彭立群，林達(dá)文，吳興磊，張志強(qiáng)，王 進(jìn)

(中國南車 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

跨坐式單軌交通起源于20世紀(jì)60年代，在日本的東京、大阪、多摩、沖繩等地相繼建成了數(shù)條單軌交通運(yùn)營線路?？缱絾诬壗煌ㄜ囕v與普通地鐵車輛相比，有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行噪聲低、景觀性好等顯著特點(diǎn)，特別適合線路經(jīng)過區(qū)域山高坡陡、道路曲折、地形復(fù)雜等具體情況。在我國著名的山城重慶，校場口至新山村線為高架單軌線，也是我國第一條單軌交通線。此外，杭州、東莞和石家莊也對(duì)單軌交通系統(tǒng)對(duì)本市公共交通系統(tǒng)適應(yīng)性進(jìn)行了調(diào)研。單軌交通作為一種城市公共交通系統(tǒng)在國內(nèi)外備受關(guān)注［1-7］。而牽引機(jī)構(gòu)是單軌車轉(zhuǎn)向架中關(guān)鍵的牽引部件，在裝車使用前必須對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測，為確保車輛的安全性和舒適度，更需要對(duì)其進(jìn)行合理、全面的檢驗(yàn)。目前有關(guān)牽引機(jī)構(gòu)的技術(shù)條件中，試驗(yàn)內(nèi)容涵蓋靜態(tài)性能、極限性能、破壞性能、疲勞性能等，而2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)則是安全性、可靠性判定中綜合性最強(qiáng)、最關(guān)鍵的試驗(yàn)。文章著重對(duì)2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

1 單軌車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

單軌車的種類較多，根據(jù)車輛重心在軌道位置不同分為直立式、跨坐式、懸掛式3種，其中跨坐式綜合性能最好、應(yīng)用最為廣泛。與傳統(tǒng)軌道交通相比，跨坐式單軌車的最大區(qū)別在于車輛轉(zhuǎn)向架、軌道和道岔，其中轉(zhuǎn)向架是車輛的核心部件，也是最能體現(xiàn)該交通系統(tǒng)運(yùn)行特征的部分。

跨坐式單軌車轉(zhuǎn)向架主要由牽引機(jī)構(gòu)、走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪、沙漏簧、油壓減振器、構(gòu)架等組成，如圖1所示。

圖1 跨坐式單軌車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

其中牽引機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件，由4根牽引桿、2根扭桿軸、4個(gè)底座、1根橫向連桿、1個(gè)油壓彈簧組成，如圖2所示。通過牽引桿前端橡膠關(guān)節(jié)連接轉(zhuǎn)向架，由底座連接車體構(gòu)架，傳遞車體相對(duì)轉(zhuǎn)向架的牽引力，并吸收橫向偏擺載荷，保證車輛平穩(wěn)運(yùn)行;走行輪為無內(nèi)胎鋼絲橡膠輪胎，行駛在軌道上表面，起承載、傳遞牽引力、制動(dòng)力和緩和車輛垂向振動(dòng)的作用;導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪內(nèi)充壓縮空氣，行駛在軌道側(cè)面，起緩沖車輛橫向振動(dòng)的作用，導(dǎo)向輪在過彎道時(shí)起導(dǎo)向作用;穩(wěn)定輪是在車輛受到離心力、風(fēng)力的時(shí)候起穩(wěn)定作用;高阻尼的油壓減振器用于衰減轉(zhuǎn)向架的垂向振動(dòng)或側(cè)擺振動(dòng);沙漏簧具有相當(dāng)于轉(zhuǎn)盤的功能，允許轉(zhuǎn)向架相對(duì)車體產(chǎn)生較大的偏擺角度，使車輛順利通過小半徑曲線。

圖2 牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 牽引機(jī)構(gòu)試驗(yàn)簡述

目前單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機(jī)構(gòu)還沒有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗(yàn)參照《BST單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機(jī)構(gòu)技術(shù)條件》、BS EN 15049－2007《鐵路應(yīng)用—懸掛部件—鋼扭桿》以及TB/T 3285－2011《動(dòng)車組抗側(cè)滾扭桿》、TB/T 3284－2011《動(dòng)車組牽引拉桿》等標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)技術(shù)條件中涉及兩種加載方式，分別是2點(diǎn)和3點(diǎn)組合加載方式，如圖3和圖4所示。

2點(diǎn)加載方式:豎向設(shè)計(jì)一個(gè)油缸施加平行軌道的牽引力，橫向設(shè)計(jì)一種曲柄連桿機(jī)構(gòu)，由油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)使?fàn)恳龣C(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心形成偏擺角度，實(shí)現(xiàn)橫向加載。這種加載方式具有結(jié)構(gòu)簡單、占用試驗(yàn)資源小、試驗(yàn)成本低、方便操作等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 2點(diǎn)組合加載

圖4 3點(diǎn)組合加載

3點(diǎn)加載方式:豎向加載方式不變，橫向設(shè)計(jì)2個(gè)油缸施加大小相等、方向相反的力偶，使?fàn)恳龣C(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫向加載。以下重點(diǎn)介紹2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)。

3 2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)

(1)2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)原理

跨坐式單軌車在運(yùn)營過程中主要分直線和曲線軌道行駛2種工況。

直線軌道行駛時(shí)，車體與轉(zhuǎn)向架未產(chǎn)生橫向位移，牽引機(jī)構(gòu)只承受單一的豎向牽引力，由于上下兩組牽引桿安裝位置不同，豎向載荷按4∶1分配，此時(shí)的橫向拉桿和油壓彈簧不工作。

曲線軌道行駛時(shí)，由于離心力的作用，車體與構(gòu)架之間產(chǎn)生橫向載荷，此時(shí)，油壓彈簧和橫向連桿開始工作，整個(gè)牽引機(jī)構(gòu)以軌道為中心產(chǎn)生橫向偏擺角度，形成夾角β，此時(shí)的牽引機(jī)構(gòu)會(huì)同時(shí)承受縱向牽引力和橫向載荷。

豎向載荷實(shí)現(xiàn):設(shè)計(jì)縱向油缸推動(dòng)承載平臺(tái)和偏心鉸鏈裝置，將縱向載荷施加到偏離中心175 mm位置，將載荷以4∶1分配到上下2組牽引桿。

橫向載荷實(shí)現(xiàn):設(shè)計(jì)水平油缸推動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，使?fàn)恳龣C(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心形成橫向偏擺夾角。

(2)2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)裝置

整體方案采用模塊化“搭積木”的組合加載方式，試驗(yàn)拆裝靈活方便、安裝空間、夾持尺寸可調(diào)，滿足不同牽引機(jī)構(gòu)試驗(yàn)要求。具體的試驗(yàn)裝置由懸掛機(jī)架、豎向加載、橫向偏擺3部分組成，分別如圖5和圖6所示，其中牽引機(jī)構(gòu)前端通過橡膠關(guān)節(jié)固定在豎向加載承載平臺(tái)上，尾部通過安裝座固定于橫向偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)臂，通過組合加載試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其同時(shí)施加載荷，完成2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成(豎向)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司(TMT)為國外某單軌車研制的轉(zhuǎn)向架牽引機(jī)構(gòu)為例，進(jìn)行2點(diǎn)組合加載試驗(yàn)研究(圖7～圖9)。橫向偏擺角度分別為0°，2°，4°，6°，研究不同角度對(duì)牽引機(jī)構(gòu)靜態(tài)性能、極限性能、破壞性能、疲勞性能的影響。

圖6 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成(橫向)

圖7 牽引機(jī)構(gòu)應(yīng)力檢測位置圖

圖8 試驗(yàn)安裝(橫向)

圖9 試驗(yàn)安裝(豎向)

(1)靜態(tài)性能

預(yù)加載:豎向加載69 kN，頻率0.05 Hz，橫向偏擺6°，頻率0.05 Hz，連續(xù)加載 3 次，間隔 5 min 后，正式加載1次，分別記錄4種工況牽引機(jī)構(gòu)不同測試點(diǎn)最大應(yīng)力值。

表1 靜態(tài)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1得出牽引機(jī)構(gòu)上牽引桿(S1、S2)應(yīng)力值為下牽引桿(S3、S4)的近4倍，表明試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)際承載一致，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果均小于材料最大應(yīng)力值190 MPa，表明該產(chǎn)品具有較高的安全系數(shù)。角度增加，牽引桿最大應(yīng)力變化不大，表明牽引機(jī)構(gòu)在通過不同半徑曲線時(shí)，均具有足夠的強(qiáng)度。

(2)極限性能

豎向加載85 kN，頻率0.05 Hz，保持1 min，觀察產(chǎn)品是否破壞。

從表2得出在不同橫向偏擺角度下，對(duì)牽引機(jī)構(gòu)施加極限載荷，產(chǎn)品均未破壞。同時(shí)表明不同偏擺角度對(duì)極限性能無影響。

(3)破壞性能

豎向?qū)恳龣C(jī)構(gòu)施加載荷至橫向連桿破壞，記錄不同偏擺角度下的最大破壞載荷。

表2 極限性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 破壞性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3得出:牽引機(jī)構(gòu)最大破壞載荷均達(dá)到近2倍靜態(tài)載荷，且不同偏擺角度對(duì)最大破壞載荷影響不顯著。

(4)疲勞性能

直線軌道工況:橫向夾角為零，縱向加牽引載荷±30 kN，頻率1 Hz，循環(huán)加載50萬次;曲線軌道工況:橫向偏擺角度±6°，縱向加牽引載荷±30 kN，頻率1 Hz，循環(huán)加載50萬次。兩種工況交替進(jìn)行共循環(huán)加載2 000萬次。

疲勞試驗(yàn)后，牽引機(jī)構(gòu)各測試點(diǎn)最大應(yīng)力均在許可范圍內(nèi)，金屬件和橡膠件均未破壞。

5 結(jié)束語

(1)通過分析單軌車轉(zhuǎn)向架牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與原理，采用了2點(diǎn)組合加載方式并進(jìn)行分析比對(duì)，為牽引機(jī)構(gòu)及同類產(chǎn)品的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

(2)試驗(yàn)研究表明:試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，不同偏擺角度對(duì)牽引機(jī)構(gòu)力學(xué)性能無影響，牽引機(jī)構(gòu)在不同工況下均具有較好的安全性和可靠性。

(3)上述試驗(yàn)方案及研究成果進(jìn)一步完善了牽引機(jī)構(gòu)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，已申報(bào)發(fā)明專利1項(xiàng)，為牽引機(jī)構(gòu)類產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)起指導(dǎo)作用。

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