（光学工程专业论文）重庆跨座式单轨车辆关节道岔通过性能研究.pdf

中文摘要 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，特别 适应山城、中小城市轨道交通的建设。 关节道岔是单轨交通系统所独有的一种轨道形式，它由数段折线组成，车辆 通过时会由于各段的方向突变而对车辆产生规则的横向激励，引起车体较大的横 向振动，因此车辆、关节道岔参数选取以及车辆轨道之l b j 的耦合作用都能对列车 运行姿态产生重要的影响。研究跨座式单轨车辆关节道岔通过性能，分析影响通 过性能的因素，确定车辆轨道之间参数的匹配关系对跨座式单轨车辆的运行安全 性能具有重要意义。 论文总结了跨座式单轨交通动力学问题的研究方法，首先运用几何学原理， 分析了跨座式单轨车辆通过关节道象的条件，在此基础上，采用软件仿真和试验 测试相结合的方法，深入研究了跨座式单轨车辆的关节道翁通过性能，获取了大 量的仿真和试验数据，并对这些数据迸行了分析和比较。最后根掘仿真和试验两 方面的研究结果，对比分析了车辆在三种不同形式关节道岔上的通过性能，提出 了关节道岔的改进措施。研究表明，通过改变车辆和关节道岔的匹配参数，可以 提高车辆的关节道佾通过性能。 本文采用理论推导、软件仿真和试验测试相结合的方法对跨座式单轨车辆关 节道岔通过性能进行研充这些研究成果对于单轨交通的研究和发展、关节道岔的 设计、关节道岔通过性能评价标准的制定提供了重要的参考依据。 关键词：关节道岔；跨座式单轨车辆；几何学原理； 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：m o n o r a i lt r a f f i cs y s t e ml 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 hl s s u i t a b l ef o rs m a l la n dm e d i u mp m 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 s s u c ha sl o wc 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 f s m a l lg u r v e a n dl a r g eg r a d i e n tt r 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 m i ns m a l la n dm o u n t a i nc i t i e s a r t i c u l a t i o ns w i t c hi sau n i q u et y p eo fm o n o r a i ls y s t e m ，c o m p o s e do fs e v e r a l p o l y l i n e s w h e nm o n o r a i lc a ri sg e t t i n ga c r o s sa r t i c u l a t i o ns w i t c h ，i tw i l lb es w a y i n g f r o ms i d et os i d eb e c a u s eo fs u d d e nc h a n g eo fd i r e c t i o n p a r a m e t e r so fb o 酉e ， a r t i c u l a t i o ns w i t c ha n di n t e r a c t i o no ft h e mw i l lg e n e r a t ec r u c i a li m p a c to nt h es t a t eo f m o n o r a i lc a r b e c a u s eo ft h e s e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yc a rn e g o t i a b i l i t yo f a r t i c u l a t i o ns w i t c h ，t oa n a l y z et h ek e yf a c t o r si nn e g o t i a t ea b i l i t ya n dt od e f i n et h e m a t c ht e l a t i o no f t r a c ka n dv e h i c l e m o n o r a i le a rn e g o t i a b i l i t yo fa r t i c u l a t i o ns w i t c hi sa n a l y z e db a s e do nc h o n g q i n gs t r a d d l em o n o r a i lc a r 1 1 1 ec o n d i t i o no fn e g o t i a b i l i t yi sf i r s t l yt ob ea n a l y z e do n t h eg e o m e t r yt h e o r y b a s e do nt h e s e , s o f t w a r es i m u l a t i o na n dt e s ti sa d o p t e dt os t u d y c a rn e g o t i a b i l i t yo fa r t i c u l a t i o ns w i t c h l a r g ea m o u n to fa t t a i n e ds i m u l a t i o na n dt e s t d a t ai sa n a l y z e da n dc o m p a r e d f i n a l l yb yc o m p a r i n ge a rn e g o t i a b i l i t yo ft h r e et y p e s o fa r t i c u l a t i o n a d v i c ea b o u ti m p r o v e m e n to fa r t i c u l a t i o ns w i t c hi s p r o v i d e d 1 1 1 e r e s u l ts h o w st h a tt h en e g o t i a b i l i t yw i l lb e i m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h em a t c h p a r a m e t e r so f v e h i c l ea n da r t i c u l a t i o ns 耐t c h t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n , s o f t w a r es i m u l a t i o na n dt e s ta l ea d o p t e dt os t u d yt h e m o n o r a i ln e g o t i a b i l i t yo fa r t i c u l a t i o n t h e s e sr e s e a r c hf i n d i n g sp r o v i d ei m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fm o n o r a i l t r a n s i t ，t h ed e s i g n i n go f a r t i c u l a t i o ns w i t c h ，t h ee s t a b l i s h m e n to fc a rn e g o t i a b i l i t ye v a l u a t i o ns t a n d a r do f a r t i c u l a t i o ns w i t c h k e y w o r d s ：a r t i c u l a t i o ns w i t c h ；s t r a d d l em o n o r a i l ；g e o m e t r ya n a l y s i s c l a s s n o ：u 2 6 0 1 1 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、汇编以供查阅和借阅。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 兑明) 学位论文作者签名：南 导师签名： 锄才俾坪 j 签字日期：2 祈年肛月廖日签字同期：。7 年，朗卵 独创性卢明 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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：南缎 签字日期： 上溯年f 2 月矿日 致谢 本论文的工作是在我的导师柳拥军副教授的悉心指导下完成的，柳拥军副教 授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助，在此向柳拥军老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，周君锋、王连枉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。 同时感谢重庆轨道有限公司在论文写作期间提供了很多宝贵的数据。 1 引言 引言 1 1单轨交通系统的发展与现状 单轨交通( m o n o r a i l ) 的历史悠久，它的发明可以追溯至j j l 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，并取得英国第4 6 1 号 的发明专利权。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。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川。该系统平均运行速率2 8 公里4 , 时，最高可达 4 3 公罩小时，运营了将近三十六年，至1 9 2 4 年才停业。 但是，直至2 0 世纪才真正实现了单轨交通系统的营业性运行。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，并于1 9 0 1 年3 月在乌伯塔市沿着贯 穿市区的河谷，搭建了钢架吊悬车厢，并利用电力驱动方式，完成1 3 3 公里长的 都市公共运输系统【2 j ，称为l a n g e n 式或w u p p e r t a 式单轨系统。该系统一直持续运 行至今，始终无任何伤亡记录，被列为世界高效运输系统之一。其后，1 9 5 2 年瑞 典a x e l w e n n e rg r e n 发明了跨座式单轨，并被命名为a l w e g 型单轨；a l w e g 型单轨 系统很快地成为世界单轨交通系统的j x l 尚，美国洛杉矶”迪斯尼乐园”( d i s n e y l a n d ) 于1 9 5 9 年首先建造了2 3 k m 的游客输送系统。1 9 6 1 年意大利的t o r i l l o 完成了 1 1 6 公里的客运路线。t 9 6 2 年美国西雅图市配合世界博览会的游客运输，建造了 1 5 公里从市中心区到展览会场大门的连络系统，1 9 7 1 年美国东岸奥兰多市的”迪 斯尼世界”( d i s n e yw o r l d ) 完成了4 4 公里的旅运系统。综上观之，在发展成型后 至二十世纪七十年代的十余年间，a l w e g 型单轨虽然发展很快，但似乎仅止于游乐 园或展览会场区内的游客运输，还没有达到作为都市运输系统的境界。 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l o 家公司，在法国国有 铁道和巴黎捷运局( r a t p ) 共同协作下，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 ”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 型以及美国洛克希德公司发展的 北京交通大学硕士学位论文 l o o k h e e d 型陆续引入，同时f i 本本地的工业一商如东芝、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【 。一时之间，单轨系统在同本各主要游乐 园区与动物园纷纷建造。 1 9 6 4 年配合东京世运会举行，长达1 3 1 公里的羽田线【4 l 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 0 年大阪万国博览会 以展示都市单轨新技术的目标下，完成了环绕会场4 3 公里长的跨座式单轨道线。 几乎在同一个时b j ，关东地区于1 9 7 0 年三月继东京羽田线之后，神奈川县境 内的湘南地区也开放了一个长6 6 公里、从国铁大船站至江之岛的悬挂型都市单系 统，其快速的输运，以及高效率的服务特质，获得了乘客的肯定与称赞。 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。截至至u 2 0 0 4 年，跨座式轨道交通共有1 3 条线投人城市公交运营， 大多数在日本。 1 2单轨交通系统的分类和特点 所谓单轨就是使用橡胶轮胎的车辆跨座或悬挂在l 条走行路( 以下称轨道梁) 上运行的交通工具。跨座在轨道梁上运行的单轨( 车体重心在走行轨道上方) 称作 跨座式( s t r a d d l e - - t y p e ) 单轨( 见图1 1 ) ；从运行在轨道框架上的转向架下垂悬挂 车体的单轨( 车体重心在走行轨道下方) 称作悬挂式( s u s p e n d e d - - t y p e ) 单轨【5 】( 见 图1 2 ) 。这是单轨交通系统的2 种基本结构形式。 图1 1 跨座式单轨交通【6 】 f i g 1 1s t r a d d l e - t y p e 2 图1 2 悬挂型单轨交通 f i g 1 2s u s p e n d e d t y p e 1 引言 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： 单轨交通系统的建设费用较低： 单轨交通系统比轮轨系统具有较小的噪声，这是由于单轨车辆采用了橡胶 轮胎走行部； 单轨交通系统可以建设在密集的中心城区，这是由于单轨车辆可以适应很 小的曲线和较大的坡道1 7 l 。 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点( 8 】 t a b l 1c h a r a c t e r i s t i co ff o u rt y p eo fr a i lt r a n s i t 项日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 ￥造价较高适中适中较高 地下，且可开挖性地面平坦的市内、地势起伏的市地面平坦的市郊 地理环境条件 的市内线路市郊线路内、市郊线路线路 运量较大一般一般 较少 最高速度k m * h - i8 0 1 0 08 0 l o o7 0 8 03 5 0 5 0 0 最大密度歹o * h - 12 0 4 0 2 0 4 0 2 0 3 01 5 2 5 最大坡度4 03 08 01 0 最小半径m 3 0 02 0 0 5 01 0 0 0 最大小时客流量 322 1 5 ( 万人次h ) 谪。架的单轨轨道由方形立柱或圆形立柱支承。立柱可以设置在道路中央的隔 离带上，立体交叉，所以占地面积小。占用道路上空时的宽度，轨道部分为2 5 3 0 m ，车站部分为3 0 3 5 m 。表1 2 中给出了跨座式单轨和悬挂式型单轨的特点和比 较。 3 北京交通大学硕士学位论文 表1 2 跨座式单轨和悬挂式单轨的特点比较【9 】 t a b l 2c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o no fs t r a d d l e t y p ea n ds u s p e n d e d t y p e 比较项目跨座式单轨 悬挂式单轨 ( 1 ) 透过方形立拄或圆形立柱支承整体结构的单轨轨道。 占用空间 ( 2 ) 立拄可以设置在道路中央的隔离带上 ( 1 ) 可以通过1 0 0 的大坡道和最小半径为3 0 5 0 m 的曲线。 运行舒适性 ( 2 ) 使川橡胶轮胎，舒适性好 有最小曲率半径的限制( 与车辆地下空间、可以无滑动地通过小 曲线运行性 车轮与轨道梁的关系、舒适性等有关)半径曲率半径 ( 1 ) 担心与侵入建筑限 ( 1 ) 车辆在轨道粱上不会侵入道路上汽车的界的汽车接触 限界( 2 ) 由于吊挂装置的支 安全性 ( 2 ) 转向架部件在车体下部有挡板覆盖，不座在乍体上面，所以，转向 会直接掉落和e 散剑地上絮的部件、油类等不会直接 掉落到地上 ( 1 ) 轨道粱、支拄等都 r c ( 钢筋混凝土结约p c ( 预应力混凝土) 梁 是钢结构，成本高 建设 为主体，成本低( 2 ) 由于是钢结构，所 以必须再涂漆 ( 1 ) 基本不需再涂漆 ( 1 ) 供电线和走行面都 ( 2 ) 钢粱不需要用耐侯性钢材 ( 3 ) 通过目测，可以从地上检查供电线，可 在轨道粱内，由检查车检查 维修( 2 ) 道岔的可动部分只 以从列车上检查轨道的走行面 ( 4 ) 由于道岔在轨道梁上转换，为大型结构， 有引导轨小型结构维修需 慎重 所以，维修费用大 1 3跨座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【l o l ；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【i l 】；j u 和l i n 则研究了高速列车通过拱桥时的动力性能【1 2 1 。 4 1 引言 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r 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 3 】是目静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f 包括 转向架、走行轮、导向轮和稳定轮) 简化为i 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 4 】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。 5 北京交通大学硕士学位论文 文献 1 5 咀大阪跨座式单轨车辆及钢桥为研究对象，采用同样的研究方法针对 车辆桥梁的耦合动力相互作用进行计算和分析。研究表明单轨车辆的摇头是 由车辆离心力导致车辆荷载作用线不经过轨道梁截面剪心，轨道梁受扭而引起的。 此外，为验证理论分析的正确性，研究者还进行了单轨车辆通过钢桥时的实地测 试，测试内容包括：轨道梁的加速度及位移响应；车辆的加速度响应；轨道梁的 不平顺状况等。由于大阪车辆参数与重庆车辆参数接近，文献f 1 4 】的研究内容具有 很强的参考价值。 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 8 1 。如文献【1 8 】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 9 】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 i 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，研究表明，导向轮胎和稳定轮胎的预 压力大小对跨座式独轨车辆的稳定性、安全性以及平稳性等有着重要的影响。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。 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 2 0 2 3 等，进行列车曲线通过分析时考虑的影响 因素可参照 2 4 2 5 】等。 1 4 研究的目的和任务 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【2 6 1 。 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。自2 0 0 5 年6 月通车以来重庆轻轨车辆运行基本正常，但也存 在着车辆通过关节型道岔时横摆幅度过大、电弓离线打火和电弓经常损坏等现象， 因此，需要对这些现象产生的原因进行分析，并对单轨车辆的运营安全性进行评 估。 本文研究的主要目的是：在调研关节道岔及其匹配的车辆参数的基础上，对跨 座式单轨车辆关节道岔通过性能进行研究，并在仿真和试验的基础上，对车辆通 6 1 引言 过关节道岔时轮轨之间的相互作用进行分析比较，并对关节道岔的结构设置提出 相应的改善措施。 综合来说，本文的工作主要包括以下几个方面： 1 系统总结跨座式单轨交通动力学问题的研究现状 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。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 鉴并逐渐形成完整的研究思路。 2 跨座式单轨车辆关节道佾通过性能的几何学研究 车辆定距、转向架轴距、导向轮间距、轴距与关节道岔的空间布置之问存在 着复杂的几何关系，这些几何关系的确定是跨座式单轨列车关节道岔通过性能问 题研究的基础。本文从轮轨间几何关系出发，推导出转向架通过关节道岔所需的 最小| 日j 隙，并进行了相关的参数分析。 3 跨座式单轨车辆关节道翁通过性能的仿真研究 本文在调研关节道岔及其匹配的车辆参数的基础上建立了车辆和关节道俞的 分析模型，利用a d a m s 软件对车辆关节道岔通过性能进行了仿真，并对结果分 析。 4 跨座式单轨车辆关节道岔通过性能的测试研究 以重庆轨道运营公司车辆段1 3 号线作为测试线路，编号为1 0 1 2 的列车作为 试验列车，耿第一节头车车体、前后转向架和第二节车辆的的转向架作为测试对 象。分别测试当车辆以3 k m h 、5 k m h 、7 k m h 、9 k m h 、1 l k m h 、1 3 k m h 通过关节 道岔时转向架、车体的横向、垂向加速度，以及轮轨间的作用力，并对测试结果进 行分析研究。 5 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，验证了分析模型的正 确性，通过试验结果对仿真模型进行了修正，从而改进了仿真结果。 6 跨座式单轨交通关节道岔改进方案研究 本文以仿真和试验为基础，通过比较车辆通过三种不同结构形式的关节道岔 的横向加速度、轮对横向力，提出了关节道岔的改进措施。 7 2 跨座式单轨车辆和轨道结构 2跨座式单轨车辆和轨道结构 2 1车辆结构 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，进行精确分折的重要基础。 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”( 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 ：仅为4 0 0 m m ( 如图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 l ( 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。 0 r、 s 一 k 秽苷箩 l强l 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 lf i g z ，2n o n s t a t i o n a r ym o d e l 转向架的另一个特点是走行轮由橡胶轮胎取代铁道车辆的钢制车轮由导向轮 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 个橡胶轮胎。 图2 3 2 6 为重庆跨座式单轨车辆转向架整体结构及主要部件图，。 9 北京交通大学硕士学位论文 图2 3 转向架轴侧视图【2 8 1 f i e 2 3a x o n o m e t r i cd r a w i n e o f b o 西e 图2 4 转向架中心销离散图 f i g 2 4b o g i ec e n t e rp i ne x p l o d e i n gd r a w i n g l o 2 跨库式单轨午辆和轨道结构 图2 5 转向架中心销构件组合幽 f i g 2 5b o g i e c e n t e rp i na s s e m b l yd r a w i n g 图2 6 转向架空气弹簧和中心销侧视图 f i g 2 6b o g i ea i r s p r i n ga n dc e n t e rp i ns i d ev i e w 北京交通大学硕十学位论文 表2 1 是对图2 3 、图2 4 中所标江的转向架各连接构件编号的况明。 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 1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 l l 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 l中心销底座 2 2 转向架 2 3 连接箱 2 跨座式单轨车辆和轨道结构 2 2轨道结构 跨座式单轨交通的轨道梁一般由预应力混凝土制造( 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【2 9 1 。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 7 图2 8 分别为我国重庆单轨系统的轨道梁段面图【3 0 1 。如图所示，轨道梁 采用预应力混凝土结构，两并行轨道梁之间设置支撑联接成整体，支承在下部立 柱之上，单个轨道梁横截面形状基本一致，根据车辆不同截面可分为8 0 0 x1 4 0 0 m m 或8 5 0 x1 5 0 0 m m 。重庆单轨轨道梁采用8 5 0 x1 5 0 0 m m 断面，图2 7 是其应用最多的 桥墩形式。 图2 7 单轨系统t 型独柱墩图2 8 单轨系统轨道粱断面图 f i g 2 7tt y p em o n o p i l l a rp i e rf i g 2 8t r a c ks e c t i o nd r 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 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 型道岔和关节型道岔，多采用钢结构。可挠型道岔( 见图2 9 ) 为曲线线形，关节型道 岔( 见图2 o ) n f l a 数条折线段构成【3 1 1 ，车辆通过时会由于各段的方向突变而对车辆 产生规则的横向激励，引起车体较大的横向振动。 常用的关节型道岔有二开、三开、四开和五开型关节道岔【3 2 1 。图2 11 为重庆跨 座式单轨三开、五开关节道岔的平面尺寸图。由图可知，无论是三开道岔还是五 开道岔，都由五节轨道组成，每节称为关节。单节关节长6 0 0 0 m m 。五开道岔相邻 关节夹角约为3 0 6 3 度，首尾关节夹角1 2 2 6 0 度；三开道岔相邻关节夹角约为1 5 3 0 度，首尾两节轨道夹角6 1 2 5 度。 一蹰一麴需赶 虱旷臀 北京埋奎堂堕型型- 一一 暇j 。嚣骠慧一t 诎 池2 。n 神1 ea n d 掣 1 4 蒜 梁势 遄朋。 舭髑 辆拆蝴车! _ | | 孰街潮 单翅涝嚣劬 照帮曩 醒2 t 结 刚要滔 、 善主确椭滞 3 ，跨座式单轨车辆天节道岔通过性能儿何学分析 3跨座式单轨车辆关节道岔通过性能几何学分析 跨坐式单轨车辆依靠导向轮引导通过关节道岔。由于关节道翁几何夹角的存 在，转向架在通过关节道岔时，导向轮、稳定轮和轨道之间容易产生较大的横向 位移。转向架轴距、导向轮、稳定轮间距与关节道岔的空间布置方式之间存在着 复杂的几何关系，确定这些几何关系是设计关节道岔结构的基础。 3 i理论推导 直线运行时，跨座式单轨车辆左右导向轮、稳定轮内侧横向间距等于轨道梁 的宽度。通过关节道龠时，导向轮、稳定轮和轨道之闻会产生横向位移( 间隙) ，这 是转向架顺利通过关节道岔的前提，横向位移的大小对于车辆通过关节道岔时的 横向摆动量具有重要影响。几何学仿真的目的就是分析转向架通过关节道俞时所 需要的最小横向位移( 最小间隙) 。图3 1 是跨座式单轨车辆单个转向架通过关节道 岔的过程。 图3 1 转向架通过关节道岔示意图 f i 9 3 1 s k e t c ho fb o g i ew h e ng e t t i n g8 c r o s sa r t i c u l a t i o ns w i t c h 不考虑稳定轮的影响，单独研究导向轮和关节道岔的几何关系。 图3 2 3 3 是在不考虑稳定轮对影响下单个转向架通过关节道岔的示意图。图 中圆形表示导向轮，虚线表示当导向轮和轨道相切运动时轮心的运行轨迹，c ，d 是运行轨迹的交点，e 点是轨道内侧的交点，直线c e d 表示轨道在弯角处的角平 1 5 北京交通人学硕十学位论文 分线。 图3 2 转向架前导向轮极限位置图3 3 导向轮极限位置放大图 f i g 3 2f r o n tg u i d i n gw h e e la t1 i m i tp o s i t i o nf i g 3 3e n l a r g e dd r a w i n g 设轨道夹角为口( 钝角) ，轨道宽为a ，导向轮半径为，导向轮通过关节道翁 所需要的最小间隙( 轮胎压缩量) 为万，c f 垂直于d f 于f 点，设z c b a 为，静后 导向轮轮心在d 点时，间隙最小，所以d 点为轮运动的极限位置点。根据几何对 称性，前后轮运动位置完全一样，所以只需要计算i j 轮极限位置即可。 由三角形a b c 和三角形b c d 知： 爿b = z a b c = 8 a c b = a z b a c = 1 8 0 一伐一8 根据正弦定理：b c s i n ( 1 8 0 一口一) = l s i n a 得： b c = l s i n ( a + f 1 ) s i n a 根据余弦定理： b c 2 = b d 2 + c d 2 2 b d c d c o s ( z b d 0 因为c d 是轨道弯角处即z a c b 的角平分线，所以： 么d 四c = 1 8 0 - 口2 ，么c d b = 口2 + 一9 0 又因为b d = a + 2 7 + 艿，得： b c = ( 4 + 2 7 + 占) + c d 一2 c d ( 4 + 2 7 + 8 ) e o s ( a 2 + f l 一9 0 ) 由三角形b d c 和正弦定理，得： b c s i n ( 1 8 0 一口2 ) = c d s i n ( 9 0 一) 因为b d = 口+ 2 y + 拶，所以： ”动彤 渤 妨 刀 回 国 n o p o o 3 跨座式单轨车辆关节道岔通过性能几何学分析 0 0 s p = c d s i n ( a 2 ) ( a 十2 ，+ 回 根据三角形c d f 知c f ；口+ 2 r ，z c d f = a t l 2 所以： c d = ( 盯+ 2 ，) s i n ( 口2 ) 由3 ，1 0 3 1 1 得： ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) j 毪警却协劬糍- 2 ( a + 2 y + 8 ) x ( a + 2 y ) x 等n 坳 i c o s 卢= 丽a + 2 7 利用c 语言编制相应的求解程序( 见附录a 、b ) ，由方程组3 1 2 可以求出占的 值。 单独研究稳定轮和关节道信的几何关系。 图3 4 - 3 5 是在考虑稳定轮的影响下单个转向架通过关节道岔的示意图。图中 点为稳定轮通过关节道岔所需要最小间隙( 轮胎压缩量) ，所以： c d = ( a + 2 r ) s i n ( a 2 ) ，d g = a + 2 r + 8 1 ( 3 1 3 ) c g = d g c d = ( a + 2 r + 占1 ) 一( 口+ 2 r ) i s i n ( a t 2 ) ( 3 1 4 ) 由三角形c g h ，得： z g c h = 口2 ，g h = 工，2 ，g h c g = t a n ( 口2 ) ( 3 1 5 ) 将c g ，g h 代八，得： 2 【( a + 2 ，+ 6 1 ) 一s i n ( 瑾2 ) - ( a + 2 r ) 】= l c o s ( a 2 ) 3 1 6 ) 图3 4 稳定轮道岔通过示意图 图3 5 稳定轮极限位置放大图 f i g 3 4s t a b l i n gw h e e ls w i t c hp a s sd r a w i n g f i g 3 5e n l a r g e dd r a w i n g 利用c 语言编制相应的求解程序( 见附录a 、b ) ，由方程3 1 6 可求得点的值。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 3 2结果分析 由于左右导向轮和稳定轮轮心横向间距为b = 8 5 0 + 7 3 0 = 1 5 8 0 r a m 所以当转向 架在平直道运行时，导向轮和稳定轮紧贴着轨道，间隙为0 ，轮胎本身没有变形， 如图3 6 所示。当轮胎进入关节道岔时，轨道内侧轮由于改变方向，首先发生变形， 接着外侧轮胎也开始变形，但是变形量不同。 图3 6 转向架在平直道上运行示意图 f i g 3 6b o g i er u n n i n gs k e t c hi ns t r a i g h tt r a c k 无论三开道岔、五开道岔，每组道岔都由五节关节组成，如图3 7 所示。图 中用l 、1 1 、i i i 、i v 、v 标明了道岔的起始位置。由于车辆通过道岔时，前后转向 架可能出现在不同节轨道上，所以前后转向架、车体问将会形成夹角。 - 开( 五开) 关甘甄岔 图3 7 转向架通过五节道岔时的示意图 f i g 3 7b o g i er u n n i n gs k e t c hi nq u i n t u p l es w i t c hs w i t c h 表3 1 是重庆跨座式单轨车辆和轨道的部分几何参数，将表中值代入到方程 3 1 2 、3 1 6 中，可以求得转向架通过各个关节( 三开、五开) 的最小间隙，如表 3 2 所示。 1 8 3 跨瘴式单轨车辆关节道岔通过性能几何学分析 表3 1 重庆跨座式单轨车辆轨道几何参数 t a b 3 1g e o m e t r yp a r a m e t e r so fc h o n gq i n gm o n o r a ilc a ra n dr a ilt r a c k ， 几何参数参数值 前后导向轮对轮心间距( ，) m m 2 5 0 0 左右导向轮轮心间距( 口+ 2 ，) m m 1 5 8 0 左右稳定轮轮心间距( a + 2 r ) m m1 5 8 0 稳定轮直径( 2 r ) m m 7 3 0 导向轮直径( 2 r ) m m7 3 0 轨道梁宽度( a ) m8 5 0 每节道岔的长度m m6 0 0 0 第一节第一、二节第二、三节第三、四节第四、五节 五开道岔相邻两节夹角( 口) 度 3 0 5 73 0 6 63 0 6 53 0 5 23 0 7 7 第一节 第一、二节 第一二、二节第二、四竹第四、五节 三开道岔相邻两节夹角度 1 5 2 81 5 3 91 5 2 21 5 3 41 5 3 0 表3 2 车辆通过关节道岔时的最小变形餐 t a b 3 2m i n i m u md e f o r m a t i o no fc a rw h e ng e t t i n ga c r o s ss w it c h 导向轮变形蕈( m m ) 稳定轮变形量( m m ) 位置点道岔节号 五开三开五开三开 1 8 54 5 43 1 0 l第一节2 2 5 i 9 74 7 53 5 8 i i 第一节一第二节 2 4 5 1 7 84 9 02 9 5 i i i第二节一第三节2 4 9 1 9 24 3 83 4 5 i v第三节一第四节2 2 2 1 8 84 9 83 3 6 v 第四节一第五节2 5 4 通过几何学分析，得出以下结论： 1 通过关节道岔时，车辆产生较大的横向位移是必须的，这是由于左右导向 轮、稳定轮横向间距在通过折线夹角时，由于轮胎的压缩而产生变化。 2 车辆通过关节道岔时，相邻两关节的夹角越大，轮胎变形 作为建模对象，它 包括两组五开关节道岔，关节道岔具体结构见图2 ，1 l 。车辆前后转向架共有2 0 个 轮和轨道