（车辆工程专业论文）跨座式单轨车动力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着世界工业化进程的飞速发展，城市规模及人口数量迅速增长，使城 市交通状况变得拥挤不堪。城市轨道交通以其环境污染小、噪声低、乘坐舒 适、节省能源、投资少且运量大的优点在世界大中型城市得到广泛的运用， 并得到了系统性的研究。 跨座式单轨交通系统明显区别于传统钢轮一钢轨制式的轨道交通系统。 其转向架构造独特，使运行、导向机理及轮轨接触关系均不同于其他轨道交 通工具；其轨道梁不仅是承重的桥梁结构，同时也是约束车辆行驶的轨道。 独特的结构使跨座式单轨交通相对于常规交通系统既有优势也存在不足之 处。单轨交通作为一种城市公共交通系统已经在我国受到越来越多的关注， 其在我国重庆市已经得以应用，杭州市、东莞市和石家庄市也均就单轨交通 系统对本市轨道交通线路的适应性进行了研究。基于此，本文对跨座式单轨 车进行动力学性能研究，以期对单轨交通在我国的应用和发展有一定的指导 意义。 本文介绍了单轨交通的发展历史，以及在国外的应用情况，同时详细阐 述了跨座式单轨交通在我国的应用情况和发展前景；介绍了跨座式单轨转向 架的工作原理及其在轨道交通应用中的优缺点。介绍了轮胎的结构及力学特 性，给出了车辆各充气轮胎的侧偏角以及径向力、侧偏力、回正力矩的表达 式；结合单轨车转向架的技术特点和运行要求，利用车辆系统动力学理论， 分析了单轨车转向架和车体的受力情况，并建立单轨车动力学方程；应用多 体系统动力学软件s i m p a c k 建立了单轨车动力学仿真模型。利用建立的仿 真模型，对导向轮、稳定轮的预压力进行了研究；由于独特的车辆走行部结 构决定了跨座式单轨车辆不存在传统意义上的脱轨现象，乘坐舒适性是唯一 的车辆运行性能评定指标，因此用建立的仿真模型对转向架的主要悬挂参数 进行了优化分析，得到了较佳的参数组合。 论文分析结果表明，跨座式单轨车导向轮、稳定轮的预压力对单轨交通 运行的安全性、稳定性有重要的影响；跨座式单轨交通具有良好的运行平稳 性和舒适度，能够较好的满足现代城市发展的要求。论文的研究为今后我国 跨座式单轨交通的发展研究提供了一定的理论基础。 关键词：城市轨道交通；轮胎模型；跨座式单轨交通；动力学仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eg l o b a li n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h e r eh a sb e e n f a s tg r o w t hi nt h ec i t ys i z ea n du r b a np o p u l a t i o n t h u st h eu r b a nt r a f f i ch a s b e c o m eo v e r c r o w d e d t h eu r b a l lr a i lt r a n s i th a sb e e n w i d e l y u s e di n m e d i u m - s i z e dc i t i e so ft h ew o r l da n ds y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e df o ri t sa d v a n t a g e s i nl i t t l ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，l o wn o i s e ，g o o dc o m f o r t ，s a v i n ge n e r g y , l o w i n v e s t m e n ta n dl a r g ep a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o nv o l u m e t h es t r a d d l e - t y p em o n o r a i l t r a n s p o r t a t i o ni so b v i o u s l yd i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a ls t e e l w h e e la n ds t e e l r a i lt r a n s i t s y s t e m t h em o n o r a i lv e h i c l eh a s u n i q u eb o g i e s ，o fw h i c ht h er u n n i n ga n dg u i d i n gm e c h a n i s ma n dt h ew h e e l r a i l c o n t a c tr e l a t i o n s h i po fw h i c hd i f f e rf r o mt h a to fo t h e rr a i lt r a n s i ts y s t e m s t h e m o n o r a i lt r a c ki sab r i d g es t r u c t u r et h a tb e a r sl o a da sw e l la ss u p p o r t sl o a da n d g u i d et h ev e h i c l e s w i t ht h es p e c i a ls t r u c t u r ef e a t u r e s t h em o n o r a i lv e h i c l ea l s o h a ss h o r t c o m i n g sa sw e l la st h e a d v a n t a g e sc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a l t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s a so n eo fu r b a np u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m ，t h em o n o r a i l v e h i c l eh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nr e c e n t l y t h et e c h n i q u eo f s t r a d d l e t y p em o n o r a i lt r a n s p o r t a t i o nh a sa l r e a d yb e e na p p l i e di nc h o n g q i n gc i t y a n dh a sa l s ob e e ns t u d i e di nh a n g z h o u ，d o n g g u a na n ds h i j i a z h u a n g b a s e do n t h i s ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h em o n o r a i lv e h i c l ei no r d e rt op r o v i d es o m e g u i d a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm o n o r a i lv e h i c l ei no u rc o u n t r y w a ss t u d i e d t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h em o n o r a i lv e h i c l ea th o m ea n d a b r o a dw a si n t r o d u c e d t h ew o r k i n gp r i n c i p a l so fm o n o r a i lb o g i ea r ea n a l y z e da s w e l la st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft i r ea r ei n t r o d u c e da n dt h el e a n i n ga n g l e ，r a d i a lf o r c e ，s i d el e a n i n g f o r c ea n da l i g n i n gm o m e n to nt h er u n n i n g ，s t e e r i n ga n ds t a b i l i z i n gt i r e sa r ea l s o g i v e n c o m b i n e dw i t ht h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a v e lr e q u i r e m e n t s t h e f o r c ec o n d i t i o n so ft h em a i nc o m p o n e n t sa n dt h ed y n a m i ce q u a t i o n so ft h e m o n o r a i lv e h i c l ea r es t u d i e db a s e do nt h et h e o r yo fv e h i c l es y s t e md y n a m i c s a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lf o rm o n o r a i l v e h i c l ei sb u i l tb ys i m p a c ka n dt h e p r e p r e s s u r eo ft h es t e e r i n gt i r ea n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s t a b i l i z i n gt i r ei ss t u d i e d a st h e r ei sn ot r a d i t i o n a ld e r a i l m e n tp h e n o m e n o nf o r m o n o r a i lv e h i c l ef o rt h e s p e c i a ls t r u c t u r eo fb o g i e ，t h er i d i n gc o m f o r to f p a s s e n g e r si st h eo n l yi m p o r t a n ta s s e s s m e n ti n d i c a t o ro ft h er u n n i n gp e r f o r m a n c e t h em a i ns u s p e n s i o np a r a m e t e r so ft h eb o g i ea r e o p t i m i z e da n dt h eo p t i m a l d y n a m i c sp a r a m e t e r sa r eg a i n e d t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e p r e s s u r eo ft h es t e e r i n gt i r ea n d s t a b i l i z i n gt i r eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h es t r a d d l et y p e m o n o r a i lc a r t h em o n o r a i lv e h i c l eh a sr i g h tc o m f o r to fp a s s e n g e r sa n dc a nb e u s e di nt h eu r b a nr a i l c a r t h i sp a p e rp r o v i d e ss o m et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r e d e v e l o p m e n to ft h em o n o r a i lv e h i c l ei no u rc o u n t r y k e yw ord s = u r b a nr a i lt r a n s i t ；t i r em o d e l ；s t r a d d l e t y p em o n o r a i lt r a n s i t ；d y n a m i c s i m u l a t i o n 西南交通大学四南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：另歪主垒 e l 期：妒7 1 7 否 指导老师签名：莲毛彳 日期：f 。乒 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、依据浮心理论及动力学仿真分析得出跨坐式单轨车导向轮、稳定轮的 预压力对保证单轨车的运行安全性、稳定性具有十分重要的作用。通过仿真 研究了车辆在通过不同曲线半径时预压力的大小对车辆运行性能的影响。 2 、采用动力学分析的方法，对跨座式单轨车悬挂参数进行了优化分析， 得到较佳的参数匹配组合，并以优化后的悬挂参数对跨座式单轨车进行了较 详细的动力学性能分析。 学位论文作者签名：弓乞童釜 日期：沙7 年f 五月g 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着世界工业化进程的飞速发展，城市规模及人口数量迅速增长，特别 是汽车在城市交通中所占比例的剧增，使得城市交通状况变得拥挤不堪、环 境污染和交通事故增加。2 0 世纪7 0 年代中期后，随着世界经济的发展和人 类环境保护意识的不断提高，世界各国都在寻求发展与之相适应的城市交通 工具。城市轨道交通以其环境污染小、噪声低、乘坐舒适、节省能源、投资 少且运量大而得到广泛的运用，并得到了系统性的研究。 自改革开放以来，我国的城市规模和经济建设都有了飞速的发展，城市 化进程逐步加快，城市人口急剧增加，大量流动人口涌进城市，人员出行和 物资交流频繁，使城市交通面临着严峻的挑战。特别是进入2 l 世纪，我国大、 中城市均在调整产业结构、扩大城市区域、布局居民小区、形成城市的主中 心和辅中心区、发展卫星城市等方面重新规划城市的发展。为了满足城市化 和机动化快速发展的需要，促进城市的发展，对城市的快捷便利提出了更高 的要求，这就需要构建城市综合交通体系，形成由地面、地下和高架组成的 立体式城市轨道交通系统，以此作为解决城市交通问题的重要途径【2 1 。种类 繁多的轨道车辆以其大运量、高速、节能、环保、准时和经济等诸多优点满 足着不同城市的不同需求。目前，北京、上海、广州、深圳、天津、重庆、 南京、武汉、大连、长春等大型城市已建成部分城市轨道交通系统，杭州、 沈阳、成都、哈尔滨、西安、厦门、苏州、青岛、东莞、宁波、佛山、石家 庄、郑州、长沙、兰州等3 3 个城市正在建设、筹建或规划城市轨道交通，都 试图建成以地下铁道为骨干、多种类型城市轨道交通并存的交通体系 1 s , 6 5 。 自1 8 6 3 年英国建成世界上第一条地铁线路以来，随着科学技术的进步， 在满足多种需求的条件下，形成了门类繁多的城市轨道交通系统。从总体上 看，城市轨道交通按支撑导向方式可分为钢轮一钢轨系统、胶轮系统、索道 系统和磁悬浮系统，按牵引方式可分为旋转电机牵引、直线电机牵引和内燃 发动机牵引，按客运量可分为大运量、中运量和低运量系统 】。目前各国己 建成通车的城市轨道交通基本采用钢轮一钢轨走行系统的地铁和轻轨，这类 轨道交通问世已有百余年，在解决城市交通方面效果显著、技术成熟，而且 还在不断向更高技术层次发展。但是这类传统道交通也存在建设成本高、建 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 设周期长，对城市噪声、振动、景观等生态环境影响较大等不足之处。因此 许多国家在地铁和轻轨基础上进行变革和创新，又派生出多种新型城市轨道 交通，在走行、导向、驱动等方式甚至在研发理念上与传统地铁和轻轨都有 着诸多不同。这种新型城市轨道交通目前多为中运量交通系统，普遍具有造 价低、建设速度快、对城市生态环境影响小、运作弹性佳等特点。如直线电 机轨道交通( l i n e a rm e t r o ) 、单轨交通( m o n o r a i l ) 、自动导轨交通系统( a g t ) 、 索轨交通( c a b l er a i lt r a n s i t ) 、胶轮地铁系统和磁悬浮交通系统等，均开始 走向实用阶段【6 5 1 。 我国紧凑的城市布局形态、高密度的城市开发、高速度的城市化进程、 复杂的城市交通构成，给城市交通规划提出了特殊的要求和新的挑战。就作 为中等运量的单轨交通，可以很好地解决我国城市化进程中遇到的问题。跨 座式单轨铁路具有比地铁成本低、工期短，比轻轨高架线占地少、污染小、 能有效利用道路中央隔离带，适于建筑物密度大的狭窄街区的优点，此外， 单轨交通的车辆和轨道容易检查和维修养护，轨道使用寿命长【5 】。相对于上 述优点而言，单轨交通尽管存在一定的缺点，但不足以妨碍其使用。因而， 它不失为大城市客流中等的交通线路和中等城市主要交通线路的较好选择。 特别是在地形条件复杂，利用其他交通工具比较困难的情况下，更能体现其 优越性。基于此，本论文结合跨座式单轨交通车辆，对其动力学特性及在城 市轨道交通中的应用进行研究和分析。 1 2 单轨交通的发展概况 单轨交通历史悠久。早在1 8 2 1 年，英国人亨利帕尔默( h e n r yp a l m e r ) 就 创造了用马牵引车辆骑行于木制轨道上的跨座式单轨交通，并在英国登记并 获得发明权。后依据此项发明在1 8 2 4 年的英国伦敦码头，建造了世界上最早 的仅作为运输货物之用的单轨交通。1 8 8 8 年，法国人在爱尔兰铺设了约1 5 k m 长客货两用的跨座式单轨铁路，由2 台锅炉组装成的蒸汽机车牵引( 如图1 1 所示) ，从此有动力的单轨开始走向实用化阶段，其最高速度4 3 k m h ，平均 旅行速度2 9 k m h ，这条线路一直运行到1 9 2 4 年。1 8 9 3 年，德国人浪琴( l a n g e n ) 发明了悬挂式单轨，1 9 0 1 年在伍珀塔尔开始运营，长度为1 3 3 k m ，其中1 0 k m 线路跨河架设，其余在公路上方。从欧泊巴f - - j ( o b e r b a r m e n ) 至松伯恩 ( s o n n b o r n ) ，空中高度为1 2 m ，后一段空中高度为8 m ，因为在小河流上空行 驶，所以对航运并无影响，更无碍于城市市内交通。此悬挂式轨道交通在二 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 战期间曾遭到破坏，1 9 4 6 年修复使用。现今伍珀塔尔市悬挂式单轨交通采用 的是铰接车辆，长2 40 6 m ，可乘2 0 4 人，平均速度为2 5 k m h ，高峰时行车 间隔为25 m i n ，每天可运送乘客55 万人 2 , 4 , 1 0 , 1 2 , 15 】。 二次大战后，随着科技进步，单轨交通技术逐渐成熟，在许多国家相继 修建。1 9 5 2 年德国工业家阿西欧奈威诺格伦( a x e l i e n a r dw e a n e r - g r e n l ，在德 国科隆附近的菲林根建造了一条单轨线进行实用性试验研究。经反复试验， 1 9 5 8 年得出结论：采用跨座式、混凝土轨道和橡胶充气轮胎能达到最好的效 果。这就是目前所称的a l w e g 型单轨，这也是现今跨座式单轨交通的基本 形式( 如图1 1 所示) 。1 9 6 0 年2 月法国十几家厂商合作并在法国国营铁路和 巴黎交通公司的支持下，在巴黎南部奥尔良附近建设了一条长l4 k m 的悬挂 式单轨交通试验线进行研究，最后开发了萨菲基( s a f e g e ) 型单轨，目前日本 采用的悬挂式单轨基本就是这种形式f 如图1 2 所示1 。 这两种型式的单轨此后在美国、日本、意大利等国家的许多城市的游乐 场和博览会上作为观光娱乐和短途交通得到了广泛的应用。 图1 - 1 跨座式单轨车图1 - 2 悬挂式单轨车 121 单轨交通在国外的发展应用 澳太利亚悉尼市于1 9 9 8 年建成一条长度为3 6 k m 的跨座式单轨交通， 连接达令港与繁华中心商业区，单方向行驶，平均每4 分钟一班列车，绕行 一圈仅需1 2 分钟，每小时可运送2 2 5 0 人，是目前作为城市客运交通规模最 小的单轨交通。它不但是这座城市最赏心悦目且最方便的公共运输工具，甚 至因为本身的独特造型与很高的“能见度”形成一座透明的“流动地标”r 如 图1 3 所示1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 3 悉尼市单轨交通图i - 4 杰克逊威尔市单轨交通 美国弗罗里达州的杰克逊威尔市也于1 9 9 9 年3 月建成一条作为城市公共 交通自动化程度较高的跨座式单轨交通( 如图1 ，4 所示) ，线路连接着圣约翰 河的两岸，长4 k m ，设有9 个车站，有效地解决了该市的交通需求，按计划 工程还将继续扩建。在美国的的一些游乐场所和机场也建设了短途的单轨交 通 圣淘沙捷运是新加坡的一条连接港湾和圣淘沙的单轨交通( 如图1 - 5 所 示) 。单轨车采用日立的“s m a l l ”跨座式单轨技术。全线长21 公里，上下行 双线，目前有三个车站，第四个车站滨海站，将于2 0 1 0 年投入使用。这一条 线路有四辆漆成不同颜色的两节车厢列车，每小时可运载4 0 0 0 名乘客，每辆 列车可载客1 2 0 名，高峰期各列车间隔5 分钟运行，非高峰期各列车间隔8 分钟运行。 图i 一5 圣淘沙单轨交通图1 6 莫斯科市单轨交通 马来西亚比较重视跨座式单轨形式的城市客运交通，采用了一种自行研 制的体型较小的跨座式单轨交通。俄罗斯首都莫斯科也修建了一条跨座式单 轨交通( 如图1 - 6 所示) ”】。 单轨交通作为城市交通工具最早受到重视并获得较大发展的国家是日 本。从上世纪6 0 年代传入日本，多年的引进、吸收、再开发，使单轨从旅游、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 娱乐工具发展成为城市公共客运交通系统中一种型式，而且建成7 条线路， 总长度约1 0 3 k m ，成为世界上单轨交通数量最多、线路最长的国家，单轨交 通技术日趋成熟。1 9 5 7 年东京开发的第一条单轨线建在上野动物园，用来运 送游客，这条线是城市交通的实验线 2 , 4 , 1 4 】。 1 9 6 4 年曰本东京修建了从市中心到羽田机场的用于机场专用通道的单 轨交统一羽田线( 如图l 一7 所示) ，开始把单轨交通作为城市公共交通的运输 工具，营业里程总长1 78 公里，整条路线都是沿东京湾岸边而行。列车采用 7 5 0 v 直流电，由3 节车厢固定编组，载客1 4 0 人。旅行速度5 2 k m h ，最高 速度8 0 k m h 。平均日运量1 6 万人次，其中8 0 是上下飞机的旅客。线路的 最大坡度6 0 0 ，最小曲线半径1 2 0 m ，轨道面高18 5 2 0 米，预应力混凝 土粱架在间隔为1 0 2 0 米的支梓上 4 , 1 4 】。 图l 一7 羽田单轨交通图i - 8 湘南悬挂式单轨交通 1 9 7 0 年，日本为了解决在大阪举办万国博览会时场内客运交通的问题， 修建了一条长4 3k m 的环形线路的跨座式单轨线，在整个会期内运送了3 3 5 0 万人次。同年又在湘南修建了连接大船火车站和江岛的悬挂式单轨交通线( 如 图1 - 8 所示) ，解决了当地居民的交通困难问题h 1 4 1 。 图1 9 北九州单轨交通图1 1 0 大阪市单轨交通 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 北九州的城市单轨，开业于1 9 8 5 年。线路长度为8 8 公里，设置了l3 座车站，4 辆编组，平均每天运送乘客3 3 万人。单轨和铁路等其它交通系 统的换乘站与大楼合为一体，为乘客换乘提供方便。这条单轨也是日本根据 有关单轨系统的法律而建成的第一条线路f 如图1 - 9 所示) 。 2 0 世纪末大阪市为了建设多轴、多核型城市结构，在地域结构扩大、城 市机能分散过程中应考虑建设周边地区环状交通联络线，以提高整备水准， 加速土地利用的转换，提高土地利用价值，并规划与土地开发相适应的单轨 交通线一大阪机场线，于1 9 9 7 年8 月开通，线路长度2 38 公里，设置有1 6 座车站，4 辆编组，平均每天运送乘客8 5 万人，预定将来改为6 辆编组。 这条路线特点为环状，规划线路长度将达到4 0 公里( 如图1 1 0 、1 1 1 所示1 。 一i ，、澎，澶 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 13 千叶市单轨交通图1 1 4 那霸市单轨交通 日本冲绳岛的那霸市单轨( 如图l 1 4 所示) ，是那霸市最初的轨道类交通 系统。单轨于1 9 9 6 年初动工，2 0 0 3 年开业，线路长度为1 31 公里，贯穿城 市东西，设置有15 座车站，平均每天运送乘客33 万人，该线路还具有观光 功能。目前正规划修建3 公里的延伸线h ” 。 1 22 单轨交通在我国的发展应用 我国一些城市市区街道狭窄、建筑物密度大、居民出行量大，还有一些 城市如重庆等，地形起伏较大，除街道狭窄外还有坡陡、长坡和弯多等特 点，因此这些城市在发展城市轨道交通时选用跨座式单轨交通制式比较适合。 我国近年来也开展了对跨座式单轨交通技术的研究，国家科委在九五期间将 该交通技术列入“九五”科技攻关项目：杭州市曾于1 9 9 3 年5 月作了杭州市 铁路城站一兴隆村( 全长1 4l k m ) 跨座式单轨交通的预可行性研究；东莞和石 家庄市也均对单轨交通系统对本市轨道交通线路的适应性进行了研究”。 重庆是我国著名的山城，老城区道路坡道起伏大、弯道多、半径小、城 市道路狭窄、人口密度相当大。主要靠公共汽车或出租汽车的市内交通已不 能满足城市发展的需要，制约了城市的发展，要解决市民的出行就必须沿着 既有道路的走向建设轨道交通。在地下建地铁投资大，地面条件不好，因此 只能建高架。根据当地的具体情况，1 9 9 1 年重庆市政府正式批准轨道交通系 统列入重庆市城市建设总体规划，并成立市轨道交通总公司。主城区轨道交 通基本制式选定为钢轮一钢轨地铁和跨座式单轨交通系统，其中跨座式单轨 交通共规划了二、三号两条线，远景将形成总长约9 9 k m 线路。重庆轻轨较 新线( 二号线) 一期工程线路由较场口到新山村( 如图1 - 1 6 ) ，全长1 91 5 k m ，共 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 1 8 个车站，初期为四辆编组，3 分钟间隔，配车8 4 辆，形成单向14 8 万人 次，j 、时运能。车辆采用具有国际先进水平的a l w e g 型跨座式单轨车，即： 轨道采用高架混凝土轨道粱，车轮为橡胶充气轮胎，车辆跨座在轨道粱上运 行。为目前我国修建的第一条跨座式单轨交通系统线路，2 0 0 5 年6 月1 8 日 较场口至动物园正式通车运营1 1 , 4 , 8 , 1 4 , 6 5 1 。重庆列车编组及定员情况见表1 1 。 表1 - 1 重庆市较新线列车编组及定员表 注：表中m c 为带司机室电动车( 1 个动力转向架和1 个非动力转向架) ；m 为电动车( 2 个动力转向架1 。 。；轴餐t 。 * ! ! ! 。，等2 1 琵。 “ 冬” - 艟4 ，端# 图1 一1 5 重庆市单轨变通图1 1 6 重庆市单轨交通线路图 重庆单轨车辆转向架是由中国北车集团长客股份有限公司设计制造的 f 图1 1 7 ) 。单轨转向架为跨座式结构，分为动力转向架和无动力转向架两种， 动力转向架主要由构架组成、走行轮组成、导向轮组成、稳定轮组成、走行 辅助轮组成、中央悬挂装置、基础制动装置、停放制动缓解装置、基础制动 配管、驱动装置、集电装置、内压检测装置、隔音板等组成；无动力转向架 没有隔音板，但在转向架端部装有a t p 天线，它的齿轮箱没有输入轴，主要 起传递制动力的作用，并取消了牵引电机和联轴节。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图1 1 7 重庆单轨车辆转向架简图 1 3 单轨交通的分类及技术特点 脞 鲑 蘼 曰蛋亘固司 舅舅酗 j 醴箍二j 口亘巫亘 单轨交通按车辆的行车状态，分为跨座式( 如图1 - 1 ) 和悬挂式( 如图1 2 ) 两类。悬挂式独轨交通的转向架在轨道梁上行走而车体悬挂在轨道梁下运行， 轨道梁多为下部开口的箱型钢粱结构，车辆走行轮与导向轮均置于箱粱内部 并沿粱内设置的轨道行驶，车辆行驶方向的改变通过箱型轨道粱内可动轨的 水平移动来实现。车辆有对称式和非对称式两种：对称式的车辆，以一对橡 胶车轮在轨道梁的走行板上运行；非对称的车辆有吊钩，吊钩上有钢制车轮， 车轮在铺设于轨道粱上的单根钢轨上运行。跨座式独轨交通的车辆，在轨道 梁上运行。轨道梁一般是预应力混凝土箱形梁，在跨越河流和其他交通线路 时，因粱的跨度较大，原则上要采用钢制的轨道粱。在道岔区的道岔，正线 地段为保证车辆平顺通过采用关节可挠型道岔即曲线性道岔；在车场内等 低速和无乘客乘坐的车辆通过的道岔，一般采用关节型道岔，即折线型道岔。 车辆除底部走行轮外，在车体两侧下垂部分设有导向轮和稳定轮夹行于轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 梁两侧，以保证车辆沿轨道安全平稳行驶。悬挂式单轨交通的支柱通常采用 钢柱，跨座式单轨的支柱一般为钢筋混凝土柱 2 , 4 , 1 0 , 1 4 。 跨座式独轨交通和悬挂式独轨交通在构造等方面还有许多差异。悬挂式 的导电轨、走行系统等均藏在钢梁内部，不受气候影响，但不能直接检查维 护保养工作量大；车辆行驶在轨道梁下使轨道梁抬起高度大；最小曲线半径 限制极小，可平顺通过。跨座式的轨道梁、导电轨、道岔均显露在外部，便 于维护，但易受雨、霜、雪的影响，虽易清除，但也影响黏着力，有些地方 还需考虑防滑措施：车辆行驶在轨道梁上，梁下最小净高满足街道车辆限界 尺度即可；最小曲线半径受到一定限制【4 】。 跨座式轨道交通多采用高架的形式，可以满足单向高峰小时3 万4 万人 次的断面客流，与城市一般客运交通相比，具有以下优点 4 , 5 , 6 , 1 4 】： 1 建设工期短，费用低廉，施工简单。无需像地铁那样大的土方工程， 标准轨道可在工厂预制，现场拼装，建造容易；其建设费用远低于地铁，仅 为地铁的1 3 - - 一1 4 ，其保养维修费用，也较地铁和传统铁路低； 2 单轨铁路轨道狭窄、结构简单、占用土地少、空间适应性强。单轨铁 路是在地面用钢筋水泥建起直径为1 2 1 5 米的圆形支柱，然后在支柱之间 架起轨道，轨道距地面高度为7 1 9 米。它仅在地面占用支柱基座面积，就 能在城市上空开辟一条新的运输线。它可以利用现在城市道路的中央分隔带， 或河川上方的空间，架设高空轨道，不必搬迁地面建筑，更不影响地下管线 的原有走向； 3 承担的运量比较大。城市单轨铁路列车由4 6 辆车厢构成，列车最 大载员为1 6 2 6 人，每小时可达l - - 2 万人次，其运量介于公共汽车与轻轨交 通之间； 4 爬坡能力强。单轨交通的车辆使用橡胶轮胎，可以通过1 0 0 的坡道 和半径为3 0 m 的曲线，但大坡度和小半径会降低速度，减少车次并需要加大 牵引电动机的功率，因此，为达到正常速度，轨道坡道应在6 0 o 以下，曲线 半径应在1 0 0 米以上； 5 运输安全性好。单轨铁路的车辆和轨道的特殊形式，没有脱轨的危险。 单轨铁路采用高架轨道，与其他交通互不干扰，不受公路拥挤的影响，因此 不会发生撞车事故，也能保证正点运行； 6 乘坐舒适。由于采用橡胶轮胎和空气弹簧转向架的车辆，其振动较小， 室内装有空调，环境宜人，乘坐舒适。不存在脱轨现象，运行安全可靠： 7 便于和旅游观光结合起来。列车奔驰于城市上空，乘客可临窗饱览都 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 市风光，为旅游开辟新途径，为都市增添立体新景观。 不过，由于其自身特点，单轨交通也存在一些缺点： 1 能耗大。由于走行装置采用橡胶轮，它与混凝土轨面的滚动摩擦阻力 约是钢轮一钢轨系统的5 一l o 倍，电能消耗比一般轨道交通约大4 0 ，并且 车辆橡胶轮磨耗易造成轻度粉尘污染； 2 运能较小。轴重小，载客量和车辆长度均受限制： 3 不能与地铁，轻轨接轨； 4 轨道梁制造工艺要求高，尤其是道岔部分的梁轨结构复杂、笨重，道 岔转换时间较长，使增加列车行车密度受到制约，成为控制运能的主要因素， 此外车辆走行装置复杂，需配置紧急备用轮，造价较高； 5 若列车在运行区间发生故障停车时，疏散和救援困难。 1 4 跨座式单轨交通转向架的工作原理及特征 1 4 1 跨座式单轨交通转向架的工作原理 与传统轨道交通体系相比，除供电方式、通信、信号系统等有所区别外， 跨座式单轨交通的最大的区别主要反映在车辆转向架、轨道梁和道岔等三方 面，称之为该交通系统三大关键技术。跨座式单轨车辆转向架是车辆核心部 件，是最能体现该交通系统运行特点的部分。转向架采用跨座式无摇枕转向 架，采用中心销牵引。每个转向架有4 个走行轮、4 个导向轮、2 个稳定轮， 都使用橡胶轮胎( 如图1 1 8 ) 。走行轮采用充氮气无内胎钢丝橡胶轮胎，以 轨道梁的上表面为走行面，起承载、传递牵引力、制动力和缓冲车辆竖向振 动的作用；导向轮、稳定轮内充压缩空气，都以轨道梁的侧面为走行面，起 到缓冲车辆横向振动的作用，其中导向轮在过弯道时起导向作用；稳定轮是 在车辆受到离心力、风力的时候起稳定作用。为防止轮胎失气，每种车轮都 备有辅助安全车轮。转向架构架由钢板焊接而成，其左右侧梁的前后有导向 轮的支撑架，左右侧梁的中部有稳定轮的支撑架。车辆运行时，走行轮与稳 定轮紧紧“抱 住轨道梁，其轨道梁不仅是承重的桥梁结构，同时也是支承 和约束车辆行驶的轨道，承受较大的扭转荷载，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 单轨车辆的安全性、舒适性评估问题也成为新的突出问题i s , 9 , 1 4 1 9 ，6 s 。 图1 1 8 跨座式单轨车转向架示意图 1 4 2 跨座式单轨交通转向架的主要特征 与传统地铁轻轨车辆转向架相比，由于独特的工作原理，跨座式独轨车 辆转向架无论从结构上还是从材质上都采取了些有效措旌，使其具有如下 主要特征e 1 4 】： ( 1 ) 采用无摇枕结构，使转向架自重明显减轻； ( 2 ) 采用铝合金齿轮箱体，使转向架自重进一步减轻； ( 3 ) 构架选用厚8 m m 1 0 m m 的1 6 m n 薄钢板焊接而成，使构架在保证强 度要求的前提下，既具有一定的柔性，又实现了轻量化； ( 4 ) 采用t i l 横向刚度的空气弹簧，在通过曲线时起转向作用，并提高 了车辆运行平稳性和乘坐舒适性； ( 5 ) 驱动和制动装置集合为一体，使结构紧凑，体积和质量大大减小， 而且基础制动采用盘形制动，制动效率高，制动盘与闸片的耐磨性好，检修 工作量小； ( 6 ) 采用橡胶轮胎作为走行车轮，它与混凝土轨面间的粘着( 即摩擦) 状况 明显得到改善，同时使运行噪声降低，运行平稳性提高。 1 5 本论文的主要工作 跨座式单轨与其他轨道交通体系相比有独特的动力学特性，本文将通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 动力学软件仿真分析优化转向架各悬挂部件的参数，并对其动力学性能进行 预测分析，晟终确立合适的悬挂参数，以获得良好的动力学性能，满足跨座 式单轨车安全性、舒适性的使用要求。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍国内外单轨车的应用情况，分析跨座式单轨车转向架的结构及 工作原理； ( 2 ) 分析轮胎的动力学性能，研究走行轮胎、导向轮胎和稳定轮胎对车 辆的稳定性、安全性以及平稳性的影响； ( 3 ) 针对转向架的结构特点，利用多体动力学软件s i m p a c k ，建立相应 的动力学模型，分析悬挂参数对动力学性能的影响； ( 4 ) 根据悬挂参数对车辆动力学性能的影响，提出合理的悬挂参数，并 对跨座式单轨车动力学性能进行预测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章轮胎的结构和力学特性 车辆在道路上行驶，其所受到主要的控制与扰动力，除了空气动力以外， 其余全是经由轮胎与路面间附着作用而作用在汽车上的。轮胎、轮胎的工作 状况、接触区内所产生的力和力矩，三者之间关系的深入了解是整车动力学 的一个基本方面。 轮胎有三个基本功能： ( 1 ) 支撑垂直载荷，同时与悬挂元件共同作用以缓冲路面不平顺引起的 冲击； ( 2 ) 传递纵向力以实现加速、驱动和制动； ( 3 ) 提供转向所需的侧向力。 就机械结构而言，轮胎是一个由柔韧的胎体构成的简单的粘弹性圆环。 在胎体中，高弹力帘线固定在胎圈钢丝上，而胎圈将轮胎紧紧的落座在轮辋 上。胎体受到内部充气压力产生应力，所以任何外力引起的胎体变形都会使 轮胎产生一个反作用力。其特性经过现代改进与优化，已经成为一个复杂的 非线性系统，要将其量化己变得既困难又复杂。为了近似各种性能特性，诸 多学者已经建立了许多的轮胎简化模型。轮胎的特性不仅与运行工况有关， 也受到轮胎结构类型的影响( 3 0 】。 2 1 轮胎的分类 按胎体结构不同，轮胎可分为充气轮胎和实心轮胎。实心轮胎仅应用在 军事车辆或其他低速汽车或重载挂车上。现代车辆绝大多数采用充气轮胎。 轨道交通车辆使用的轮胎一般是高压充气轮胎，轮胎内压力高达8 0 0 9 0 0 k p a 。 按轮胎的胎面花纹可分为普通花纹( 横沟花纹和纵沟花纹) 、混合花纹( 横 沟和纵沟兼有) 和越野花纹( 砌块花纹) 。轨道交通车辆通常采用适用于良好路 面的纵沟花纹。 根据轮胎胎体中帘线排列方向的不同，充气轮胎可分为普通斜线胎、带 束斜交轮胎和子午线轮胎。子午线轮胎与普通斜交轮胎相比，弹性大，耐磨 性好，可使轮胎使用寿命提高3 0 - - 一5 0 ，滚动阻力小，可降低能耗8 左 右，粘着、缓冲性能好、承载力大。其缺点是：帘线的内摩擦较小，缺乏自 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 身衰减振动的能力，因此需要加强悬挂的减振性能m 。2 1 ”1 。 22 轮胎的构造 轮胎主要由胎面、胎肩、胎侧、胎体和胎圈等部分组成，如图2 。l 所示。 图2 1 轮胎结构图 胎面为胎冠部位缓冲层( 或带束层) 或帘布层以上的外胎胶层，是轮胎滚 动时与路面接触的重要部分，其主要作用是保护帘布层，确保轮胎与路面间 的摩擦系数，增加轮胎与路面之间的粘着力，向路面传动驱动力和制动力， 减弱来自路面的冲击和振动以及来自车辆车本身的振动。因此，胎面胶需要 具有耐磨性好，滚动阻力和噪声小，还要具有良好的弹性、耐疲劳性和较高 的耐老化性能。 胎侧是指胎肩至胎凰之间的贴在胎体侧壁部位的橡胶层，它的主要作用 是保护轮胎侧面的帘布层，由于胎侧要不断承受屈曲和伸缩，所以要有良好 的耐疲劳性能。 缓冲层是用胶片和两层或数层挂胶稀帘布制成。由于胎面和胎体是完全 不同的结构，两者之间刚度可能相差很大，之间添加缓冲层就可以防止刚性 的断层和吸收来自路面的局部变形与冲击。带束层是指在子午线轮胎和带束 斜交轮胎的胎面基部分，沿胎面中心线圆周方向的箍紧胎体的材料层，它的 主要作用是增强轮胎的周向刚度和侧向刚度，承受6 5 7 5 的胎面应力。 胎体通常为一层或数层挂胶帘布与胎圈组成的整体，使外胎具有一定的 强度和弹性，以承受轮胎使用时的复杂应力和多次变形，并缓和外来的路面 振动和冲击。斜交轮胎的胎体帘线彼此交叉排列，各与胎冠中心线层有3 5 4 0 度的夹角，主要作用是承受法向、切向和侧向负荷：子午线轮胎的胎体帘 线相互平行，成弓形地从一侧胎圈绕至另一侧胎圈，按轮胎子午线方向排列， 主要作用是保护胎压，保持断面形状，承受由法向负荷产生的横向拉伸应力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 胎圈是指轮胎安装在轮毂上的部分，它的主要作用是将胎体帘布层的两 侧边缘固定以保持内部气压，承受外胎与轮辋的各种相互作用力，同时防止 轮胎从轮辋上掉下脱落。胎圈主要是由钢丝圈、三角胶和胎圈包布构成。钢 丝圈是轮胎胎圈的基础，是外胎强度的保证 2 0 】。 2 3 轮胎的滚动阻力 轮胎式轨道车辆在水平道路上行驶时必须克服与地面接触产生的滚动阻 力。统计表明，