重慶交通大學碩士學位論文單軌車輛牽引計算與仿真姓名：張俊峰申請學位級別：碩士專業：車輛工程指導教師：杜子學20090401ABSTRACTManyaspe

nterva1rctssuchastraun,brakingcaManyaspe

nterva1rctssuchastraun,brakingcation?optimizatiionofs,simulatingopedasctionweight,

pacity,

onofoperatingarationplanandangtractioncalcrunningspeed,indcontrol1ing*caputhenticationareou1ationofstradd1vehie——tyhavec1e.Bythemethod,runningspeedandtractionweightofstraddlpemonoravehie——tyhavebeenimproved,operatingdensityandequipmentuti1izationhavebeenadvanced?monoraiICa1nbyusingSIMPACK,acceleratedadditionalresistnceformuIaWasbui1tthroughstonvenient.SingleparticlemodancehasbeenaddedinnceformuIaWasbui1tthroughstonvenient.Singleparticlemodwhichmadecomputersimu1ationmorecelhasbeenbui1tthroughstudyingtractionstrategyandusinganalysismethod.ItisbasedonMATLABtodrawua—Scurveunderdifrerentworkconditionsofstraddle-typemonoraiIcar,whichcontentsmulti-goalsaftercontrolrequestingsafety.keepingtoschedule.energysavingteasinessandaccurateparking.Basedonthesing1epartic1emode],mu1ti—partic1esmode1hasbeenbui1tbyusingoptima1tractionstrategy.Simu1ationana1ysesoncoupIerforceanddifferentworkconditionssuchasvariationalslopeandcurvaturehavebeenfinishedbyusingGT—DRIVER.Eventually,ua—Scurve,couplercurve,powercurveandenergyconsumptioncurvewereaccomp1ished.KEYWORDS：tractionca1culation；monoraiICar：runningresistance：sing1e-particlemode1：mu1ti—partic1emode1重慶交通大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均己在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位做作者繇認給，吼叫年華肌日重慶交通大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權重慶交通大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本人學位論文收錄到《中國學位論文全文數據庫》，并進行信息服務（包括但不限于匯編、復制、發行、信息網絡傳播等），同時本人保留在其他媒體發表論文的權利。學位論文作者簽名：農紛拜指導教師簽名：日期：叫年印月h日日期：哆6。歹日本44意將本學位論文提交至中國學術期刊（光盤版）電子雜志社CNKI系列數據庫中全文發布，并按《中國優秀博碩士學位論文全文數據庫出版章程》規?定享受相關權益。 .第一章緒論1研究背景和意義城市軌道交通已經成為我國城市交通發展的主流。城市軌道交通的誕生和發展已有100多年的歷史，19世紀60年代，世界上第一條地鐵在倫敦誕生，揭開了城市軌道交通發展的序幕，發展軌道交通成為解決城市交通問題的國際性大趨勢。世界上許多發達國家在小汽車進入家庭后，仍然實施的是“公交優先”的交通管理模式。以東京和倫敦為例，軌道交通分別承擔了86%和71%的客運量，是居民出行的主要方式。機車車輛是城市軌道交通的重要組成部分。牽引計算主要包括列車運行的牽引計算、制動計算和能耗計算等，以及分析列車運行過程中的各種現象和原理，從而解決列車在運營和設計中的一些主要技術問題和經濟問題。如：牽引重量、列車運行速度和區間運行時分、列車制動能力、機車能耗、列車操縱和控制優化、點線能力計算、列車運行計劃模擬與驗證等，以及在保證列車運行安全的前提下，多拉快跑，節省能耗。同時，它也是列車的操縱模擬、運行仿真、自動停車和自動駕駛的基礎理論。因此，牽引計算是列車設計技術的基礎fM】o在城市軌道交通系統中，跨座式單軌交通是一種典型制式，日本等發達國家有很多線路采用該種制式。跨座式單軌車輛（以后簡稱單軌車輛）與其它鋼輪.鋼軌黏著驅動車輛制式區別在于車體結構、轉向架結構、驅動模式、造型特征等方面的不同，其轉向架的走形部分具有3種形式的輪胎，即走行輪輪胎承受著車輛的垂向載荷并傳遞牽引力和制動力給軌道，導向輪輪胎位于轉向架的側面，它引導車輛沿著軌道行駛，穩定輪輪胎則位于轉向架的側面下部，它防止轉向架在強風條件等下出現極端的側滾；同時，走行部通常采用剛性轉向架形式，前后走行輪胎相互平行，并且同一車軸上的左右輪胎不能自由轉動。另外，單軌車輛的車體和轉向架的二系懸掛采用空氣彈簧，并設有橫向減震器，由于充氣輪胎本身的多向彈性，獨軌車輛的構架和車輪間不再設置一系懸掛【3.1310因此，單軌車輛總體上是機車車輛和重型汽車技術的融合，從而決定了單軌車輛牽引計算研究的主要技術難點和特點。2第尊結論1.2國內外研究現狀國外城市軌道交通車輛牽引計算的理論和實踐的成果比較多，但是，它們主要針對鋼輪一鋼軌車輛的牽引計算理論，對單軌車輛比較少。國內的牽引計算理論相對落后于國外，主要是鋼輪一鋼軌車輛的牽引計算理論，包括北京交通大學饒中主編的《列車牽引計算》，西南交通大學彭其淵和石紅國等編寫的《城市軌道交通列車牽引計算》，以及北京交通大學毛寶保華主編的《列車運行計算與設計》等【14。191,而針對單軌車輛的牽引計算理論非常少，幾乎?片空白.在牽引計算與操縱仿真領域，國外比較成熟的系統有北美的TPC系統[20。21],即計算分析列車在長大上、下坡道的啟動以及停車制動性能，也包括列車的最大牽引重量；RAILSIM系統，即鐵路牽引計算與運行模擬軟件，可以精確地模擬許多鐵路系統中多種列車的運行；歐洲的TrainStar系統，即只能列車控制系統，提供自適應的列車行為預測，預測列車的運動行為，并預測牽引和制動等問題；日本的UTRAS系統【221,即分析列車牽引計算、列車模型對運營的影響分析、延誤恢復及分析、不同通信信號制式的影響分析、多列車運行能力及效果評價等。對于列車牽引計算與自動控制和自動駕駛領域，國外比較成熟的系統有ATO系統和ATC系統。即對列車牽引、制動的控制和自動駕駛系統的研究，使列車處于最佳或較好的運行狀態，提高乘客的舒適度，列車的準點率，節約能源，以及自動駕駛性能，如日本的新干線控制系統，德國的ICE系統，法國的TGV系統。因此，單軌車輛的牽引計算理論需要重新確立。本論文主要是結合汽車理論和列車牽引計算理論進行研究。1.3主要研究內容和方法單軌車輛牽引計算通常采用如下研究方法：1）采用汽車理論和列車牽引理論相結合的理論方法;2）根據相關理論運用試驗的方法；3）采用理論分析與計算機仿真相結合的方法。本論文采用理論分析與計算機仿真相結合的方法，其主要內容研究如下:1）通過汽車輪胎與路面驅動力產生的理論，以及對交流異步牽引電機的牽引特性的研究，推導出單軌車輛的牽引力理論公式。2）由于單軌車輛屬于輪胎與路面接觸結構，不考慮一般鋼軌結構列車的軸承第一章緒論3阻力，其運行阻力主要有走行輪滾動阻力、空氣阻力、坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力，以及在力學模型中增加了加速附加阻力，建立了運行阻力理論公式.3）運用運動學原理和對單軌車輛制動力的分析，推導出單軌車輛的制動距離公式，包括空走距離公式和有效制動距離公式。4）通過對單軌車輛運動學和運行控制理論的研究，利用分析法構造單軌車輛的單質點模型，并基于MATLAB在不同工況下的模擬分析；以及考慮到安全、正點、節能、舒適以及準確停車等目標的情況下，運用最優牽引策略構建單軌車輛的多質點模型，并基于GT-DRIVE在不同工況下的模擬分析。5）根據能量消耗原理，建立單軌車輛的能耗公式，并基于GT-DRIVE作出能耗曲線。從而實現如下研究目標：?1）基于汽車行駛阻力和列車運行阻力兩種計算模式，推導出單軌車輛的運行阻力。2）建立單軌車輛制動距離理論公式。3）基于最優牽引策略，建立單軌車輛的單質點和多質點模型。4）建立單軌車輛的能耗理論公式。第二章牽引力單軌車輛由靜止狀態啟動并保持運動，必須要有外力的作用，此外力與單軌車輛運行方向相同并可由司機根據需要調節大小。這個推動單軌車輛運行的外力稱為單軌車輛運行牽引力只，單位為N。單軌車輛除了頭車有一個轉向架為無動力轉向架，其余的都為動力轉向架，因此單軌車輛的每節車輛都具有牽引力。-1單軌車輛的牽引原理1.1牽引力的產生單軌車輛動力轉向架的牽引電動機運轉并產生相應的轉矩％。，經傳動系傳至走行輪上，此時作用于走行輪上的轉矩瓦產生一對軌道梁路面的圓周力R,同時，軌道梁路面對走行輪產生一個切向反作用力Ft0（方向與R相反），這個力就是單軌車輛的牽引力，如圖2.1所示。其計算公式為1231：死：互，. （2.1）式中，瓦——表示作用在走行輪上的轉矩，N-m；,. 表示車輪半徑，m。圖2.1單軌個輛的驅動力Figure2.IDrlvIngforceormonoraiIca在單軌車輛的傳動系中，牽引電機產生的轉矩％。經傳動系傳至走行輪匕此時作用于走行輪上的轉矩正與牽引電機轉矩之間的關系為re=%ior/T(2.2)式中，Ttq表示牽引電機的轉矩，N-m；io 表示減速器的傳動比；刁T——表示傳動系的機械效率。因此，走行輪的牽引力為：民:一Ttqi0一11T2.1.2單軌車輛的牽引特性近30年來，隨著電力電子、微電&和微機控制技術的長足進步，單軌車輛已采用交流牽引VVVF調速系統，此調速系統主要由逆變器、計算機控制裝置、主要電器元件、交流異步牽引電動機組成。與直流牽引電動機相比，交流異步牽引”電動機具有結構簡單、維修方便、體積小、重量輕、轉速高、功率大、能自動防滑、價格低廉、效率較高、運行可靠，以及防空轉性能較好等一系列優點，因此，取代了以前廣泛使用的直流牽引電動機【241。2.1.2.1牽引電機的機械特性交流異步牽引電動機的轉子必須通過切割磁通，才能產生力矩，因此轉子的速度必須比磁場的速度(即同步轉速)略慢一些。通常把同步轉速聆。和電動機轉速刀二者之差與同步轉速刀。的比值稱為轉差率，也稱為轉差或滑差s,即：s：蘭型(2—,41)nsS— — —■l當交流異步牽引電動機定子的電壓、頻率獲套數固定的條件下，?它的電磁轉矩丁與轉子轉速n之間的變化關系，稱為交流異步牽引電動機的機械特性，記作r=f(療)，若用轉差率s代替電動機轉速刀，此時機械特性記作r=f(s),如圖2.2所剝251。

電制狀電狀一一磁動態動態電制狀電狀一一磁動態動態_?jo*r1從圖2.2中可以看出，交流異步牽引電動機的機械特性不是一條直線，可將其分為三部分【26J：1）電動狀態在轉差率為0VSW1范圍內，即轉速為OVng聆。，電磁轉矩丁和轉子轉速，z都為正，方向相同，轉子轉速n與同步轉速刀。的方向也相同。牽引電機從電網吸取電功率，從軸上輸出機械功率，牽引電機處于電動運行狀態。牽引電機機械特性曲線在此范圍內，可劃分為AC段和CD段，以及擁有四個特殊點，如圖圖2.2所示。a）同步運行點彳，也稱為離心空載點該點T=0,刀=以。，s=0,此時牽引電機不進行機電能量轉換。由于交流異步牽引電動機計算在空載時也存在空載轉矩％,牽引電機在沒有外力作用下不可能達到此狀態。b）額定工作點B該點的轉速、轉差率、轉矩、電流及功率都是額定值。機械特性曲線上的額定轉矩就是指額定電磁轉矩瓜，單位為N-m,它等于額定輸出轉矩％。與空藏魁和。由于工程計算中通常忽略空載轉矩死，所以也可認為額定電磁轉矩稱為牽引電機的額定輸出轉矩T2N,計算公式如下：D瓦=JEN=9550fN—（2.5）.IN式中，玳——表示牽引電機的額定功率，kW；佩 表示牽引電機的額定轉速，r/min?c）最大轉矩點C,也稱為臨界點該點T=Tm為最大轉矩，相應的轉差率Sm稱為臨界轉差率。最大轉矩是交流異步牽引電機的重要性能指標之一，不僅反映了牽引電機的過載能力，對起動性能也有影響。臨界狀態說明交流異步牽引電動機具有短時過載能力，但在任何情況下牽引電機的負載轉矩均不能大于，否則牽引電機的轉速將急劇下降，迫使牽引電機堵轉，有可能造成事故。同時，也不允許牽引電機長期過載運行，從而導致其損壞。在交流異步牽引電動機中，過載能力九也稱為最大轉矩倍數，是指最大電磁轉矩％與額定電磁轉矩氏之比。即：7'以=子J?d）起動點D該點s=1,n=0,電磁轉矩r為初始起動轉矩強。起動轉矩瓦。與額定電磁轉矩虱之比稱為起動轉矩倍數k,即：e）AC段該段近似為一條直線，對任何負載均能穩定運行，是交流異步牽引電動機機械特性的工作段。f）CD段該段的轉差率大，以及定子和轉子的電流也很大，所以對于恒轉矩負載不能穩定運行，即單軌車輛的牽引電機不宜在該段運行。牽引電機在電動狀態下，其機械特性分為兩個部分（見圖2.3）：在轉速大于臨界轉速，即n>nm時，稱為穩定運行區，即正常工作區；在nVnm時，稱為不穩定運行區。在轉速為nmV刀S刀。的穩定運行區內，轉速與負載轉矩成反比，可以是負載在一個工況點至另一個工況點達到新的平衡；該段的轉速特性曲線比較陡峭，正常運行的轉速n很接近同步轉速訂。，轉速變化不大，其額定轉差率很小，即硬的機械特性，從而具有良好的防空轉性能。而在轉速為0Vnvnm的不穩定運行區內，轉速與負載轉矩成正比，若轉速減小，轉矩也減小，最終導致牽引電機停轉；若轉速增大，轉矩也增大，使得牽引電機工況越過臨界點而進入穩定工況內，達到新的平衡。一不穩定區一.I一穩定區0JJm/rsffi圖2.3交流異步牽引電動機的穩定工作區2）發電反饋狀態 J在轉差率為SVO范圍內，即轉速為n>n。，旋轉磁場的轉向與轉子轉向一致,此時電磁轉矩丁為負值，是制動轉矩，牽引電機處于制動狀態。由于電磁功率也是負值，向電網反饋電能，因此，牽引電機也處于發電狀態。3）電磁制動狀態在轉差率為s>l范圍內，即轉速為nV0,旋轉磁場的轉向與轉子轉向相反，此時電磁轉矩丁為正值。牽引電機處于制動狀態，也稱為轉速反向的反接制動。2.1.2.2牽引電機的調速單軌車輛的調速實際上就是對交流4步牽引電動機的調速，而交流異步牽引電動機又主要采用變頻調速。根據控制懸:的不同，交流異步牽引電動機的調速可分為恒轉矩變頻調速和恒功率變頻調速。單軌車輛通過VvVF控制，根據實際負載情況，自動選擇最優化的恒轉矩變頻調速或恒功率變頻調速。變頻調速實際上是通過改變三相電源的頻率，進而改變三相異步牽引電機的同步轉速來實現單軌車輛調速的。由于交流異步牽引電動機的同步轉速刀。與定子電源的頻率.八成正比，在牽引電機磁極對數一定條件下，改變電源頻率-就可以

平滑地改變同步轉速”。，即調節牽引電機的轉速，1。定子電源頻率五的變化范圍越大，變化范圍也越大，牽引電機的調速范圍也越寬廣，這就可以滿足單軌車輛牽引電機從零到最大值的調速要求。對于變頻調速下的交流異步牽引電動機的機械特性形狀都相似，呈馬鞍形，但隨著定子電源頻率石和定子電壓磯的變化，其機械特性分布的轉速范圍和傾覆轉矩％的大小也同時發生變化，傾覆轉矩％公式為：瓦：Cm要式中，G一表示牽引電機的結構系數。以牽引電機的額定頻率為基準頻率，稱為基頻入。變頻調速時以基頻為分界線，可以從基頻向上調，也可以從基頻向下調。1）由基頻向下調速：人伯時，保持粵為常數.,1的變頻調速交流異步牽引電動機定子每相電壓肌與每相電動勢E1近似相等，氣隙磁通矽Cm=上mCm=上式中，IV1—表示交流異步牽引電動機的定子繞組匝數；k1——表示交流異例引電動機的定揮組系數/ F1在交流異步牽引電動機的^速時？如果只需根定子電ii嬴率石，i靛子每相電壓機保持額定值不變，則氣隙磁通少m要增大。由于電源頻率石在基頻瓜時1主磁通必綺電飽不工潛門口,K引電機小量MN牽引電機的主磁通就已接近飽磁通1主磁通必綺電飽不工潛門口,K引電機小量MN若降低電源頻率石］箕市子電斗機也隨之降低，保持_uI為常數，如快隙磁出J1為m為常數，從而避免上述現象發生，這也稱為恒磁通變頻調速控制方式。恒磁通變頻調速時的機械特性如圖2.4所示，這種調速方法與他勵直流電動機降低電源電壓調速相似，具有機械特性較硬，在一定靜差率要求下調速范圍寬，低速下運行時穩定性好等優點。由于頻率可以連續調節，所以變頻調速為無極調速，調速的平滑性好。此外，牽引電機拖動正常載荷在不同轉速下運行時，轉差率較小，因此轉子銅損耗小，效率高。0療擰。刀：’燈圖2.4恒磁通變頻調速時的機械特性Figure2.4Mechenicaicharacteristicofcostantfluxwhenvariatingfrequencyandregua1tingspeed因此，在低頻條件下，氣隙磁通矽m和傾覆轉矩％不變，基本上就可以滿足單軌車輛低速起動時具有大而穩定不變的牽引力要求。并且，利用這種恒磁通變頻調速方法，可以獲得單軌車輛運行的恒轉矩工況，如果磁通較接近于飽和狀態，則可以認為牽引電機工作在全磁場工況。2）由基頻向上調速：.->fN時，陰=us的恒功率變頻調速在基頻向上變頻調速時，.7fi>fu,氣隙磁通》m要保持恒定，定子電壓需要高于額定值，這是不允許的。因此，只能保持定子電壓機為額定值不變，這樣隨著電源頻率.-升高，氣隙磁通多m將減小，相當于他勵直流電動機弱磁調速方法。在定子電壓機為常數的條件下，傾覆轉矩％與一2成反比例變化，其機械特性曲線如圖2.5所示，在不同頻率下各機械特性曲線的穩定運行區段近似平行。由于電源頻率.五升高，傾覆轉矩％減小，電源頻率.-降低，傾覆轉矩焉增大，這種方式稱為恒功率變頻調速控制方式，能夠滿足單軌車輛恒功率牽引特性的要求。TTm。力1以：擰？hi'，圖2.5恒功率變頻調速時的機械特性Figure2.5Mechenicalcharacterlsticofcostantpowerwhenvarlatingfrequencyandregua)ting由于定子電壓帆為常數，氣隙磁通》m將隨著的增加而減少，因此牽引電機工作在磁場消弱工況。因此，單軌車輛的交流異步牽引電動機的最大電磁轉矩取決于牽引電機漏抗，最大電磁轉矩孺與實際輸出轉矩％。的差值稱為轉矩裕量（見圖2.6）?牽引電機運行時，應確保即使在恒功區的最高速度點仍有適當的轉矩裕量。但轉矩裕量過大，又會使牽引電機的重量和體積不必要地增加。轉矩裕量與恒功范圍的關系如圖2.7所示127J。圖2.6交流異步牽引電動機的轉矩裕量圖2.7轉矩裕量與恒功范圍的關系Figure2.6TorguemarginofACAsynchronousFigure2.7There1ationgshipbetweentorqueTractionMotormarginandconstantpTractionMotor2.1.2.3單軌車輛的牽引特性單軌車輛的牽引力可通過牽引電機的轉矩計算得出，也可通過專門的試驗測算得出。將牽引電機的功率Pc、牽引甩機的轉矩Ttq與單軌車輛運行速度Ua之間的關系以曲線表示，則此曲線稱為單軌車輛的牽引特性曲線12羽。目前，重慶單軌車輛牽引電機采用的型號為HITACHI-EFO(105kw,11其牽成屬樣曲線(YKM.004)可通過仿真計算得出，如圖2.8所示。圖2.8牽引電機的牽引特性曲線2.1.3傳動系的機械效率在單軌車輛系統中，傳動系的功率損失主要是減速器的功率損失。因而，為了克服變速器的各部件之間的相互摩擦，牽引電機的功率凡經減速器傳至驅動輪的過程中，消耗了?部分功率PT,則單軌車輛傳動系的機械效率為口3】：r7,：±1(2.6)只傳動系的功率損失可分為機械損失和液力損失兩大類。機械損失是指齒輪傳動副、軸承和油封等處的摩擦損失。由于單軌車輛減速器的齒輪屬于常嚙合，其機械損失主要與傳遞轉矩的大小等因素有關。液力損失是指消耗于潤滑油的攪動、潤滑油與旋轉零件之間的表面摩擦等功率損失。單軌車輛的液力損失與潤滑油的品種、溫度、箱體內的液面高度，以及齒輪、軸等旋轉零部件的轉速有關。另外，傳動系的功率損失與驅動軸軸承、輸入軸軸承、油封松緊程度，以及空氣盤式制動的分離情況等因素有關。由于單軌車輛的傳動系為兩級齒輪傳動，且處于常嚙合狀態，其機械效率一般取值為0.95左右【291。2.2單軌車輛的附著牽引力2.2.1單軌車輛的車輪半徑車輪處于無載時的半徑稱為自由半徑。單軌車輛處于靜止時，車輪中心至輪胎與軌道梁接觸面間的距離稱為靜力半徑吩。單軌車輛的車輪在運行過程中實際的半徑稱為滾動半徑，，。其公式如Ft291：一土 旺7,o山式中，nw——表示車輪轉動的圈數；S——表示在轉動％。圈時車輪滾動的距離。滾動半徑可以由實驗測得，也可以作近似估算。單軌車輛運行速度在60km/h的滾動半徑公式如下：，(2.8)式中，d——表示輪胎的自由直徑，m；4——表示計算常數；子午線輪胎4一一3.05,斜交輪胎以=2.9總2：若對單軌車輛作動力學分析時，應該采用靜力半徑；而作運動學分析時，應該用滾動半徑。但一般不計它們的差別，統稱為車輪半徑，.，即：氣hOh,I(2.9)2.2.2單軌車輛行駛的附著條件牽引電機所確定的驅動力是決定動力性的一個主要因素，驅動力大，加速能力好，爬坡能力強等。但它必須滿足輪胎與軌道梁路面的附著力，即其動力性能的好壞還要受到輪胎與軌道梁路面附著條件的限制。軌道梁路面對輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力場，附著力的大小在數值上等于附著系數與車輪路面垂直載荷的乘積，HP：.L=Fz緲(2.10)式中，緲一表示走行輪的附著系數：屁——表示走行輪路面垂直載荷。附著系數表述了不同材料和花紋的輪胎與軌道梁路面之間的特性及相互作用的綜合影響。附著系數的大小主要決定于道路的材料、路面的狀況與輪胎結構、胎面花紋、材料以及單軌車輛運行的速度等因素，也與滑動率密切相關。軌道梁路面對驅動輪的反作用力R不能大于附著力，否則將發生驅動輪滑轉現象【30】。即：Ft三7￡伊=巴(2.11)上式即為單軌車輛行駛的附著條件，也可寫為:爭<式中，每稱為單瞅車輪驅動輪的附著率q,其值不能嶼地面附著系數，即因此，驅動輪的附著率是表明單軌車輛附著性能的一個重要指標，是單軌車輛驅動輪在不滑轉工況下充分發揮驅動力作用所要求的最低地面附著系數。圖2.9是單軌車輛中的一節車輛在空曠的直線加速上坡時的受力圖，其中將轉向架的驅動軸簡化為一對同軸車輪，導向輪和穩定輪的運行阻力不考慮，單軌車輛的運行阻力為走行輪滾動阻力R、坡度阻力R、加速阻力E和空氣阻力FW,具體的阻力分析詳見下一章。圖2.9中的坡度阻力E和加速阻力曩都被認為作用在單軌車輛的質心上，空氣阻力凡則作用在單軌車輛風壓中心上。因此，單軌車輛的驅動一附著條件為，23］：層+E+R+Fj=Eg巴（2.12）圖2.9單軌乍輛加速上坡的受力圖Figure2.SForcediagramofmonoraiIcarwhileacceleratinguphi1Istraight圖中：Gs——表示該節單軌車輛的重力，N；

hg 表示單軌車輛質心高度，m；hw 表示風壓中心高度，m；珀，危——表示作用在前、后輪上的滾動阻力偶矩，N?m；乃w1,/]w2——表示作用在前、后輪上的慣性阻力偶矩，N?m；乃z1,乃吐 表示前、后轉向架制動盤的慣性力矩，N-m；兄1,如——表示作用在前、后輪上的地面法向反作用力,諷X1,Fx2表示作用在前、后輪上的地面切向反作用力，N；凡——表示空氣阻力，N；三——表示單軌車輛定矩，即本簡化圖的軸距，m；口——表示質心與本簡化圖中前軸的距離，m；b——表示質心與本簡化圖中后軸的距離，m。將作用在本節單軌車輛上的力對前后輪路面接觸面中心點取力拒【231,可得：用r一-mi?置+￡/!+式中，乃=砰4為舒（士）號。FG?cosa*<6夕）G.用r一-mi?置+￡/!+式中，乃=砰4為舒（士）號。乃：，11日減逋箱中間軸旋轉與車輪旋轉方向一致時取" T ==o為了便于分析，可將上式簡化。因一般軌道梁的坡度較小，即COSOf_=l：軌道梁為混凝土路面，即滾動阻力系數值很小，可簡化6一夕xb,口+夕=a；X乃的數值很小，可以忽略不計；單軌車輛的風壓中心高和單軌車輛質心高大致相等，即h。~hgo因此，上式.一TpA簡化為:Fzlg蘭等（Gsincr+m詈+E）Fz2=G￥za+等若驅動力達到極限附整附著g為j] ]口+腳ngqpp）f「f。七fj乃=6ssi!1口+聊詈+?1+乃

Fz1=as二R等由二s本節車輛的因此，當前轉向架為動力等架噂初分轉財。附著力名.為本節車輛的6o=兄。緲=妒［G,蘭由滾動阻力公式層三b,等月色與前W）,1式可簡化為同理，當前轉向架為無動力轉向架，后轉向架為動力轉向架時，本節車輛的附著力巴，為驢掣#顯然，當前、后轉向架都為動力轉向架時，本節車輛的附著力巴為名=易1-t一，2=G，緲cos口歲G,緲（2.13）因此，對于一節單軌車輛的前、后轉向架都為動力轉向架，只有當其前、后轉向架驅動力的分配比值剛好等于其前、后轉向架法向反作用力的分配比值時，該節單軌車輛才能真正充分利用此附著力。2.2.3附著系數與滑動率之間的關系上面提到附著系數的大小受諸多因素的影響，與滑動率密切相關。仔細觀察單軌車輛制動過程，可以看出輪胎留在地面上的印痕從車輪滾動到抱死拖滑是一個漸變的過程。隨著制動強度的增加，車輪滾動的成分越來越小，而滑動成分越來越大。在上面這個過程中滑動成分的多少一般用滑動率s來表示，即【29】s：—uw——rr00x1Uw式中，%0——表示車輪中心速度:00%(2.1式中，%0——表示車輪中心速度:軸——表示沒有地面制動力時的車輪滾動半徑：00W——表示車輪的角速度。若車輪作純滾動時，"W=moow,滑動率s一—0；若車輪作純滑動時，69w=D,滑動率S 100%；若車輪邊滾邊滑時，0VSV100%。因此，滑動率的數值說明了車輪運動中滑動成分所占的比例。滑動率越大，滑動成分越多。另外不同輪胎的附著系數與滑移率曲線也不同，一般來說子午線輪胎具有較大的附著系數。圖2.10為附著系數緲與滑動率s的關系曲線（緲?s曲線）。可以看出，伊的最大值并不在s=100%處，而是在s=15%,-,20%附近。這就是說，輪胎被完全抱海S面上純滑動時，并不是附著系數最大的時刻。相反，制動到剛開始出現一些滑動時，反而具有最大的附著系數‘3，1,0備0.8蒸0.6辮0.4敲0。20204。60腫I00精動辜編圖2.10附著系數與滑動率2.3單軌車輛的牽引力在單軌車輛系統中，整列單軌車輛的最前和最后轉向架為非動力轉向架，其余都為動力轉向架，且每個動力轉向架中有兩個牽引電動機，單軌車輛的牽引力就是通過每個牽引電動機經走行輪驅動而得來。根據式（2.3）,單軌車輛的牽引力計算公式為：只：4（fo—1）7L：4（im。-1）Ttqiotit-（2.1式中，％。。一表示整,信軌車輛的編組車數。當每個牽引電動機都以額定轉矩運行時，則單軌車輛的設計最大牽引力為：R眥：4（i?-1）TNi?r]T.38200（i啦一1）eNi。r]r一.（2.15）rrZNr同時，由于單軌車輛的牽引力受到軌道梁路面附著能力的限制，單軌車輛牽引力所能達到的最大值即為單軌車輛附著牽引力兄。此時，單軌車輛的最大牽引力的計算公式為：%。=兄=Fz緲（2.16）式中，p——表示附著系數；兄——表示走行輪路面垂直載荷。另外，由于單軌車輛為無級牽引，即駕駛操縱沒有級位之分。牽引力的取值也有以下兩種情況【17J：1）根據單軌車輛的牽引特性曲線，只有一條最大牽引力特性曲線，最大牽引力是運行速度的函數，即￡蛾=f（Uo）（2.17）—式中，％o雙 表示最大牽引力；——表示車輛當前速度；計算牽引力尻可在0和最大牽引力間任意取值。即：互=以￡（u。）（2.18）式中，以——表示取值系數，取值范圍為。〈以W1;這種情況適合于有可用于使用的牽引力曲線的場合。2）根據加速度來計算牽引力，即根據單軌車輛當前速度及其在該點的目標速度來計算所需要的牽引力，則E=f（u。，K哪甜）（2.19）或者互=（2mf+Z朋b）°a（u°,Karg甜）（2.20）式中，mf 表示單軌車輛的一臺頭車的總重量，kg；慨——表示單軌車輛的一臺中車的重量，kg；a（Uo,蛇嚼，）——表示與單軌車輛運行速度和目標速度相關的加速度，m/s。第三章單軌車輛的運行阻力單軌車輛在軌道梁上運行時，有許多外力作用在單軌車輛上，阻止其運行且不受人力操縱，這些外力統稱為單軌車輛運行阻力，簡稱單軌車輛阻力，以R表O作用于單軌車輛的阻力有許多形式，按其影響因素一般可分為以下幾種【15】：）走行輪的滾動阻力；）空氣阻力；）沖擊和振動阻力；）坡道阻力；）曲線阻力：）隧道阻力；）加速度阻力；）風阻力；）起動慣性阻力。單軌車輛的運行阻力，按其產生的原理，可分為基本阻力和附加阻力。其中，基本阻力包括滾動阻力、空氣阻力、沖擊和振動阻力；附加阻力包括坡道阻力、曲線阻力、隧道阻力、加速度阻力、風阻力等。.1基本阻力單軌車輛在空曠地段沿平直軌道上運行時，由單軌車輛內部與外界接觸相互摩擦和沖擊而引起的阻力，稱為單軌車輛的基本阻力凡，單位為N。基本阻力是牽引計算中常用的重要參數之一，是單軌車輛在運行中任何情況下存在的阻力，引起基本阻力的因素很多，其中最主要的是單軌車輛各零件之間，單軌車輛表面與空氣之間，走行輪、導向輪和穩定輪與軌道梁之間的摩擦和沖擊，以及軌道梁連接處由于沖擊和振動造成的阻力。影響基本阻力的因素主要有以卜兩種：）單軌車輛走行輪在軌道梁路面上的滾動阻力：2）單軌車輛運行過程中受到的空氣阻力。上述兩種基本阻力隨著單軌車輛速度的大小而有不同的變化。低速時，滾動阻力占較大的比例；速度提高后，空氣阻力占的比例逐漸加大。總之，影響單軌車輛基本阻力的因素極為復雜，在實際運用中用理論公式來推導比較困難。因此，目前通常按照由大量試驗綜合總結出的經驗公式來進行計算。3.1.1滾動阻力單軌車輛的走行輪為橡膠充氣輪胎，而不是如一般鐵道車輛的鋼制車輪，因此與汽車輪胎滾動阻力類似。單軌車輛走行輪滾動時，輪胎與軌道梁路面的接觸區域產生法向、切向的相互作用力以及相應的輪胎和支承路面的變形。構成輪胎的各種橡膠及其復合材料均是粘彈性材料，由于循環的應力.應變場，在輪胎轉動的過程中它們將損耗一部分能量，這種能量損失稱為彈性物質的遲滯損失。滾動阻力的發生主要就是由于在輪胎變形時材料的內磨擦損失或遲滯損失，以及胎面在接觸區域的磨擦損失，而其中遲滯損失是最主要的。因此，引起滾動阻力的主要原因是輪胎變形【32】。當單軌車輛走行輪不轉時，軌道梁路面對走行輪的法向反作用力分布是前后對稱的，其合力兄與法向載荷Pz重合于法線n-n7。但當車輪滾動時，在法線n.n7前后相對應點d和d7分別處于壓縮過程的前部和恢復過程的后部（見圖3.1a）。這兩點的變形雖然是同一數值萬，但由于彈性遲滯現象（見圖3.lb）,d點的受力為CF,d，的受力為DF,顯然CF大于DF。這樣就使地面法向反作用力的分布前后并不對稱，因而它們的合力兄相對于法線n—n7向前移動了一個距離a（見圖3.2a）,這個距離隨彈性遲滯損失的增大而變大。合力兄與法向載荷尸z大小相等，方向相反。a)b)圖3.1走行輪輪胎在軌道梁路面上的滾動Figure3.IRolIingofrunningwheelontrackbeamroada)b)圖3.2走行輪輪胎在軌道梁路面上滾動時的地面反作用力分析Figures.2Ana1ysisofreverseforcefromgroundwhilerunningwheeImovingontrackbeamroad走行輪輪胎在軌道梁路面上滾動時的受力情況如圖3.2b所示，根據力的平移定理把作用力兄平移至與通過車輪中心的垂線重合，同時附加力偶矩，此力偶矩稱為單軌車輛走行輪的滾動阻力偶矩死。即正=Fza因此，這種遲滯損失表現為阻礙車輪滾動的一種阻力偶。圖3.3為無動力轉向架的走行輪在軌道梁路面上滾動的受力情況，為使其作等速滾動，則必須在車輪的中心作用一個推力Fp,根據力偶平衡條件，它引起地面切向反力，此力阻礙走行輪的滾動，故稱為單軌車輛走行輪的滾動阻力肝，單位為N,即正=Fp.則Fp：至：Fz 口若令廠=詈，3ZFz故屏三虻f巴,E=，式中，/——表示滾動阻力系數。圖3.3無動力轉向架走行輪的受力情況FIgure3.3ForcesanaIysisonrunningwheelwithoutpowerbogie因此，滾動阻力是滾動阻力系數與車輪垂直載荷之間的乘積，即在分析單軌車輛走行輪滾動時的阻力時，不再考慮走行輪滾動時的滾動阻力偶矩，而只需根據滾動阻力系數以及走行輪的垂直載荷進行計算。即【231￡=聊。）丁（3.1）式中，％。。——表示單軌車輛的總質量（kg）,其中m眥=2mf+2%,mf表南嘉的總質量（k）,mb表示?輛中車的總質量（堀）；g 表示重力加速度，m/s2o然而，真正的滾動阻力是不存在的，它只是一種將作用在車輪上的滾動阻力偶矩等價簡化而來，因此僅僅是一種表現形式。單軌車輛滾動阻力系數一般用試驗來確定，其數值的大小與軌道梁路面的種類及其狀況，單軌車輛運行速度，走行輪輪胎結構與材料，以及輪胎的氣壓等因素有關【33】。單軌車輛的走行輪輪胎采用子午線輪胎，因此，在良好的路面運行時，單軌車輛走行輪的滾動阻力系數可用重型貨車的滾動阻力系數經驗公式作參考，即［291：f=0.0041+0.0000256u,由于軌道梁路面為良好的混凝土路面，以及單軌車輛必須低于80km/h的速度運行，即中、低速運行。因此，單軌車輛滾動阻力系數在取值范圍在0.0045” 0.0肉9鹿常取值0.005,單軌車輛滾動阻力為即層=(0.0045”—'0.0065)'m眥。g另外，根據單軌車輛走行輪輪胎的受力特點，走行輪輪胎承受較大的徑向載荷，因此只考慮了走行輪的滾動阻力。而導向輪輪胎和穩定輪輪胎所承受的預載荷相對走行輪而言非常小，因此直線時導向輪和穩定輪產生的運行阻力相對而言可以忽略不計【引。3.1.2空氣阻力單軌車輛運行時受到空氣作用力在行駛方向上的分力，即單軌車輛與周圍空氣發生相對運動，形成壓差阻力，此阻力稱為空氣阻力R,單位為N。空氣阻力由兩大部分組成：一是作用在單軌車輛外表面上的法向壓力的合力在運行方向的分力，稱為壓力阻力；二是具有粘度的空氣對單軌車輛表面的摩擦作用產生的阻力，稱為摩擦阻力。其中，壓力阻力又分為形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力和誘導阻力等。因此，單軌車輛運行空氣阻力的大小主要與單軌車輛的運行速度，單軌車輛的外形和尺寸，單軌車輪的表面粗糙度和整列單軌車輛長度等因素有關，其計算公式為1341：1.Fo=喪?DApu：式中，cb——表示空氣阻力系數；彳——表示迎風面的截面積，即單軌車輛行駛方向的投影面積，m2；P——表示空氣密度，?般P=1.2258N-S2-m4；蜥——表示單軌車輛相對風的速度，其中在無風時即為單軌車輛的運行速度，m/s?單軌車輛的運行速度的單位一般以krn/h計，在無風的條件下，蜥即為單軌車輛運行速度阮，則空氣阻力為：FoCDA—可見，空氣阻力與空氣阻力系數fD,l迎風面積么成正比。降低單軌車輛空氣阻力的主要手段通常是降低cwt值,u特翁露低CD值。（32）”為了降低單軌車輛的cD值，主器采取詢整單苗車輛的迎風傾斜角度，從而減少阻力、升力的產生；以及減少凸起森七成3滑蘢面等措施。單軌車輛的空氣阻力系數CD通常取值為0.8左右【291。1.3基本阻力計算公式單軌車輛運行時，在只考慮單軌車輛走行輪的滾動阻力和單軌車輛空氣阻力的情況下，單軌車輛的基本阻力計算公式為Fo=層+凡R=刪恥匕g.F+案2附加阻力單軌車輛運行的附加阻力是由于線路坡度、曲線、隧道等線路條件的變化造成的阻力，即在運行中的某種條件下才產生的阻力，是單軌車輛運行位置的函數,附加阻力與基本阻力不同，受單軌車輛類型的影響很小，主要決定于運行的線路條件。因此，附加阻力是按整列單軌車輛計算的。附加阻力是單軌車輛在運行中在某種條件下才產生的阻力，常用凡表示，單位為N。例如：在坡道上運行時有坡道附加阻力，以加下標“i”表示；在曲線上運行時有曲線附加阻力，以加下標"r"表示；在隧道內運行時有隧道附加阻力，以加下標，“s”表示；以及克服慣性力加速時有加速附加阻力，以加下標“a”表示等。2.1坡道附加阻力單軌車輛在坡道上運行時，除基本阻力之外，還受到重力沿軌道方向的分力的影響，這個分力就是坡道附加阻力局，單位為N,如圖3.4所示，其計算公式T4】為：曩=6sin0(3.4)式中，G表示作用于單軌車輛上的重力(N),G=m。。g；護——表示軌道梁路面與水平面的夾角，(o)0圖3.4單軌乍輛的坡道附加阻力Figures.4Rampadditiona!resistanceofmonoraitear線路坡道的坡度是坡段終點對起點的高度差與兩點間水平距離的比值，如圖4所示，并以字母f表示，單位為千分率(%。)，規定取至二位小數，其公式為:江壘x1000：1000mnO(3.5)s圖3.4為單軌車輛(代表整列單軌車輛，且都在坡道上)運行于上坡道的示意圖。其中，若單軌車輛上坡道運行時，坡度附加阻力與單軌車輛運行方向相反，阻力值為正值；反之，阻力值為負值。根據目前國內外單軌車輛的設計要求，線路坡道的坡度不大于60%0t351,即坡道的夾角護較小，此時故，坡道附加阻力為E=m毗?g?sinl9am哪?g?tanO=m0c?g,ix10o3(3.6)2.2曲線附加阻力單軌車輛進入曲線運行時，單軌車輛走行輪輪胎側偏和隨之出現摩擦刮磨，從而產生附加滾動阻力；以及導向輪和穩定輪與軌道梁所產生的滾動和滑動阻力等。這些因進入曲線運行而造成的阻力稱為曲線附加阻力Fr,單位為N。曲線附加阻力與曲線半徑、單軌車輛運行速度、軌道梁曲線的超高以及輪胎的側偏剛度等因素有關。2.2.1走行輪曲線附加阻力單軌車輛在曲線運行狀況下，走行輪輪胎必然產生側向力，從而使輪胎滾動時產生側偏。此時，輪胎朝前方向與運行方向之間的形成一個角度，這個角度稱為側偏角口(如圖3.5)。這種運動方向偏離了車輪平面方向的現象稱為輪胎的側偏現象。地｝弋顯然，從圖3.5可以看出，單軌車輛走行輪輪胎滾動時處于一邊側滑一邊滾動的狀態。當輪胎以側偏角滾動時，在輪胎上發生摩擦力，此摩擦力在輪胎側向（丫方向）的分力稱為側向力藝，在與輪胎前進方向成直角（丫7方向）的分力稱為側偏力礙，361?為了研究單軌車輛走行輪的側向力，應了解造成走行輪輪胎側偏的主要原因。）當側向力巴達到走行輪與地面間的附著極限時，走行輪發生側向滑動，若滑動速度為△甜，走行輪便沿合成速度U。方向運動，偏離了走行輪平面cc方向。如圖3.6所示。圖3.6走行輪側滑時的運動簡圖Figure3.6KInematIcsketchoTrunningwheelside—$IipPing2）由于單軌車輛在曲線運行時軌道梁路面的超高因素引起的側偏。為了減少單軌車輛通過曲線時旅客經受的離心加速度，走行輪與軌道梁路面之間，以及導向輪和穩定輪之間的相互作用力，一般會在曲線的軌道梁水平路面上設置一個橫向坡度，此坡面與水平面呈一定夾角，常稱為超高角，以％。表示【371,如圖3.7所示。圖3.7走行輪在曲線超高路面上的運動簡圖Figure3.7Kinematicsketchofrunningwheelmovingonthecurvesuperelevationtrackbeam顯然，如圖3.7所示，走行輪側偏實際上是由單軌車輛及所載旅客本身重量的橫向分量引起的側偏。3）由于彈性走行輪輪胎在側向力的作用下產生側向變形所引起的側偏。當走行輪產生側向彈性時，即使沒有達到附著權限，走行輪行駛方向亦將偏離走行輪平面cc的方向（如圖3.8所示），這就是輪胎的側偏現象【38】。附著區滑動區面C圖3.8走行輪側滑時簾布層和胎冠的變形Figure3.8Distortionofcordfabricandtirecrownofrunningwheel從圖3.8可以看出，當走行輪滾動時，其輪胎簾布層和胎冠在印跡面上會產生變形。接地印跡面之外的簾布層和胎冠偏離輪胎中軸線的程度是一樣的，而在印跡面內的簾布層和胎冠之間還有變形。側向作用在走行輪上的力通過印跡面上的摩擦與嚙合喚出了一個側向的反作用剪應力t。這個剪應力對接地印跡面的積分值就是側向導向力只。由于單軌車輛的走行輪輪胎為充氣橡膠輪胎，而充氣輪胎的側向力與側偏角口具有一定的關系［39401,如圖3.9所示，側偏角很小時（口V5。），存在著線性R=后口口（3.7）式中，k——表示走行輪側偏剛度，N/（。）o圖3.9走行輪側向力一側偏角關系Figure3.SRelationshipbetweensideTorceandslipangleofrunningwheel側偏角口越大，印跡越長印跡后部處胎面的側向應力也越大。但它不可能無限增大，它的極限是垂直壓力與切向附著系數的乘積'4-421,即兄…2t。〃，（3.8）式中，Fz 表示單軌車輛走行輪輪胎負荷；//y——表示軌道梁路面的切向附著系數。通過結合前述的單軌車輛走行輪在水平直線上的滾動阻力結論，單軌車輛曲線運行時，其走行輪在運行方向上的滾動阻力由兩部分組成（如圖3.10所示）：329:電單軌的運行見力圖3.10走行輪側向偏離的阻力關系Figure3.lORelationshipbetweenresistanceswhenrunningwheellslnsidedevIation一部分是單軌車輛走行輪平面上的切向滾動阻力n的分力吃，單位為N。因此，此分力屬于單軌車輛的基本阻力，其公式為：凡=E'C0S（3.9）根據目前國內外單軌車輛的設計要求，軌道梁的最小曲線半徑為100m[351,即走行輪輪胎的側偏角口較小，即C0Sa之1,因此式（3.9）可寫為玩u層（3.10）另一部分則是單軌車輛走行輪側偏產生的側向力的分力，此分力稱為單軌車輛的走行輪曲線附加阻力E口，單位為N,即Eo=Eosina（3.11）由于單軌車輛走行輪輪胎的側偏角口較小，即sina=口，同時將式（3.8）代人式（3.11）,走行輪曲線附加阻力可寫為E口之后口口2（3.12）為了分析單軌車輛走行輪的側偏力，下面基于SIMPACK對其進行建模仿真。當單軌車輛在曲線區段左轉向時，走行輪側偏受力情況如圖3.11所示。?(1逢：Q,.Qo<,J?(bG穢一乏漏幽氯赫。_11養1I圖3.11基FSIMPACK的走行部受力分析Figures.11Forceana1ysisonrunningpartsbasedonSIMPACKd瞳。嘲—譬麗在圖3.11中，前轉向架的四個走行輪側向受力曲線如圖3.12所示。FL：前軸左輪(front1eftFR：前軸右輪(frontright)RL：后軸左輪(rearleft)FR—前軸右輪(rearright)圖3.12轉向架的四個走行輪側向受力曲線圖Figures.12Sideforcecurveaboutfourrunningwheelsofbogie3.2.2.2導向輪和穩定輪曲線滾動阻力單軌車輛曲線運行時，單軌車輛和旅客受到離心力和離心加速度，以及曲線軌道梁超高所產生的單軌車輛及其所載旅客本身重量的橫向分量的影響，導向輪輪胎和穩定輪輪胎會承受一定的徑向載荷，由于導向輪和穩定輪都是充氣橡膠輪胎，從而主要產生輪胎滾動阻力，此阻力稱為導向輪和穩定輪的曲線滾動阻力Ffd,單位為N。單軌車輛通過曲線時，離心加速度為：材；a,=oR式中，吼——表示單軌車輛的離心加速度，m/s2；尺——表示軌道梁的曲線半徑，m。貝1J,離心力R(單位為N)為E=%eooao(3. 13)單軌車輛通過曲線軌道梁時，會利用軌道梁路面超高來抵消單軌車輛所受的部分離心力。基于SIMPACK進行建模仿真，單軌車輛左轉向時，單軌車輛的導向輪和穩定輪的受力情況如圖3.6所示。前轉向架的導向輪和穩定輪受力曲線如圖3.13所示。二… 一C鼬CC鐘p；產 江L冀扭v...?wn7cL1?甜颶IJ2螭0￡岫懈cnMY... 〃，/j .，爭,_，qTOC\o"1-5"\h\z《￡LR￥TABIUZ 乙.<,夕. *|L￥ING柵程L幅鯽， ，; ?一?/!，…”_ ，一〃-i辨n!，產、 ，，，?一'人 .、/?瑚>?4i?rM-Kon?—即一.FL：導向輪前軸左輪(frontlek't)FR：導向輪前軸右輪(frontright)RL：導向輪后軸左輪(rearlef'tlFR：導向輪前軸右輪(rearright)Left：穩定輪左輪 Right：穩定輪右輪圖3.13轉向架的導向輪和穩定輪徑向受力曲線圖Figure3.13SideforcecurveaboutguidewheelandstabiIizingwheelofbogie由于滾動阻力與導向輪和穩定輪所受的徑向力的方向無關，為了計算方便對其簡化。現假定單軌車輛用一輛車來代替，整列單軌車輛都在曲線上，以及用一個輪來簡化轉向架的導向輪和穩定輪在一側的輪，統稱為側輪，此時側輪的滾動阻力即為單軌車輛導向輪和穩定輪的曲線滾動阻力，在忽略走行輪橫向阻力的情況下，其曲線受力情況如圖3.14所示【43,461。軌車輛軌道圖3.14單軌車輛的曲線受力簡圖Flgure3.14Forcediagramatcurverai1由力的半衡司推導出側輪的栓同力Fd為只=6憊2c111^^次?S故，單軌車輛導向輪和穩確尊樹科盧%%=冗f* %=（肌。。譬C。S%—根據單軌車輛的線路麗麻1啦道蝴曲線超低m斑。）Ps，JaIh口ocos□。y1,因此式（3.43寫皆15）%=（聊。。等2—mm（3Cg%o）?廠3.2.2.3曲線附加總阻力根據以上所述，單軌車輛在曲線運行時，曲線附加總阻力主要為走行輪曲線側偏阻力和側輪的滾動阻力之和。因此，單軌車輛通過曲線引起的附加總阻力為c=c口+%即c=^^2+（刪眥等2--mmcglTq），廠（3.17）當然，上式是通過簡化的情況下得到的結論，單軌車輛曲線附加阻力用理論方法推導確實比較困難，一般也采用綜合經驗公式計算。3.2.3隧道附加阻力單軌車輛進入隧道時，對隧道內的空氣產生沖擊作用，使單軌車輛頭部受到突然增大的正面壓力。進入隧道后，單軌車輛驅使空氣移動，造成單軌車輛頭部的正壓與尾部負壓形成壓力差，產生阻礙單軌車輛運行的阻力。同時，由于單軌車輛外形結構的原因，隧道內的空氣產生紊流，造成空氣與單軌車輛表面、與隧道表面的摩擦，也產生阻礙單軌車輛運行的阻力，以上兩項阻力之和，稱為隧道附加阻力，也稱為隧道附加空氣阻力風，單位為N。前面以及講述了單軌車輛在空曠地段運行時也有空氣阻力，只是相對比較小。因此，隧道附加空氣阻力也是指隧道內空氣與空曠地段空氣阻力之差。影響隧道空氣附加阻力的主要因素有單軌車輛的運行速度、整車長度和迎風面積，隧道的長度和凈空面積，以及單軌車輛和隧道表面粗糙程度等。隧道越長,隧道附加阻力越大；整車越長，速度越高，該阻力亦增大。此外，隧道附加阻力還與隧道斷面積、單軌車輛的外形等因素有關。由于這些復雜因素的存在，單軌車輛的隧道附加阻力常采用由試驗得出的經驗公式，在跨座式交通單軌車輛中，一般采用無限制坡道參考公式111,即：只=1.3m。。gLox10叫式中，￡? 表示隧道長度，m0（318）.Iuo53.2.4加速附加阻力單軌車輛加速運行時，需要克服由于其質量加速運動而產生的慣性力，稱為加速附加阻力E,單位為N。單軌車輛質量分為平移質量和旋轉質量兩部分，即加速時，不僅要克服平移質量產生慣性力，同時還要克服旋轉質量產生的慣性力偶矩。加速附加阻力作用在單軌車輛的質心上，其方向與加速度方向相反。為了便于計算，常把旋轉質量的慣性力偶矩轉化為平移質量的慣性力，所以單軌車輛加速附加阻力為f231：只：萬.％。,id//(3.19)式中，萬——表示單軌車輛旋轉質量換算系數，且萬＞1；du」表單軾幽的旋轉部件包括：轉向架上的制動盤，各種軸及傳動齒輪，牽引電機轉子領疑行輪、導向輪和穩定輪等。一般進行單軌車輛動力性計算時，單軌車輛麒嵋I：換算系數萬主要與制動盤的轉動慣量，走行輪、導向輪和穩定輪的轉動年事》及傳動系的傳動比等有關，其它的旋轉部件的轉動慣量的影響很小，暫不雷串。因此，單軌車輛加速時，旋轉部分所產生的慣性力偶矩轉換到走行輪周緣的加速附加阻力之和為：R：墜生鞫壘立絲(3.2式中，凡——表示推軌車輛旋轉質量轉0廿俞4力，N：,. 表示走行輪的半徑，m；A 表示制動盤的轉動慣量，kg?m2；占.——表示制動盤的角加速度，1/s2：如——表示中間軸與走行輪驅動軸的傳動比；A——表示走行輪的轉動慣量，蛇?砰；so——表示走行輪的角加速度，1/s2；%0 表示導向輪與穩定輪的轉動慣量，kg-m2；swd——表示導向輪與穩定輪的角加速度，1/S2；

由于制動盤固接在中間軸上，中間軸與驅動軸是通過一對外嚙合圓柱斜齒輪進行傳遞的，如圖3.15驅動裝置原理圖H7］。因此，中間軸上的制動盤與驅動軸上的走行輪轉動方向相反，則它們的角加速度關系式如下：圖3.15驅動裝置原理圖從圖3.15中可看出，單軌車輛中間軸與驅動軸的傳動比ig也可用齒輪傳動的齒數得出，即式中，Z。——表示驅動軸上的圓柱齒輪齒數；氣——表示中間軸上的圓柱齒輪齒數。由于單軌車輛的導向輪利穩定輪的結構，尺寸完全一樣，因此它們與走行輪的角加速度關系式如下：式中，rw式中，rw表示導向輪和穩定輪的半徑，m。走行輪的角加速度與單軌車輛加速度掣的關系為Qf

gW27gW27面則兄：鯊壺/二寶一du@夕己則一專廠一上?d由「單軌車輛加速附加，由譏力為單軌車輛旋轉質量轉化的慣性力和單軌車輛平移質量的慣性力m。。百d/。相加，則F8 J1C…會，+去mm焉+鋒，，掣dt萬 絲州選%。上%。03.2.53.2.5其它附加阻力廣Z一，±%0除了上面所述的幾種附加阻力外，在單軌車輛實際運行中可能出現因氣候條件等因素產生的附加阻力，如大風或嚴寒等所引起的阻力。由于單軌車輛的基本阻力公式是在一定的氣候條件下進行試驗求得的。所以氣候條件變化時，單軌車輛的基本阻力也將發生變化。大風對單軌車輛的縱向和側向會產生一定的阻力。大風作用在單軌車輛的縱向分力會使單軌車輛阻力增大或較小，即風力方向與單軌車輛運行方向相同時則減小，風力方向與單軌車輛運行方向相反時則增大。大風作用在單軌車輛的側向分力會使單軌車輛的走行輪側向滑動加劇，摩擦阻力增大，同時導向輪和穩定輪的徑向壓力增大，它們的滾動阻力相應也會增大。氣溫較低也會使單軌車輛的運行阻力增大，由于單軌車輛的潤滑油粘度隨著氣溫下降而增大，零部件的摩擦阻力就隨之增加，以及氣溫低時空氣密度增大，空氣阻力也增大。對于這些特殊情況，需要做專門的試驗來進行研究。單軌車輛停留時，空心車軸與軸承之間的潤滑油被擠出，油膜減薄，以及其減速箱內溫度降低，油的粘度增大，在起動時，空心車軸與軸承之間和齒輪間的摩擦阻力增大。此外，走行輪胎在靜止時的變形比運行時大，增加了滾動阻力。同時，為克服單軌車輛的靜態慣性力，起動時需要更大的加速力，如圖3.16單軌車輛阻力.速度關系所示【17］。因此，需要另行計算單軌車輛起動時的阻力，此阻力稱為單軌車輛的起動阻力凡，單位為N。圖3.16單軌車輛的阻力一速度關系Figures.16RelationshipbetweenresistanceandspeedofmonoraiIcar單軌車輛的起動阻力是單軌車輛起動時才存在的阻力，包括起動時的基本阻力和起動附加阻力。由于單軌車輛為輪胎與路面的接觸方式，有別于一般列車的輪軌接觸，不能按照《牽規》的經驗公式進行計算，通過滾動阻力系數都可以看出，其起動阻力肯定要比輪軌列車大。但是可以結合參考文獻［15］和我國《牽規》［48］中的起動阻力計算公式，以及保持本論文中阻力單位的一致性，單軌車輛起動阻力計算公式為：'=名111。g(3.24)式中，A一表示單軌車輛起動阻力系數。單軌車輛在實際運行中，一旦起動，單軌車輛阻力就從起動阻力回落到基本阻力，是一個從靜態到動態的瞬變過程。在牽引仿真計算中，一般在起動開始到單軌車輛速度為5km/h的時間內起動阻力有效【491。3.4單軌車輛的運行總阻力單軌車輛在空曠平直軌道上勻速運行時，單軌車輛主要受到走行輪滾動阻力和空氣阻力的影響，即單軌車輛運行阻力只有基本阻力:瓦=R=層+瓦=111。cg廠十瓦CD單軌車輛在曲線，坡給贏嶙線路贏?以及余扁京情況下運行，單軌車輛的運行阻力除了基本阻力以外，還要承受相應的附加阻力。若線路條件都存在，且非勻速，則單軌車輛的運行阻力為瓦=￡4-R4-E4-E4一只4一只（3.26）或瓦=R+H因此，單軌車輛的運行阻力為瓦=城蕊g廠+面ct,Au：+而min百egi+眈口2+（俄砒言U2—磁。g口。）刀+而1.3麗mmegZs+鋤瞰詈第四章單軌車輛制動力制動裝置產生的，并與單軌車輛運行方向相反、阻礙其運行的，以及可以根據需要人為調節的外力，稱為單軌車輛制動力。利用單軌車輛的制動力，可以人為地控制單軌車輛速度和進站停車距離，因而這個人為的阻力比自然產生的單軌車輛運行阻力一般要大得多。所以，在單軌車輛制動減速過程中，盡管運行阻力也在起作用，但單軌車輛制動力起著主要作用。單軌車輛主要有空氣盤形制動、動力制動和電空混合制動等形式。其中，空氣盤形制動是單軌車輛的基礎制動裝置，以壓縮空氣為動力源，空氣制動機使閘片壓緊制動盤側面，通過閘片與制動盤側面的機械摩擦，把單軌車輛的動能轉變為熱能消散于大氣，從而形成制動能力。動力制動包括電阻制動、再生制動和反接制動，它是讓單軌車輛的走行輪帶動其牽引電機，使其產生逆作用，從而消耗單軌車輛動能，產生制動作用。電空混合制動是通過制動器和單軌車輛的其它控制設備，合理分配動力制動和空氣盤形制動的大小和比例，從而能實現比較理想的制動力，對單軌車輛進行分級制動控制。單軌車輛的制動根據用途可分為兩種：常用制動和緊急制動。常用制動是單軌車輛正常運行的情況下，調節和控制單軌車輛的運行速度或進站停車所施行的制動，其作用較緩和，而且制動力可以人為調節。根據制動級數，常用制動一般為單軌車輛制動能力的20%?80%,多數情況下只用50%左右。緊急制動是單軌車輛在出現事故等緊急情況下為使其盡快停住而施行的制動，它不僅用上了全部制動能力，而且制動作用非常迅猛。另外，緊急制動裝置經常有冗余設備，其可靠性非常高，以確保在單軌車輛發生斷電、車體分離等緊急情況下也能保證制動效果。總之，在單軌車輛制動系統的常用制動工況中，設計原則是優先采用再生制動，然后是電阻制動，最后才是空氣盤式制動，這符合節能、環保和少維修的要求。?4.1空氣盤形制動制動一般是在單軌車輛的牽引力為零的情況下進行的。制動以前，單軌車輛依靠慣性惰行。當駕駛員操縱空氣盤形制動時，制動缸的壓縮空氣施加到活塞上,制動鉗在壓力的作用下通過閘片夾緊制動盤，產生摩擦力，從而形成與走行輪旋轉方向相反的力矩，這種阻止走行輪轉動的摩擦力矩稱為基礎制動器制動力矩，用L表不。單軌車輛的走行輪與軌道梁路面間有附著作用，走行輪對路面作用一個向前的周緣力，此力稱為基礎制動器制動力，用R表示，單位為N。它相當于把單軌車輛走行輪架離地面，啟動盤形制動器，在走行輪輪胎周緣沿切線方向推動走行輪，直至它能夠轉動所需的力，顯然其大小為口3】F?=2(4.1)式中，，.——指走行輪半徑。由于空氣盤式制動是通過壓縮空氣，經閘片壓緊制動盤， 阻止走行輪轉動,基礎制動器制動力凡的計算公式也可寫為：C=K紈 (4.2)式中，K——指制動塊壓力；仇——指制動塊與制動盤的摩擦系數。制動塊與制動盤的摩擦系數直接影響著單軌車輛制動性能的好壞，通常要求其值越大越好，并變化小。影響空氣盤式制動器閘片摩擦系數的主要因素有閘片材質、單軌車輛運行速度、閘片壓強和制動初速，同時也與制動盤的清潔度和閘片的新舊等因素有關。閘片材質和單軌車輛運行速度是影響閘片摩擦系數的重要因素。為了提高摩擦系數值，保持其穩定度，具有高的耐磨性能和長壽命，以及使制動盤磨耗小，重量輕等性能，單軌車輛的閘片主要采用稀土鑄鐵閘片、合成材料閘片、粉末冶金閘片和陶瓷鋁閘片等。閘片壓強和制動時的初速度是對閘片摩擦系數也有一定的影響。實驗表明，閘片壓強越大則摩擦系數越小，制動初速越低，摩擦系數越大，且隨著運行速度的降低，制動初速對摩擦系數的影響逐漸減小。同時，軌道梁路面對單軌車輛走行輪作用一個向后的作用力，此力稱為軌道梁路面制動力，用R表示。在軌道梁路面制動力的作用下，單軌車輛產生一定的減速度，若軌道梁路面制動力越大，制動減速度也越大，制動距離就越短。如忽略滾動阻力偶和減速時的慣性力、慣性力偶矩，單軌車輛制動時走行輪的受力情況如圖4.1所示，則軌道梁路面制動力與L應有如下關系，即瓦：互：K仇(4.3圖4.1走行輪在基礎制動時的受力情況Figured.IForceanalysisonrunningwheelwhiJeoperatingfoundatio基礎制動器制動力與制動缸空氣壓力成正比，但軌道梁路面制動力卻受走行輪與軌道梁路面間附著力的限制。三者之間的關系如圖4.2所示。空氣壓力P圖4.2R、Fu和R的關系Figure4.2Therelationshipamong死，F"andR當制動缸空氣壓力在0?尸a之間時，制動器摩擦力矩不大，軌道梁路面制動力足以克服制動器摩擦力矩而使走行輪滾動，即冗=兄（4.4）當制動缸空氣壓力大于P。時，制動器制動力隨制動缸空氣壓力成正比例繼續增大，而軌道梁路面制動力由于受軌道梁路面附著力限制不再增大，即其值不能超過附著力，故有以下關系式：瓦0L=兄緲即最大軌道梁路面制動力％。醒為瓦一=JE緲（4.5）當軌道梁路面制動力大于軌道梁路面附著力時，單軌車輛走行輪抱死不轉并出現拖滑現象。4.2動力制動單軌車輛在制動時，將其動能轉換為電能，即使牽引電機變為發電機，此時將牽引電機繞組產生的制動轉矩成為阻止走行輪向前轉動的力，這種對動能轉化為電能，并對其處理的制動過程稱為動力制動，也稱為電制動。1）無機械磨損，也沒有制動閘片引起的噪聲和粉塵：2）能產生較大的制動力；3）易于控制制動力，并能得到平穩的制動力；4）放心使用限速制動：5）再生制動時能節能。單軌車輛的牽引電機采用的是交流異步牽引電機，在直流供電牽引運行時，是將直流電到交流用電：DC--"AC,電制動時是將交流發電到直流電網用電：AC-DCo在動力制動中，由于處理動力制動所產生的電能的方式不同，單軌車輛采用的動力制動主要分為電阻制動和再生制動［51。52］。4.2.1電阻制動單軌車輛動力制動時，將正在運行的牽引電機從電網上斷開，即切除其供電電源，然后將定子繞阻任意兩端接上直流電源，從而在其氣隙中建立一個固定磁場。這時轉子由于慣性繼續旋轉，因而在轉子導體中產生感應電動勢和電流，由于轉子繞組是一個閉合電路，便產生轉子電流與氣隙磁場相互作用產生的電磁轉矩與轉速的方向相反，牽引電機處于制動狀態，這種制動實質上是將貯藏在轉子中的動能經牽引電機變為電能（其能量由感應電勢的大小和發電機外部相連的電阻器等的負荷決定），通過電阻發熱逸散掉，故稱為電阻制動，也稱為能耗制動【53】。感應電勢正比于磁場強度和導體即線圈橫向切割速度之積，尤其與線圈的匝數成正比。在磁場中橫向切割磁場時，在轉子線圈中產生的力經過齒輪從走行輪上被傳遞出去。遞給車輪的力是反方向的。但單軌車輛電阻制動時，由于轉子旋轉方向與牽引時一樣，線圈橫向切割的方向相同，所以需要將磁場的方向反過來或使電樞電流反過來。一般使用殘余磁場建立起感應電勢，以使電樞電流反向。通過感應電勢釋放能量，但其能量的數值由感應電勢和負荷電阻值決定，所以控制感應電勢或電阻值就可以控制制動力。由于單軌車輛電阻制動的電磁轉矩與電樞的旋轉方向相反，這個反向轉矩經傳動系到走行輪上，與空氣盤形制動作用于走行輪的摩擦力矩在本質上是一致的，兩者的制動力產生的過程也相同。因此電阻制動所產生的制動力，同樣要受到走行輪附著力的限制。目前，由于輕量化的需要，重慶單軌交通系統已經采用恒壓電阻吸收方式1541。恒壓吸收利用斬波器和吸收電阻配合，根據再生制動時線網電壓的變化狀態調節斬波器導通比，從而改變裝置吸收功率，將線網電壓恒定在某一設定值范圍內【55】。簡單地說，電阻吸收方式就是在地面設置制動電阻消耗直流供電網多余電能。即使用電氣開關，在直流供電網網