轨道梁动力行为对跨座式单轨车辆走行性能的影响

轨道梁动力行为对跨座式单轨车辆走行性能的影响

李小珍;葛延龙;晋智斌;朱艳

【摘要】针对跨座式单轨车辆通过轨道梁桥时,轨道梁的振动与变形会对车辆走行性能产生影响,建立跨座式单轨车辆-轨道梁空间耦合振动模型,计算分析不同车速、载客量条件下轨道梁区段和路基区段的车桥动力响应,进而探究轨道梁动力行为对车辆动力响应的影响水平与规律.研究结果表明:标准形式PC轨道梁动力性能良好.轨道梁跨中竖向挠度的峰值与车速关系不明显,随载客量的提高显著增大;跨中横向位移的峰值随车速先增后减,受载客量影响较小.轨道梁跨中竖向加速度随车速先增大后趋于波动,跨中横向加速度随车速的提高呈上升趋势,且二者基本不受载客量影响.轨道梁的动力行为是影响车辆竖向振动加速度的主要因素,其单独引起的车体横向振动加速度占比约50％.强化对轨道梁竖向振动和横向变形的控制可有效提升车辆的走行性能.

【期刊名称】《铁道科学与工程学报》

【年(卷),期】2018(015)012

【总页数】7页(P3225-3231)

【关键词】跨座式单轨交通;轨道梁;载客量;动力响应;走行性能

【作者】李小珍;葛延龙;晋智斌;朱艳

【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031

【正文语种】中文

【中图分类】U232;U441+.3

轨道交通建设是关乎城市可持续发展的民生工程。跨座式单轨交通具备地形适应能力强、环保性能优越、建设周期短、造价低等多重优势，可有力保障城市客运系统的高效运转，是一种应用前景广阔的城市轨道交通形式[1]。跨座式单轨技术的日

益完善和成熟，使其从纯粹的游乐设施发展成为一种公共交通工具，并在许多国家得以应用和发展。跨座式单轨车辆骑跨在轨道梁上方，依靠走行装置(如图1所示)沿轨道梁行驶，利用夹行在轨道梁两侧的导向轮与稳定轮来保障车辆行走的安全与平稳[2]。车辆在通过轨道梁桥时，会引起轨道梁结构的振动，而轨道梁的振动又

会反过来影响车辆的振动，二者相互激发、相互影响，便是车桥系统的振动耦合问题[3]。跨座式单轨车辆振动的外部激励源包括轨道梁表面不平度、曲线段超高等，而影响车桥动力响应的因素主要有列车动力参数、运行车速与载客状态，轨道梁表面不平度及其动力参数等，这些要素将直接或间接地影响跨座式单轨交通的行车安全平稳与乘坐舒适性能。杜子学等[4]将转向架和车体均看作刚体，采用满载车辆

以36 km/h速度通过最小半径为100 m的“S”型曲线轨道梁桥时，对跨座式单轨车辆的运行安全性进行分析和评价。周小芳[5]基于Rayleigh法基本原理推导了轨道梁横向自振频率的简化计算公式。Chang等[6−7]现场实测了钢轨道梁的表面不平度样本，用于车桥动力响应分析。结果表明，空车状态下车辆振动响应最大，并提出轨道梁的横向位移来自轨道梁剪切中心与列车竖向荷载的偏心引起的扭转效应。马继兵等[8−9]指出，线路光滑时车体振动主要由轨道梁的振动引起，线路

的平整度对车体动力响应的影响较为显著；刘羽宇等[10−11]的研究表明，车速与表面不平度对轨道梁竖向挠度影响较小，对竖向加速度影响较为明显; 不同的表面不平度在车速大于40 km/h后对车体竖向加速度的影响较大。张凯[12]的研究表

明，轨道梁和车体的横向振动响应随曲线半径的增大呈递减趋势，竖向振动响应受曲线半径的影响较小。乔志[13]探讨了跨座式单轨桥梁的基频限值，并对不同车速和梁高条件下轨道梁的动力系数进行计算分析，整理得出轨道梁跨中截面动力系数与基频比的线性拟合公式，为结构设计提供参考。

轨道梁作为跨座式单轨交通系统的承载结构和运行轨道，对车辆走行性能的影响成分主要体现在2个方面：一是表面不平度，另一个是轨道梁的动力行为。表面不

平度对车体振动响应的影响已在上文叙述，而关于轨道梁动力行为对车辆走行性能影响的研究目前在跨座式单轨领域开展较少。张晓波[14]运用SIMPACK和ANSYS 软件进行车桥动力响应研究，探究桥梁刚度对高速列车走行性的影响规律。刘国[15]的研究表明，轨道梁横向和竖向刚度分别对跨座式单轨车辆横向和竖向乘坐舒适性影响很大。车辆运行时的振动水平决定了车辆的走行性能。为探究轨道梁动力行为对车辆振动响应的影响水平与规律，将上述2种要素分离开来，分别计

算车辆在弹性轨道梁和在具备相同不平度的刚性路基区段运行时车体的振动响应，二者差值即为轨道梁动力行为单独引起车辆振动的动力响应。突出轨道梁动力行为对车辆走行性能的影响，可为轨道梁结构设计提供参考。

采用空间车辆振动模型，可以较为真实全面地描述车辆振动状态。将每节车辆的车体和前、后转向架均视为对称刚体，每个刚体考虑伸缩、沉浮、点头、横摆、侧滚和摇头6个自由度，即每节车辆共计考虑18个自由度。跨座式单轨车辆空间动力模型的侧视图如图2所示。

假定单轨车辆沿硬性轨道路面等速前进，车轮和轨道梁之间始终保持密贴；走行装置结构对称，将橡胶车轮与中央悬挂装置视为并联的线性弹簧-粘性阻尼元件，且

各轮胎模型仅考虑径向刚度和阻尼，忽略荷载和胎压变化对车轮动力参数的影响。依据车辆系统动力学理论，采用虚功原理推导出单轨车辆运动微分方程(如式1所示)，进而求解车辆动力响应。

式中：M，C和K分别为车辆动力模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Xv表

示车辆的振动位移向量；表示车辆振动速度向量；表示车辆振动加速度向量；Pg

是车辆自重荷载向量；是轨道梁对车辆的作用力列向量。

通过车辆行驶时转向架的运动位移来表示轮胎变形量，将其输入相应的轮胎模型中获得轮胎力与力矩，分别作用于转向架与轨道梁上。

分析中采用跨座式单轨列车为6辆编组(Mc1+ M2+M4+M5+M3+Mc2)，计算

工况中载客量包括AW0(空车)、AW2(定员、6人/m2)和AW3(超员、9人/m2)3种不同状态[2]，设计车速为5~80 km/h。车辆动力性能对车桥系统动态响应影响显著，故车辆动力参数(如表1所示)取值应尽可能与实际相符。车辆响应输出转向架上方底板处的横向和竖向振动加速度峰值。

选取跨座式单轨线路跨径25 m简支PC轨道梁，采用标准箱型0.85 m×1.5 m截面。采用有限元方法建立轨道梁振动微分方程(如式(2)所示)，计算模型中的单元均为空间离散梁单元，每个节点考虑6个运动自由度。

式中：M，C和K分别为轨道梁动力模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Xb

表示轨道梁振动位移向量；表示轨道梁振动速度向量；表示轨道梁振动加速度向量；是车辆对轨道梁的作用力列向量。质量矩阵采用一致质量矩阵，阻尼矩阵采用Rayleigh阻尼。

通过优化节点编号来缩减轨道梁动力模型中矩阵带宽，提高响应的求解效率。设定6等跨轨道梁，使得车辆和轨道梁的相互作用被充分激发，且梁体响应输出第3，

4和5跨跨中振动位移和加速度峰值。

轨道梁的表面不平度是车辆在行驶过程中产生振动的重要外部激励，会对车桥动力响应产生影响。大量测试结果表明，路面纵剖面不平整度序列是一种随机现象，在数学上可近似表达为各态历经的平稳随机过程，即表面不平度激励下的车桥耦合振动从本质上来说属于一种随机振动现象。本研究采用文献[6−7]中根据实测数据确