 + 橡胶轮胎f 捌，如阁2 3 、酏4 、图25 、图 2 6 所示。 图2 3 转向架轴侧视图1 2 3 i f i 9 23 & x o n o m e t r i c d r a w i n g o f b o g l e 图2 , 4 转向架中心销离散酎 f i 9 2 4 b o g i ec e n t e r p i ne x p l o d e i n g d r a w i n g 日2 5 转向架中心销构件组合| 皇l f i g25b o w 。叽“t p i na s s e m b l y d r a w i n g 幽2 6 转向架空气弹簧和中心销侧视| 生l f i g26b o g i ea i r s p n n ga n dc e n ”。p i ns i d e v i e w 表2 1 是对图2 3 、图2 4 中所标注的转向架各连接构件编号的说明。 表2 1 转向架各连接构件名称 t a b 2 1b o g i ec o n n e c t i o np a r t sn a m e 转向架连接构件编号连接构件名称 l 车体 2 中心销 3 一号空气弹簧 4 二号空气弹簧 5一号走行轮 6 二号走行轮 7三号走行轮 8 四号走行轮 9 电机一号 1 0 电机二号 1 1 一号导向轮 1 2 二号导向轮 1 3 三号导向轮 1 4四号导向轮 1 5 一号稳定轮 1 6 二号稳定轮 1 7 一号阻尼器 1 8 二号阻尼器 1 9 一号橡胶弹簧 2 0 二号橡胶弹簧 2 1 中心销底座 2 2 转向架 2 3 连接箱 橡胶轮胎在发挥其缓冲效果的同时，由于较高的粘着力，使车辆具有较高的 加速、减速性能，但是不可避免地增大了运行阻力，另外走行轮、导向轮、稳定 1 0 轮都分别备有辅助车轮。为了保证安全，走行轮设内压检测装置，每个轮胎设置1 个内部装有压力检测开关的压力表，将该压力开关的电路并联连接，并且引至滑 环上。导向轮、稳定轮都是尼龙丝橡胶轮胎，充压缩空气，失气检测由设置在轨 道梁侧面的装置完成，走行轮为充氮气的钢丝橡胶轮胎。 无摇枕转向架的主要特点在于其二系悬挂和牵引装置的结构：通过空气弹簧、 横向油压减振器和纵向缓冲器缓和车体的振动，通过中心销、牵引梁、牵引橡胶 传递牵引力和制动力，选择带橡胶堆的低横向刚度的空气弹簧，以改善乘坐舒适 性和通过曲线的性能。 空气弹簧的下部通风口与转向架构架内部附加空气室连接，上部进风口与车 体的管路连接，空气弹簧与附加空气室之间设节流孔，对车体起垂直减振作用。 胶囊下部的叠层橡胶堆可减小车辆通过曲线时胶囊的变形量，因而改善其受力状 况。另外，空气弹簧在无气状态时，此叠层橡胶堆还起垂直减振作用，安装空气 弹簧时，上部进风口和下部通风口的外部表面需涂润滑脂防锈。 中心销插入牵引梁内，传递纵向力，通过与中心销配合的金属套和与牵引梁 配合的聚氟四氯乙烯衬套，中心销可以自由地转动和垂直移动。 2 2 车体及车钩结构 重庆跨坐式单轨列车采用四节联挂，首尾对称的方式编组，具体联接方式为 m c l m 2 一m 3 m c 2 ，如图2 7 所示。 一日一一0 0 非动力转向架 动力转向架 图2 7 重庆跨坐式单轨列车编组形式 f i g 2 7c h o n gq i n gs t r a d d l em o n o r a i lc a rm a r s h a l l i n gc o n f i g u r a t i o n 重庆跨座式单轨列车采用密接式车钩。密接式车钩与一般车钩在构造和作用 上完全不同，为刚性的自动车钩，它要求两钩连接后，其间没有垂向和横向的移 动，而且对纵向的间隙要求限制在很小的范围之内2 4 1 。车钩结构如图2 8 所示。 韭窑煎点堂亟主垃监毫壁坐式茔塾班奎塑丛堂结拉 2 3 轨道结构 图2 8 车钩 f i g2 8 c a r b o d yc o u p l 盯 跨座式单轨交通的轨道粱一般由预应力混凝土铝! | j 盏f 根据需要，大跨度等特殊 情况下有时也采用钢粱或钢一混凝土组合梁) ，标准立柱为钢筋混凝土制造的t 型 结构”。按照地形和用地等条件，有时也采用钢制t 型和门型结构立柱。 图2 弘图2l o 分别为我国重庆单轨系统的轨道梁段面图。如图所示，轨道梁 采用预应力混凝土结构，两并行轨道粱之问设置支撑联接成整体，支承在下部立 柱之上，单个轨道粱横截面形状基本一致，根据车辆不同截面可分为8 0 0 1 4 0 0 m m 或8 5 0 ) c 1 5 0 0 r m n 。重庆单轨轨道梁采用8 5 0 x 1 5 0 0 n l l n 断面，图29 是其应用最多的桥 墩形式。 图2 9 单轨系统t 犁独柱墩 f i g29 t t y p e m o n o p i l l a r 图2l o 单轨系统轨道粱断面目 f i g2i o t r a c ks e c d o n 出a w i n g 道岔是单轨运营线路中很重要的一个部件，尤其是终点车站附近的道岔需要 秆赳 一阿 8 8 露赶喂题 韭塞交通太堂亟堂焦i 金塞堕坐式堕塾到奎塑熟道结捡 频繁的转换，因此，道岔的型式和质量非常关键。道岔梁被稳固地支承在由电动 机驱动并可移动的台车上，其另一端可以移动。按结构不同，道岔可以分为可挠 型道岔和关节型道斜2 卟【2 8 】，多采用钢结构。 2 4 本章小结 本章对跨座式单轨列车车辆、轨道梁、车钩等部件的结构和特点作了简单介 绍；对转向架主要零部件进行了拆解说明并分析了这种转向架的特点；为以后的 建模打下基础。 1 3 韭瘟窑亟盘堂亟堂焦论塞壁庄式堕毡班芏建搓 3 跨座式单轨列车建模 3 1仿真软件的选择 a d a m s 动力学分析软件是美国m d i 公司开发的机械系统动力学分析软件， 是世界上应用最广泛的动力学分析软件。a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件 库、约束库、力库，皂建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多剐体 系统动力学理沦中的拉格郎日方程，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行 静力学、运动学和动力学分析，输出位移 软件的仿真可用于预测机械系统的性能 算有限元的输入载荷等。 速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计 削3 i a d a m s 介纠 f i g3 ia d a m si n t r o d u c t i o n a d a m s 基本模块主要由v i e w 模块、求解器模块、后处理模块三部分组成。 在v i e w 巾可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立 运动部件( 或者从c a d 软件中导入) ，用约束将它们连接，通过装配成为系统， 利用外力或运动将它们驱动。a d a m s v i e w 支持参数化建模以便能容易地修改 模型并用于实验研究。用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可以观察主 要的数据变化以及模型的运动。 求解器可以对虚拟机械系统自动建立并解算机械系统运动仿真方程并提供快 速、稳定的数值分析。提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值方法。可 以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的多域问题进行分析。支持多种分析 类型，其中包括运动学、静力学、准静力学、线性或非线性动力学分析。 后处理程序提供了统一化的界面，可以以不同的方式回放仿真的结果。为了 能够反复使用，员面设置以及数据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时 白j 也有矛忏整理标准化的报告格式，还可以方便地同时显示多次仿真的结果以便 比较1 2 9 1 。 利用a d a m s 软件完全可以实现跨座式单轨列车动力学仿真，所以选择 a d a m s 软件作为仿真工具。 3 2跨座式单轨车辆动力学模型 3 2 1走行部结构介绍 跨坐式独轨车辆的走行部具有讲形式的轮胎。走行轮与轨道梁的上表面接 触，承受车辆的垂向载荷并传递牵引力和制动力给轨道梁。导向轮与轨道梁的侧 面接触，引导车辆沿着轨道行驶。稳定轮位于转向架的侧面下部，也与轨道梁的 侧面接触，防止转向架在强风条件下出现极端的侧滚。同时，导向轮和稳定轮均 并联安装钢制辅助轮，辅助轮在正常情况下并不与轨道接触，当导向轮和稳定轮 爆胎时才与轨道接触，起保护作用。走行部通常采用刚性转向架形式，前后走行 轮胎相互平行，每根车轴上的两个走行轮通过驱动轴、减速箱与牵引电动机相连， 因而同一车轴上的左、右轮胎不能相对转动。车体和构架之间的二系悬挂采用空 气弹簧，并设有横向减振器和抗侧滚稳定器。由于充气轮胎本身的多向弹性，单 轨车辆在构架和车轮间不设一系悬挂。 3 2 2 车辆系统自由度 跨座式单轨车辆包括1 个车体、2 个中心销底座、2 个转向架及其连接部件。 假设车体、转向架构架、中心销底座为刚性体，共有5 个刚体。车体与前、后转 向架之间的约束由两部分组成。一通过空气弹簧和转向架构架连接，二通过中心 销橡胶和中心销底座连接。中心销底座再通过四个橡胶弹簧( 提供纵向力) 和转向架 构架相连接。转向架构架通过4 个导向轮、2 个稳定轮和4 个走行轮与轨道连接。 将轮胎、空气弹簧、中心销橡胶等假设为一系列弹簧元件和阻尼元件的并联体。 因本论文只考虑列车的垂向和横向振动对车辆动力学性能的影响，由于列车采用 四车连挂，由车体质量纵向冲动对列车相互间作用力基本不予考虑，故忽略车体 各刚度的纵向自由度。每个刚体的自由度参见表3 1 ，整节车为2 5 个自由度的模 型，表现为车辆的浮沉、横摆、侧滚、点头、摇头等运动模式【3 0 】。根据各部件之 间的约束关系，车辆和中心销底座动力学模型如图3 2 、3 3 所示。 1 5 表3 1 整车模型自由度 t l b 3 1d o mo fv e h i c l e 刚体浮沉横摆侧滚点头摇头 包晚 车体 z cy 。霞 鼠识 构架 z ly t织 晓允 中心销底座 z zy ：纪 ( a ) 垂向模型 ( a ) v e r t i c a lm o d e l 图3 2 车辆动力学模型 f i g 3 2c a rm o d e l ( a ) 垂向模型 ( a ) v e r t i c a lm o d e l 1 6 ( b ) 横向模型 ( b ) l a n d s c a p em o d e l 车律 ( b ) 横向模型 ( b ) l a n d s c a p em o d e l 乞 3 3轨道模型的建立 3 3 1 轨道不平顺 ( c ) 纵向模型 ( c ) l o n g i t u d i n a lm o d e l 图3 3 中心销动力学模型 f i g 3 3c e n t e rp i nm o d e l 轨道在没有车轮载荷作用时所呈现的不平顺称为静态不平顺。车辆沿轨道运 行时，轨道在车轮载荷作用下沿长度方向每点呈现不均匀的弹性下沉，由此而形 成的轨道不平顺称为动力不平顺，通常就简称为不平顺。轨道不平顺对车辆系统 是一种激励函数( 输入) ，它是产生车辆各种振动响应( 输出) 的主要根源。在直线 区段，轨道不平顺分为轨道垂向不平顺、轨道水平不平顺、轨道方向不平顺和轨 距不平顺【3 n 。 对于不平顺随机过程需要用统计函数来加以描述，功率谱密度函数p s d ( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ) 是表述作为平稳随机过程的轨道不平顺的最重要和最常 用的统计函数，轨道谱密度即为单位频宽内的不平顺的均方值。轨道不平顺的功 率谱图是以谱密度为纵坐标及以频率或波长为横坐标的连续变化曲线，它清楚地 表明了不平顺的大小随频率的变化关系。 谱密度的大小及谱图形状和线路的等级、结构及其状态有关，谱密度图是建 立在对轨道几何参数变化进行大量测量和分析计算的基础上的，国内有关部门已 对某些个别线段的轨道不平顺进行过测量和分析，但目前还未建立起统一标准的 谱密度函数的表达式。本文所做实验的重庆1 3 号线亦没有进行不平顺测试，因而 没有描述轨道不平顺的轨道谱。经查阅相关资料f 3 2 】【3 3 】【3 钟，通过分析比较美国 六级谱、公路路面谱、机场谱分别对车辆的动态响应，输出仿真结果与实测数据 相比较。因美国六级谱更接近重庆跨坐式单轨轨道不平顺特征，故选用美国六级 1 7 谱作为单轨轨道不平顺描述形式比较合适，并根据美国六级谱数据进行轨道建模。 3 3 2 建立轨道模型 在a d a m s 软件中建立单轨车辆的动力学仿真模型，单轨车辆一个转向架有四 个走行轮，四个导向轮，两个稳定轮。考虑到运行工况，要模拟单轨车辆轨道的 不平顺并建立轨道模型，需要用“s p l i n e ”样条曲纠3 5 】做六条轨迹线分别模拟两条走 行轮轨道、两条导向轮轨道、两条稳定轮轨道。具体方法是用轨道谱得到的轨道 不平顺数据，在a d a m s 软件中分别建立轨道模型。 1 建立走行轮轨道模型。走行轮为橡胶支撑轮，承受车体、转向架以及乘客 的重量，车辆在运行过程中轨道梁垂向的不平顺使车体产生垂向振动，两条走行 轮轨迹线在v i e 、7 l ，模块里可简化为两条“s p l i n e ”样条曲线，加垂直于轨道梁向上的不 平顺，即垂向不平顺。在a d a m s m e w 中，x 方向是沿路程延伸的方向，y 方向是 垂直于轨道梁的方向，z 方向是垂直于轨道梁侧面的方向。在以后的建模中为了方 便，统一按照此坐标系进行建模。首先在a d a m s 软件v i e w 通用模块里以原点为 起始点随意建立一条“s p l i n e ”样条曲线，右键进行修改，出现“m o d i 母g e o m e t r i c s p l i n f f 对话框，点击q o c a t i o nt a b l f f 出现q o c a t i o nt a b l f f 对话框，点击r e a d ”读取不 平顺数据文件，完成一条走行轮轨道后