两种空铁转向架动力学性能对比分析

何斌斌，钟 敏，梁小强，张 弘

(中唐空铁科技有限公司，四川 成都 610200)

0 引言

空铁交通(即悬挂式单轨交通)系统具有占地少、适应性强、投资小、工期短、绿色环保等特点，适合作为大城市现有轨道交通系统的补充，在中小城市更可作为公共交通干线，在景区可作为观光线使用。空铁列车在德国的乌珀塔尔和杜塞尔多夫、日本的湘南和千叶均有运营业绩，国内的中唐空铁和中国中车先后建设了空铁试验线，目前，国内第一条由中唐空铁牵头的大邑空铁示范线也正式落地，空铁前景非常可观。与传统轨道交通系统一样，转向架系统依然是车辆最为核心的技术，但不同的是，由于空铁车辆制式的特殊性，其转向架的轮轨关系、结构布置以及参数设置与传统转向架截然不同，国内外学者对此也开展了大量的研究，重点研究了转向架构架、走行轮、导向轮和基础制动装置的结构，并根据直线平稳性指标和曲线通过性能指标对车辆悬挂参数进行了仿真优化，校核了其动力学性能；有些研究针对各自转向架结构特点，分析了转向架悬挂参数对车辆动力学性能的影响。总结以上的研究，从结构上分析，空铁转向架相比传统轨道车辆转向架有较大的区别，其中非常关键的一个区别是空铁转向架与车体不是通过传统的二系悬挂相连，而是通过一套特有的悬吊机构相连，因此，这套悬吊机构的结构和参数设置对车辆的整体性能起着至关重要的作用。一般来说，悬吊机构有四连杆型和钟摆型两种，大量文献对采用这两种悬吊机构车辆各自的动力学性能进行了研究，但缺少这两种结构之间的性能差异研究。因此，本文专门探讨两种结构型式的空铁转向架车辆动力学性能的差异，为今后的工程建造提供一定的理论指导。

1 空铁车辆转向架结构分析

空铁车辆转向架运行在封闭的轨道箱梁内部，可用的空间非常有限，然其结构和功能却并不比传统转向架少，可谓麻雀虽小，五脏俱全。空铁转向架主要包括构架、一系悬挂、轮对装置、导向轮装置、驱动装置、制动装置以及悬吊装置等部件。构架通过一系悬挂与轮对装置相连，轮对装置集成了齿轮箱传动装置，实际是一根带差速器的驱动轴桥；导向轮装置安装在构架端头，走行轮和导向轮一般为实心橡胶轮胎(在相同轴重下充气轮胎的空间尺寸大，需要较大的轨道梁尺寸，导致大幅提高建设成本)，走行轮与轨道梁底面接触，起到承载车辆系统垂向力和传递牵引制动力的作用，导向轮与轨道梁侧面接触提供导向作用。由于横向空间的限制，驱动系统的电机一般为纵向布置，通过联轴节与轮对装置内的齿轮箱连接，齿轮箱为锥齿轮结构，将电机轴纵向旋转转化为横向旋转，并通过差速器传递到左右走行轮上，差速器使得同一根轴左右两轮在通过曲线时转速不同，提高曲线通过能力。

相比传统转向架，空铁转向架设有一套特有的机构——悬吊机构，它用于连接构架和车体，功能与传统转向架二系悬挂类似，为车体提供约束和衰减振动，保证车辆能够顺利通过各种曲线的同时又得到各方向良好的平稳性。由于空铁车辆车体悬挂式的特殊结构，车辆重心位于走行支撑面下方，这带来了一个非常大的优势，就是当车体横向偏移后可以通过自重自动回复到平稳位置，不存在倾覆的可能，因此悬吊机构可以将车体的横移和侧滚运动大幅释放，这种特性使得空铁车辆具有传统车辆无法比拟的曲线通过能力，因此悬吊机构的结构和性能对车辆的动力学性能起着至关重要的作用。

目前悬吊机构主要有两种型式，即钟摆型和四连杆型，采用两种悬吊机构的车辆结构示意图如图1所示。钟摆型转向架的摇枕直接铰接在构架上，摇枕可像钟摆一样相对于构架绕x轴(x向为车辆前进方向)自由转动，在构架与摇枕之间需设置抗摆减振器来衰减摇枕的摆动；四连杆型转向架的构架与摇枕通过2根摆杆连接，构架、摇枕、摆杆组成四边形结构，这种悬吊结构能够同时提供绕x轴转动自由度和横移自由度，且这两个方向的运动是耦合关联的，因此只设置一个横向(y向)减振器，即可同时抑制转动和横向平动。车体通过二系簧吊挂于摇枕上，由于钟摆型悬吊机构不能提供横向平动，因此二系簧还需提供车体与摇枕之间的横向减振；四连杆型则无需额外的二系簧横向减振，摇枕与车体横向可固接在一起。悬吊机构上均设有止挡，以限制车体过大的摆动角度。

图1 采用两种悬吊机构的车辆结构示意图

2 研究方法与车辆动力学模型

2.1 研究方法

空铁车辆相对于传统铁道车辆不存在脱轨安全性、车辆倾覆以及蛇形稳定性等问题，因此平稳性和曲线通过性能是动力学研究的关键，其中曲线通过性能主要考虑轮轨作用力和车辆运行姿态(限界)。本文利用多体动力学软件分别建立两种转向架型式的空铁车辆动力学模型，对比分析两种车辆的平稳性以及曲线通过性能，为转向架结构型式选择提供参考。

2.2 车辆动力学模型

根据车辆结构及相关动力学参数，利用多体动力学软件分别建立两种转向架型式空铁车辆的动力学模型。由于车辆结构复杂、零部件众多，为提高计算效率，根据研究目的对车辆模型进行了简化。将车体、构架、摇枕、摆杆、齿轮箱等结构件视作刚体，橡胶件、空气弹簧、减振器等看作是弹性力元。其中，采用钟摆悬吊机构的空铁车辆动力学模型共有68个自由度，各部件自由度见表1(其中，-表示无此自由度，√表示有此自由度)；采用四连杆悬吊机构的空铁车辆动力学模型共有74个自由度，较钟摆型增加了摆杆转动和摇枕横向平动自由度，各部件自由度见表2。

表1 采用钟摆悬吊机构的空铁车辆系统自由度

表2 采用四连杆悬吊机构的空铁车辆系统自由度

2.3 车辆参数与轨道谱

本文主要的研究对象是两个悬吊机构的差异，因此除了与悬吊机构相关结构和参数有差异外，其余车辆参数均完全相同。

本文采用文献[6]中的公路不平顺谱，基于该轨道谱的动力学仿真结果与中唐空铁试验线的测试结果接近，具有一定的准确性。另外，本次对比分析未考虑轨道梁的弹性变形和伸缩缝的影响。

3 动力学对比分析

3.1 车辆直线动力学性能对比分析

车辆运行舒适性是空铁车辆最为关键的评判指标，空铁的转向架结构型式和悬挂参数匹配也将舒适性作为重要目标。本文直线动力学性能以GB5599中的平稳性指标作为评判，分别计算两种悬吊机构型式车辆在10 km/h～80 km/h速度级下的平稳性指标，结果如表3和图2所示。计算结果表明：在各速度级下，两种车辆横向和垂向平稳性相差很小；两种车辆的平稳性随着车速增大而单调增大，均能达到GB5599中的优级标准(小于2.5)。因此，只要合理匹配悬挂参数，选用两种结构型式转向架都能使空铁车辆具有较好的舒适性。

表3 两种悬吊机构车辆直线平稳性指标对比

图2 两种悬吊机构车辆直线平稳性指标对比

3.2 车辆曲线通过性能对比分析

空铁车辆虽不存在脱轨的安全性问题，但轮轨间的相互作用关系也是不容忽视的，良好的转向架曲线通过性能有利于减小车辆运行阻力、降低轮轨磨耗，同时也有利于降低工程建造成本。本文以最小通过曲线半径为30 m和200 m作为研究对象，曲线设置(轨道梁未设置加宽和超高)如表4所示。以轮轨作用力和车辆运动姿态来综合评判车辆的曲线通过性能，同时，对比车辆在曲线半径为200 m上的平稳性指标。

表4 曲线设置

3.2.1 运动姿态对比

四连杆型悬吊机构车辆的车体侧滚在曲线半径为30 m和200 m曲线上的侧滚角分别为1.5°和2.0°，而钟摆型悬吊机构的车体侧滚角达到6.3°和7.4°，远大于四连杆型悬吊机构车辆，可见钟摆型悬吊机构释放的绕x轴的旋转自由度将使车体产生很大的侧滚角，而四连杆悬吊机构则同时产生一定的横向位移和一个较小侧滚角，这种较大的侧滚角将使车体产生较大横向位移，尤其是远离旋转中心的车体底部。从地板面车体横向位移可以看到，钟摆型悬吊机构车辆的车体地板面横向位移在曲线半径为30 m和200 m曲线上分别为318 mm和415 mm，远大于四连杆悬吊机构车辆的100 mm和162 mm。两种悬吊机构所产生的车体侧滚和位移值对比如表5所示，车体运动姿态如图3所示，其中虚线表示车体摆动后的位置。可见，四连杆型悬吊机构车辆在横向位移和车体侧滚方面具有很大优势，因为车体位移过大必将加大车辆限界，致使轨道立柱盖梁的悬臂加长，从而增加工程造价。

表5 两种悬吊机构车辆的车体侧滚和位移值对比

图3 两种悬吊机构车辆的车体运动姿态示意图

3.2.2 轮轨作用力对比

由于篇幅有限，本文的导向轮正压力和走行轮轮重减载率仅取最大值进行对比。四连杆型悬吊机构车辆的导向轮正压力在半径为30 m和200 m曲线上分别为8 570 N和6 560 N，而钟摆型悬吊机构车辆的导向轮正压力分别为7 550 N和5 660 N，可以看出四连杆型悬吊机构车辆的导向轮正压力大于钟摆型的15%左右；四连杆悬吊机构车辆走向轮轮重减载率在曲线半径为30 m和200 m曲线上分别为41%和16%，钟摆型悬吊机构车辆走向轮轮重减载率分别为39%和14%，相差2%左右。两种悬吊机构车辆的轮轨作用力对比如表6所示，由此可见，钟摆型悬吊机构车辆在轮轨作用力方面具有一定优势，对后期橡胶轮运用维护有一定的好处。

表6 两种悬吊机构车辆的轮轨作用力对比

3.2.3 曲线运行平稳性对比

对比了两种结构型式转向架车辆在曲线半径为200 m曲线上的运行平稳性指标，如表7所示。从表7中可以看出：四连杆型悬吊机构和钟摆型悬吊机构车辆在曲线上的横向平稳性指标相对于直线来说均有所增大，但两者相差很小；而垂向平稳性指标和直线相比差异不大，总的来说，两种结构型式车辆的曲线运行平稳性处于同等水平。

表7 两种悬吊机构车辆的曲线平稳性指标对比

4 结论

对两种悬吊机构转向架结构进行了分析，并建立了车辆的多体动力学模型，对比分析两种车型在直线和曲线上的动力学性能，可以得出以下结论：

(1) 选用两种结构型式转向架车辆运行平稳性水平相当，只要合理匹配悬挂参数，两种转向架都能使空铁车辆具有较好的平稳性。

(2) 四连杆型悬吊机构车辆在横向位移和车体侧滚方面具有很大优势，在获得相同曲线通过速度和平稳性的前提下，车辆限界比较小。因此，选用四连杆型转向架能够降低轨道梁柱的建造成本。

(3) 钟摆型悬吊机构车辆在轮轨作用力方面具有一定优势，对后期橡胶轮运用维护有一定的好处。