单轨模型

单轨模型（精选七篇）

单轨模型篇1

车辆是一个复杂的系统,而操纵稳定性是反映车辆能否按驾驶员操纵意愿做出理想响应的一项重要性能。要想分析车辆的操纵稳定性就需要建立车辆系统模型。

1940年,Riekert和Schunck在轮胎侧偏力学的基础上建立了线性二自由度车辆单轨模型[1](以下简称二自由度模型)。该模型由于简单、易于理解,并且能够得出汽车操纵稳定性的基本特性,成为了汽车动力学分析的基础。该模型基于一系列假设,其中非常重要的两条[2]就是:假定车辆纵向速度不变和认为车辆系统处于线性范围内。基于如此假设,车辆被简化为一个稳定的线性系统。对于任何的前轮转角输入,系统都会有稳定的输出,但只有当侧向加速度小于0.4g时的输出才有参考意义。

也正是由于二自由度模型的过度简化,限制了模型的适用范围。例如车辆的加速转向工况、车辆侧向加速度大于0.4g的工况等,二自由度模型都不能很好的反映。事实上,车辆在运行过程中,纵向车速是随时在变化的,而变化的车速会直接影响轮胎的侧偏特性和车轮的转向操纵稳定性。因此在研究车辆操纵稳定性时,有必要考虑车辆的纵向加速度[3,4]。

因此,本文建立了一个考虑汽车质心纵向速度、侧向速度和横摆角速度的三自由度车辆单轨非线性模型,如图1所示。

1 三自由度车辆单轨非线性模型的建立

为了减小模型复杂度并不影响模型准确性,作如下假设:

1)忽略转向系统的影响,直接以前轮转角作为输入;

2)假定车辆质心在地面上,即车辆不会发生轮荷转移,因此每根车轴上的两个车轮可以用一个位于轴中间的车轮代替,整个车辆被简化为“单轨模型”;

3)忽略悬架的作用,车厢没有垂直、俯仰和侧偏运动。

这样,车辆就简化成了一个具有纵向、侧向和横摆运动的三自由度模型。

根据受力情况,车辆动力学方程如下:

纵向:

侧向:

绕z轴:

式中:Vx为纵向速度;

Vy为侧向速度;

w为横摆角速度;

m为整车质量;

Jz为整车绕z轴的转动惯量;

a、b为质心到前、后轴的距离;

Fyv、Fyh为前后轮的侧向力;

Fxv、Fxh为前后车轮的切向力。

1)为了拓展模型适用范围,需要体现轮胎力的非线性特性,因此本文选择魔术公式模型,即:

其中,B、C、D、E为轮胎模型的参数,参数选取如表1所示[5]。F为轮胎侧向力,a为轮胎侧偏角。

对于前轮:

对于后轮:

侧偏力曲线如图2所示。

2)假设车辆为后轮驱动,则前后轮切向力分别为:

其中,Ttq为驱动力矩,f为前后轮滚动阻力系数,i为传动系统传动比,r为车轮滚动半径。

2 模型验证

通过式(1)~式(8),利用表2所示的车辆参数,在Matlab/Simulink中搭建三自由度单轨模型[6],如图3所示。

为了验证三自由度模型的准确性以及体现其优势,建立二自由度Simulink模型(如图4所示),并对两个模型的仿真结果进行对比。

为了更好地比较,忽略三自由度模型中的轮胎切向力,取VY和W的初值为0,取Vx初值为5m/s,进行正弦角输入工况仿真。

考虑到人手转方向盘频率大致为0.3~0.5,故取前轮转角输入为:

得到对比曲线如图5所示。

由图5可以发现,与二自由度模型相比,三自由度模型有如下区别:

1)纵向速度随时间略微波动减小;侧向速度和横摆角速度变化形状相同,但幅值略小;

2)侧偏角形状一样,但前轮幅值略有增大;

3)质心轨迹相似,但由于纵向速度略小所以总距离较短。

出现以上区别的原因是:二自由度模型虽然没有考虑轮胎切向力,但其强行假设车辆纵向加速度为0,相当有一股“无形”的能量在维持车辆的动能。而三自由度模型如果不考虑轮胎切向力,总能量是有限的,动能不断地在纵向和侧向之间转换,并逐渐被消耗。所以才出现了纵向速度减小,侧向速度偏小的现象;

至于侧偏角略大是因为:由公式(2),侧向加速度在前轮是由Fyvcosd提供,因此实际所需的前轮侧向力比二自由度模型略大,所以前轮侧偏角也略大。

通过以上对比和分析,可以看出三自由度模型是正确和符合实际情况的,为下文进一步分析三自由度模型奠定了基础。

3 纵向初速度的影响分析

令Ttq=100N·m,并分别取Vx的初速度为0m/s、10m/s和20m/s,对系统进行正弦角输入仿真,取前轮转角输入与上文一致。结果如图6所示。

可见,对于Vx=0和10m/s两种工况,车辆各项响应在整个仿真时间内都是稳定的,车辆质心轨迹曲线正常;而对于Vx=20m/s(72km/h)的工况,车辆大约在t=6s时失去稳定,各项响应发生剧烈的变化,质心轨迹也已经严重偏离正常路线。

另外,对于Vx=10m/s的工况,前轮侧偏角的稳定变化范围能达到-10°�10°,已经进入魔术公式的非线性区域;而对于二自由度模型,为了满足线性条件,其适用的侧偏角只能到4°�5°[7]。说明三自由度模型适用范围提高了。

4 驱动力矩的影响分析

取驱动力矩Ttq分别为0N·m、50N·m和100N·m,Vx初值为10m/s,前轮转角在t=10s时从0°变为10°,并维持不变。进行角阶跃输入仿真,相当于以不同节气门开度进行车辆稳态回转试验。仿真结果如图7所示。

由结果可得,在节驱动力矩较小时,车辆能保持稳态回转,并且在驱动力矩为50N·m时,转向半径有增大的趋势。此时侧向加速度最大达到了0.6g,要大于二自由度侧向加速度为0.4g的最大适用范围;而当驱动力矩达到100N·m时,汽车就已经发生失稳了。

可见三自由度模型能达到的最大侧向加速度范围也有所提高。

5 结论

1)通过与二自由度模型的对比,验证了三自由度车辆单轨非线性模型的准确性。

2)通过正弦角输入和角阶跃输入仿真,大致确定了该三自由度模型的稳定范围:侧偏角达到±10°、侧向加速度达到0.6g,说明其适用范围比二自由度模型提高了。

3)通过分析纵向速度、初始速度和驱动力矩的影响,得出不同仿真工况下车辆发生失稳的条件。

摘要：线性二自由度车辆单轨模型是最早和最经典的车辆模型,也是车辆系统动力学的基础。本文在此基础上提出了考虑汽车质心纵向速度、侧向速度和横摆角速度的三自由度车辆单轨非线性模型,建模时充分考虑了侧偏角和侧向力的非线性特性。通过Matlab/Simulink仿真结果,验证了三自由度模型的准确性;并通过对纵向初速度和驱动力矩的影响分析,说明了三自由度车辆单轨模型具有更高的适用性。

关键词：Matlab/Simulink,三自由度,纵向加速度,单轨模型,非线性,操纵稳定性

参考文献

[1]管欣,逢淑一.面向性能的汽车运动动力学模型回顾[J].汽车工程,2011,9(33):739-744.

[2]M.米奇克.陈荫三译.汽车动力学(第四版)[M].北京:清华大学出版社,2009.

[3]刘丽,储江伟,施树明,邹玉凤.车辆纵向加速度对操纵稳定性的影响分析[J].振动与冲击.2009,6(28):145-149.

[4]张晨晨,夏群生,何乐.质心侧偏角对车辆稳定性影响的研究[J].汽车工程,2011,4(33):277-282.

[5]刘丽.车辆三自由度平面运动稳定性的非线性分析及控制策略评价[D].吉林大学交通学院,2010.

[6]薛定宇,等.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

单轨吊驱动机构的应用改进篇2

山西平遥减速器厂是山西省高新技术企业, 中国重型机械、起重运输机械协会成员厂, 中国齿轮专业协会成员厂。目前, 企业拥有先进齐全的减速器生产和检测设备。主要生产油田、煤矿、钢厂、冶金、化工及水利等行业运用的各类减速器。近年来, 企业在煤矿领域主攻矿用配套减速器, 并建立了国内领先的节能性两兆瓦机械功率全封闭试验台, 为矿用产品的出厂性能试验奠定了良好的基础。单轨吊驱动机构就是我厂近年来生产的矿井牵引设备。但是本产品在工矿性能试验中经常出现轴端螺栓被拉断事故, 导致轮轴脱离、断轴等现象的发生。针对单轨道所存在的问题, 我们对其结构进行了优化改进, 与以往单轨道结构相比, 它主要是采用了一种传动与受力相分离的单轨吊行走机构, 实现矿井维修人员及设备的输送, 有效地避免了螺栓被拉断、轮轴脱离及断轴现象的发生。

2 出现的问题

某煤矿井下用单轨吊行走机构如图1所示。单轨吊驱动机构的工作原理为:液压夹紧机构4通过铰链机构1的连接且相互作用使装在减速器3的输出轴上的外滚轮2与工字钢导轨之间产生一定的正压力, 这样通过装在减速器3上的电机的带动, 外滚轮2与工字钢之间就会形成相对运动, 进而实现单轨吊机构在导轨上的行走。这种单轨吊行走机构在工矿实践应用中, 经常出现减速器3输出轴端螺栓断裂、外滚轮2与减速器输出轴脱离、减速器输出轴断轴等现象。

1.铰链机构2.外滚轮3.减速器4.液压夹紧机构

3 原因分析

如图2所示, 正压力的传递路线为:。通过上述正压力的传递路线, 我们分析如下:

(1) 由于滚轮2与导轨之间的反作用力传递到减速器的输出轴上, 使其承受的径向力较大, 导致输出轴轴伸台肩处的应力集中较大, 在复杂的工况运行过程中就会造成输出轴断裂的现象。

(2) 外滚轮2与导轨之间的正压力是经过减速器箱体及输出端轴承传递的, 外滚轮2在减速器3输出轴上属于悬臂安装, 对于减速器输出轴轴伸的受力及输出轴轴承的受力不合理。

(3) 在实际工况运行中, 由于工字钢导轨在焊接安装过程中不可能是理想竖直状态, 机构在导轨上运行时就会产生偏斜, 这样正压力就会分解到减速器输出轴的竖直方向上, 使其轴向受力, 随着角度的增大, 分解力就会增大。由于这种附加的竖直分力超过了设计时的额定轴向力, 致使轴端压板的螺栓被揪断, 进而轮轴分离。这也是在实际运行过程中发生频率较高的一种现象。

通过上述分析, 我们可以看出单轨吊驱动机构的输出轴在实际运行过程中既传递了外滚轮2与导轨之间的正压力, 又传递了外滚轮2旋转所需要的扭矩。这样, 对于输出轴来说承受了弯曲与扭转两种应力, 长期运转就不可避免地造成单轨吊驱动机构失效。

4 结构改进

通过原因分析, 我们在设计过程中将正压力的传递由原来的“箱体→输出轴”传递改为在“液压→铰链”的整体结构件上传递, 让输出轴只传递扭矩而不传递正压力。这样就能很好地解决断轴、轴承失效、螺栓被揪断的问题。

如图3所示 (与铰链机构1设计成整体结构) , 在新结构设计中, 我们首先将铰链机构1设计成带轴承座的部件, 并通过φ200的止口固定在减速器3的箱体上 (这里减速器3只是悬挂在铰链机构1上, 起传递扭矩的作用) , 轴承5将支撑板4与铰链机构1相连接, 支撑板4再与外滚轮2相连接, 这样便形成了独立的正压力传递机构。而减速器的输出轴则通过花键与压盖6相连接, 再通过螺栓与支撑板4连接, 最后和外滚轮2形成了独立的扭矩传递机构。正如我们所预想的那样, 正压力的传递路线为:液, 正压力并没有通过减速器3的箱体及输出轴来传递, 而是附加在铰链机构1和夹紧机构7形成的整体结构件上, 这样提高了该机构的安全系数。而扭矩的传递路线为:。

通过此种改进设计, 使外滚轮2与导轨之间的正压力与减速器3输出轴所传递的转矩相分离。

5 结语

通过对改进前后结构及受力的分析可看出:扭矩传递与受力传递相分离的单轨吊驱动机构, 由于对传递力的部件做了调整, 减少了因减速器输出轴上所受的正压力作用而导致断轴、轮轴脱离、螺栓被拉断等安全隐患。通过改进设计, 既保证了产品的质量, 又解决了实际问题, 值得在同行业中推广。

摘要：单轨吊驱动机构主要通过铰链-液压夹紧机构产生的正压力将外滚轮夹紧在工字钢导轨上, 使其与导轨间产生足够的摩擦, 再通过电机-减速器驱动来实现单轨吊驱动机构在导轨上的行走, 从而实现矿井维修人员及设备的输送。

关键词：单轨吊,夹紧,正压力,减速器,力的分离

参考文献

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[2]张展.减速器设计选用手册[M].上海:上海科学技术出版社, 2002.

单轨模型篇3

5月19日,我国自主研制的首列永磁跨座式单轨列车在中车青岛四方机车车辆股份有限公司(以下简称中车四方股份公司)正式下线。该车在国内首次采用永磁牵引,节能10%以上,达到国际领先水平。

据了解,中车四方股份公司研制的首列永磁跨座式单轨列车,为具有国际领先水平的、新一代基于永磁牵引的双轴转向架大运量跨座式单轨,具有“爬坡能力强、转弯半径小、载客量大、安全可靠、噪音低、节能环保”等突出优势。

该车可根据运营需求实现4节、6节、8节灵活编组,车体宽2.9 m,6节编组时全长90.8 m,可载客1 448人,堪称跨座式单轨列车中的“大力士”。车辆的最高运行时速为80 km,整车使用寿命长达30年。

单轨吊运输网络化的应用篇4

单轨吊机车的整体结构

该单轨吊机车由矿用柴油动力操纵器、矿用悬挂单轨道、安全制动车、单轨运输车四部分组成,各部分参数如下:

(1)矿用柴油动力操纵器:矿用柴油动力操纵器DMZ50F(以下简称操纵器)是一个单独的液压部件,其使用的是一种拉引设备对于在吊挂单轨吊轨道I155工字钢上的传送,在0°~25°时,操纵器被用作小尺寸机器的动力源。操纵器能够与输送原料的设备直接组合。

(2)矿用悬挂单轨道:悬挂单轨道MPD24F,MPD24F-110和MPD24F-120(以下称之为悬轨)应用于人员,原料的输送,能够运用在断面不小于8 m2或者倾角不大于±30º的煤矿巷道中。

在悬轨MPD24F,MPD24F-110和MPD24F-120上,能够输送多种原料及设备等,针对不同的情况可以选择不同的设备,人力手动运输允许在角度不大于35mm/m。同样适用于井下富含瓦斯和煤尘等恶劣条件中。

悬挂板的作用为:将轨道固定在锚杆上,其优势在于锚杆受到的作用力平均。固定板在水平方向上将轨道稳固,使其在传送过程中不会前后左右摇摆。卡扣的作用为:在两根轨道连接处,起着稳固效果。轨道悬挂如图1所示。

按现场实际要求,2m,2.4m,3m的轨道可供选择,其中3m轨道的技术参数如表1所示。

(3)安全制动车:按照欧盟相关规定,单轨吊系统在输送职员或者材料时,必须配备安全保障制动车。安全制动车按照不同类型的材料选择不等数量的制动车应用。

安全制动车是一个独立的液压回路系统,它一般安装在货物或人员的下方,保证人员和货物能在连杆出现断开的情况时,及时制动,避免事故的发生。图2为其结构示意图,表2为其技术参数。

(4)单轨运输车:承载小车是一类简易的运输器材,不具备起吊作用,需要配备起吊设备。

按照不同质量的材料,将2个或者4个承载车串联悬挂使用,但必须使承载车和轨道受到的作用力平均,要求每个承载车的受力不大于4t。图3为运输车的主视图和侧视图,图4为运输车的现场应用图,表3为其技术参数。

单轨吊网络化的关键环节

系统设计的优化:要改变传统设计方案,巷道设计需要考虑单轨吊安全运行空间,轨型、机车必须按照现场实际条件进行科学的合理选型。

生产工序的优化:统筹考虑矿井开拓和辅助运输两者之间的联系,坚持三同时原则即设计、施工、使用同时进行,施工单轨吊悬挂眼,轨道布设等工作与巷道开拓同步进行,预防劳动的重复性,缩短非必要的施工时间。

配套设施的健全:按照物料输送和运人的要求,将转换站、加油站和维修硐室布设在合适的位置,确保开车司机与跟车工、输送调度联系畅通。

强化岗位培训:单轨吊作为矿井辅助运输的一种新技术,具有较高的技术要求,必须实施多种安全有效的方式确保运行过程中人员和设备安全,增强岗位培训,提升专职员工的岗位素养,对设备进行按期维护保养,确保机车完整性,保证各类安全。

单轨吊运输网络化应用优势

(1)安全可靠。单轨吊的井下应用实现了不间断的长途传送,全部传送阶段不需要中间过渡,防止了以往地轨传送的断绳、脱钩、掉道等不安全因素。

(2)使用成本低。单轨吊整体结构简易,投入较少的设备,使用效率高。经过现场统计,单轨吊系统对比与以往绞车辅助输送,降低了硐室工程成本,年创经济净效益513.5万元。

(3)操作简便,功效高。单轨吊系统自身配备的设备及传输工具使其实现了全机械化操作。因为轨道悬挂在巷道顶板或者支架上,整个系统不受地质条件和地面设备等物质聚集的干扰。

结语

单轨列车水平轮胎压监测系统概述篇5

单轨列车胎压监测系统是用于实时在线的监测单轨列车水平轮胎的轮胎气压及温度, 当轮胎胎压过低、漏气或爆胎时能够及时报警, 通知司机做出相应措施以防止故障扩大及危险的发生。

该系统由发射器、中继器、车载网络终端TMS以及远程服务器组成, 由安装在轮胎的气门嘴上的发射器自动检测轮胎内的气压、温度以及发射器内电池电压等参数, 通过无线信号传输至中继器 (当胎压正常时, 发射器每10分钟发出一次数据信息, 当轮胎气压偏低时每30秒发出一次报警信息, 当检测到轮胎处于漏气状态等异常情况时, 发射器立即发出报警信息) , 中继器自动接收数据信息并进行处理分析, 正常时每两分钟转发一次处理后的数据信息, 当接收到有漏气等异常状况信息时, 立即转发相关数据信息至TMS, 与此同时车载显示器通过GPRS移动网络将检测数据以及相关信息定时上传至远程服务器, 网内客户终端通过远程服务器都可以实时浏览车辆轮胎压力、轮胎温度以及电池电压等参数的变化情况, 以便实时掌控在线运行车辆的每个车胎运行情况, 对超过设定阈值的参数将发出异常报警提示并记录存储。

2 水平胎压监测系统原理图 (图1)

3 水平轮胎压监测系统功能

3.1 轮胎压力监测功能

发射器安装在轮胎气门嘴上直接对轮胎内气压进行监测, 并实时监测气压变化, 定时将正常胎压数据传送至网络监控终端显示器更新各轮胎胎压值。司乘人员和维护人员可通过该系统胎压数值, 控制轮胎气压在正常范围之内, 从而减少轮胎的磨损, 提高轮胎使用寿命。

3.2 轮胎压力漏气报警功能

当发射器在2分钟内累计胎压值下降30Kpa, 发射器立即发送胎压数据, 界面显示实际胎压数值并提示漏气报警。当发射器在2分钟内累计胎压值升高30Kpa, 发射器立即发送胎压数据, 界面显示实际胎压数值但不报警。司乘人员和调度管理人员可通过该系统实时掌控到各车辆轮胎运行情况并对异常情况作出准确的判断, 及时进行处置, 极大限度减少因轮胎胎压异常造成的安全事故。

3.3 轮胎压力低气压报警功能

当胎压值低于800Kpa高于1300Kpa时, 发射器立即发送胎压数据, 并间隔30秒重复发送胎压数据, 界面上有报警提示。

3.4 轮胎温度监测功能

发射器实时对轮胎温度进行监控, 监测数据和气压数据同时上传至网络监控终端显示器进行同步显示。

3.5 轮胎温度过高报警功能

发射器内带温度传感器, 实时对轮胎内温度实时监测, 当轮胎温度超出设定值65℃时, 网络监控终端显示器提示温度过高报警。

3.6 便携式列检查询功能 (可选)

当列车回库后, 列检人员, 可利用便携式手持读写器, 对各轮胎进行查询气压值并确认, 手持读写器同时具备发射器ID读写功能, 方便发射器在更换轮位后重新定位用。

3.7 系统自检功能

当系统上电后, 系统自检功能对系统实施自检动作, 并实时对系统各部件进行自检判定, 当系统某部件出现故障时, 系统主机将故障信息上次至网络控制终端, 同时提示驾驶员监测系统故障, 请维护!

3.8 系统界面介绍

胎压监测系统的显示界面上主要包括每个对应的轮胎气压值, 及发射器与中继器的无线通讯状态, 当点击选择个轮位时, 参数栏将显示轮胎的气压, 温度, 发射器电池电压等信息

4 结论

胶轮单轨电车系统的特点及其应用篇6

1 发展概述

胶轮单轨电车是一种采用橡胶车轮在常规路面上进行承载和驱动,由坐落在中间导轨上特殊形状的钢轮引导车辆运行的有轨电车[2]。目前主要有2种类型:庞巴迪的GLT(Guided Light Transit,导向式轻轨交通系统)型胶轮单轨电车和劳尔的Translohr型胶轮单轨电车。两者的导向原理基本相同,但导向钢轨的形状有所差异:GLT单轨电车采用H型导向钢轮(图1),Translohr单轨电车采用V型导向钢轮[3](图2)。

第一条GLT单轨电车线路于2001年在法国南锡市开通运行(图3)。经过升级改造,新型GLT单轨电车于2002年11月在法国卡昂市再次投入运行(图4)。但由于H型钢轮稳定性差,容易发生脱轨事故,现已拆除改造所有线路。

第一条Translohr单轨电车线路于2001年在法国克莱蒙费朗开通运行(图5)。自2007年至今,意大利帕多瓦陆续修建了3条Translohr线路,贯穿整个城市(图6)。由于其运行性能好,意大利、法国等欧洲国家都选择修建了Translohr线路[4]。

近年来,我国十分重视城市有轨电车的发展。2005年,天津市滨海新区建立了首条Translohr单轨电车线路(图7)。2007年12月,上海浦东张江开发区修建了Translohr线路,全长约10km,共设15个站点(图8)。

2 构造特点

与钢轮钢轨式相类似,胶轮单轨系统是由车辆系统、站台、维修基地和线路等组成。同时,作为一种新型的城市轨道交通,胶轮单轨系统有其独特之处,即多样化的车站布置模式,简单的线路结构,以及特殊的车辆结构[5]。

2.1 车站的布置

在常规道路上运行的车辆,会占用道路资源,影响其他交通工具运行,因此需要进行合理分配。根据利益最大化原则,胶轮单轨电车的车站布置可采用以下3种模式:

(1)两侧式线路布置及侧式车站。与现有的公交车站相同,线路布置在道路两旁,非机动车及机动车道设于两线之间(图9)。

(2)单侧式线路布置及侧式车站。双线布置在道路外侧,非机动车和机动车设于线路内侧(图10)。

(3)中央式线路布置及岛式车站。双线布置在道路中央绿化带两侧,非机动车和机动车道设于两线外侧(图11)。这样的布置模式完全避免了占用道路两边的面积,只需针对道路中央隔离带位置进行改造。由于车站常设置在十字交叉口的位置,采用岛式车站,方便乘客穿过半条马路就可乘车,无需来回穿行。

选择合理的车站布置模式,需要根据道路宽度、机动车数量、道路等级和人行道宽度等实际线路情况进行判断。例如,上海和天津的胶轮单轨电车系统都采用中央式线路布置模式[6]。

2.2 线路

2.2.1 无缝导轨

胶轮单轨电车的轨道由导轨和行车道组成。导轨采用无缝钢轨:

预先将28kg/m的标准钢轨进行打磨;

打磨完成后,采用气压焊接法将标准钢轨焊成长钢轨;

焊好后,将长钢轨放进混凝土路面上的导轨槽中;

浇注特殊树脂材料将其固定在导槽中(图12)。

铺设小于300 m的曲线路段需对导轨进行预校弯处理;在平交道口路段和半径小于300m的曲线路段,需在导轨两旁加装固定扣件;在桥梁和道岔的两端,需利用特制的伸缩节装置来调整伸缩缝[7]。

2.2.2 行车道

胶轮单轨电车采用橡胶车轮沿着固定的线路行驶,并承担着整车载荷。利用此特点,在改造线路时可缩短工期、降低成本。目前,胶轮单轨电车主要采用4种路面结构:混凝土路面、沥青路面、混凝土与青石混合路面、混凝土与草坪混合路面(图13)。铺设行车道时,只需针对车辆运行线路进行施工,无需全面改造路面,然后根据四周环境选择合理的路面结构。

2.2.3 道岔

道岔是用来改变车辆运行方向的。胶轮单轨电车的道岔较简单,由1根曲轨、1根直轨、连接装置和转辙机等组成(图14)。

转辙机分为手动和电动2种类型,可改变道岔连通的方向。其中,电动转辙机的运用更为广泛,其工作原理为:道岔开启时电动机发生转动,从而带动减速器推动驱动机构,使道岔发生转换,转换完成后自动锁死,同时利用自动开闭器来控制信号的转换和转辙机的准确动作[8]。

2.3 供电系统

与传统的铁路系统相同,胶轮单轨电车采用架空接触网满足车辆连续受电的需求,通常供电电压为DC750V。同时在车辆顶端还装有蓄电池,在平交道口等无接触网的情况下,车辆可续航2km以上。

2.4 车辆系统

胶轮单轨电车通常由3节~6节车辆编组而成,整车采用模块化的编组方式:司机室模块(ME)、乘客模块(MP)和贯穿模块(MI)。列车两端设有司机室模块,司机室底部设有动力走行部。而非动力走行部设置在贯穿模块下(图15)。

胶轮单轨电车车体、车内设备、车门等结构与普通的城市有轨电车相似。车体采用铝合金板材组焊而成,质量轻。

2.4.1 走行部

走行部是车辆重要的组成部分,也是最能体现胶轮单轨电车特点的结构。胶轮导轨电车走行部可分为动力走行部和非动力走行部。

2.4.1. 1 动力走行部

动力走行部位于司机室的底部,主要由轴桥、橡胶车轮、导向机构和中央悬挂装置等组成(图16)。

独特的导向装置是走行部的核心部分,主要由导向轮、导向杆、横向位移限制器、排障器等组成(图17)。排障器主要由连杆、2个滑块组成。其中一端的滑块是活动的,有利于将较大的障碍物排出。两端滑块内侧设有电接触器,与导轨构成两条电回路,不仅用于回馈供电,还可探知车辆是否发生脱轨事故,保证行车安全。

导向装置前、后端设有横向位移限制器和导向轮。在运行过程中,前端的横向位移限制器开启,将前导向轮锁死。此时,转向臂、导向杆和导向转轴构成平行四边形,使橡胶车轮的转角与导向轮转角相同。后导向轮仅起限制横向位移的作用。因此,在转动过程中,轴桥没有参与转向,走行部的转动惯量比较小。

2.4.1. 2 非动力走行部

非动力走行部位于车体间铰接部分,主要由构架、牵引拉杆、中央悬挂和导向装置等组成(图18)。由于没有动力装置,用承载构架代替轴桥,并取消了排障装置。

相比于动力走行部,非动力走行部的导向装置结构较为简单(图19)。导向轮、导向杆通过四连杆机构直接连接到承载构架上。

与动力走行部相同,在运行过程中,位于前端的非动力走行部的横向位移限制器起作用,将四连杆机构固定,使得橡胶车轮的转角与导向轮的转角相同,后端导向轮起保护作用。在转动过程中,承载构架参与了转动,走行部的转动惯量较大[9]。

2.5 车体间连接装置

车体间连接部分结构较为复杂,贯穿模块与左、右车体的连接方式也互不相同。左、右车体下端坐落在贯穿模块上,形成固定铰,限制了车体在X、Y、Z方向上的平动,但释放其转动,使其不仅可承受垂向力,还可传递大部分的横向力和纵向力。连接靠近司机室的车体时,贯穿模块在水平面上端斜向安装减振器,形成自由铰,不限制两者间的横向和垂向移动,仅仅限制车体间的侧滚运动。贯穿模块另一端安装由减振器和拉杆构成的三角机构,形成转动铰,限制了纵向和横向平动,释放其转动和垂向移动,并不承受垂向力[10](图20、图21)。车辆之间采用固定铰+转动铰的铰接方式,限定车辆的垂向移动,但释放水平方向的转动,使得车辆能顺利地通过水平曲线。另一端采用固定铰+转动铰铰接方式,完全释放车辆的垂向运动,使车辆能够兼顾竖曲线和水平曲线通过能力。

3 走行特点

胶轮单轨电车走行部装有2种车轮:橡胶车轮和钢轮,它的走行机理与钢轮-钢轨系统完全不同。

橡胶车轮采用充氮气的子午线轮胎,其上设有防塌陷装置和压力监控系统。当橡胶车轮发生漏气或爆胎时,防塌陷装置可保证车辆在满载情况下仍以35km/h的速度向前行驶25m。而压力监控系统对车辆轮胎内的压力进行测量和记录,便于检测(图22)。

胶轮单轨电车导向轮采用与地面呈45°的钢轮,相互成90°,形成V字型结构,降低了作用在导轨上的垂向力,仅承受横向应力(图23)。因此,导向轮只负责导向,不负责承载[10]。

车辆运行过程中,橡胶车轮始终与地面接触,轮胎的弹性缓解了车辆的垂向振动,并有效地降低了噪声。导向轮则起到导向和缓解横向振动的作用。在直线上,导向轮保证车辆沿直线运行。通过曲线时,导向轮沿曲线发生偏转,从而带动走行部、车体进行偏转。车辆的横向约束主要依靠导向轮传递给走行部,垂向约束由走行轮传递给走行部,再传递给车体。

4 运用特点

将胶轮单轨电车车辆尺寸、车辆运能、技术性能等与普通钢轮-钢轨式有轨电车进行比较(表1),可以看出胶轮单轨电车系统在性能方面具有以下优点:

(1)胶轮单轨电车属于中等运量的轨道交通,工程投资和运行费用较低。

(2)能有效利用城市空间。

胶轮单轨电车与路面公共交通系统共用常规路面,仅需铺设特殊的导轨进行导向,占地面积少。橡胶车轮的摩擦系数较大,车辆的爬坡能力强,且能通过较小的曲线半径,因此其适应地形能力较强,铺设时无需改造路边的建筑,特别适合在城市中运行。

(3)对环境的影响小。

胶轮单轨电车采用橡胶车轮承载,可降低噪声。车辆采用电力牵引,不产生废气,因此,对沿线周围的环境和居民的生活影响较小。

(4)乘坐舒适。

车辆采用橡胶车轮,并设有空气弹簧,使得车辆的振动比较小。车厢四周采用宽大的玻璃外墙,视野开阔,具有良好的舒适性。

(5)施工简便,工期短。

施工过程中,可利用模具预先将混凝土路段造好,然后通过机械连接方式连接起来,因此建设工期短,人员投入少,总投资也较少。

5 结束语

胶轮单轨电车系统具有美观舒适、环保节能、运能适中和总投资少等优点,已在许多城市中安全运行。运用经验表明,该系统适合在以下线路投入使用:

(1)连接市中心和居民区之间的运输线;

(2)市区内的环状线路;

(3)机场、火车站或其他地区对外的枢纽线路;

(4)连接城市内两个重要地区的运输线;

(5)城市中坡度较大的地区。

对于人流量较大的大型城市,胶轮单轨电车可以作为地铁等大运量交通工具的辅助交通方式,用于火车站、运动场、周边郊区等地方与市区间的短途连接,覆盖城市中每一个角落。对于人流量较小的中、小型城市,胶轮单轨电车可承担城市中的主要交通运输,线路穿过整个市中心,满足人们的交通需求。因此,胶轮单轨电车能够灵活地适应城市发展需求,有效地缓解城市交通拥堵的压力,提高地面公共交通的运输能力。

参考文献

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[10]冯京波,郭泽阔,毛励良,肖瑞金.沈阳浑南新区100%低地板车辆技术特点[J].都市快轨交通,2013,26(6):136-139.

重庆跨坐式单轨列车室内环境分析篇7

跨坐式单轨交通属于轻轨铁路的一种, 列车的走行装置骑跨在单根混凝土或钢制轨道梁上, 轨道梁既是轨道又是承重梁, 梁顶行驶电力机车走行轮, 梁侧有机车导向轮、稳定轮相夹以维持机车稳定性, 车轮采用橡胶轮。跨坐式单轨交通具有噪声低、爬坡能力强、转弯半径小、快速便捷、占地少、造价低、利于环境保护等优点, 是现代化城市快速轨道立体交通的一种新形式。

重庆市建设了中国第一条跨坐式单轨交通系统, 轨道交通在给市民的出行带来方便的同时, 车厢内空气质量的好坏也影响着人们出行的健康, 良好的室内空气质量不但保证了车厢室内的卫生与舒适, 还能够给乘客带来愉悦的心情, 而较差的室内空气质量则会对长期搭乘轨道交通出行的旅客的身心健康造成损害。因此笔者对重庆市跨坐式单轨列车的室内环境进行了分析, 并提出了改善空调列车室内空气品质的措施。

1 重庆市跨坐式单轨车辆乘客室内环境

1) 重庆跨坐式单轨车辆在运行环境上与地铁车辆的差异。

a.车外温度与湿度。

重庆市跨坐式单轨车辆在运行方式上属于地面铁道车辆, 仅在少数站点间是在隧道内运行, 因此受外界天气条件变化影响较大。而地铁车辆主要在隧道内运行, 外界天气条件变化相对来说较小。

b.车内热、湿负荷。

众所周知, 重庆是著名的火炉城市和雾都, 夏季高温闷热, 冬季阴冷潮湿, 因此相对于其他城市的地铁车辆, 乘客对空调舒适性要求高一些, 在乘客进入客舱的时候应能够迅速感觉到凉爽或者温暖。

2) 影响车内空气品质的因素。

由于城市轨道车辆特殊的运行环境和运行模式, 特别是重庆属于典型的夏热冬冷地区, 车厢又属于相对密闭空间, 因此车内空气中存在大量的低浓度污染物, 比如乘客上下车会将灰尘及细菌等污物带入到车厢内, 导致室内空气品质下降。因此, 比较常见的严重影响空气品质的因素如下:

a.二氧化碳。

由于城市轻轨车厢内在短时间内会聚集大量的旅客, 尤其是上下班高峰期, 人们在呼出二氧化碳的同时, 身体其他部分也不断排出污染物。二氧化碳发生量由人数及活动量决定, 而现在大多数的空调客车都是将车厢内的空气循环再利用, 进入车厢内的新风量只占很小一部分, 因此会导致车厢内空气质量下降。

b.空气微生物。

车厢内的空气微生物一部分主要来源于乘客自身携带进入, 另一部分由于空调机组的长时间运行, 使得空调机组蒸发器周围及风道内长期处于高湿度条件也容易繁殖大量的细菌并产生异味。

c.甲醛。

甲醛是一种无色有刺激性气味的挥发性气体, 车厢内各种装饰板材, 如胶合板、保温材料、填充物, 以及各种塑料装饰板等均是甲醛等有害气体的主要来源。

d.负氧离子。

空气中负氧离子的浓度是空气质量好坏的标志之一。负氧离子浓度越高, 空气越好, 负氧离子的浓度达到一定程度可起到保健、治疗疾病、抑制空气中细菌产生的功效。而空调列车内空间较小, 人群密度大且空气经循环处理重新进入车厢内, 使得车厢内负离子浓度迅速降低, 不利于改善车厢内空气品质, 旅客易产生胸闷, 呼吸不畅等不良现象。

3) 车厢室内环境舒适性评价方法。

a.室内空气品质评价。

室内空气品质的评价目的是为室内人员提供健康, 舒适的环境, 由于每个人对于室内环境的耐受程度不一样, 因此对于室内空气品质的评价不能简单的定性为合格或者不合格, 我们应采用一套科学的客观的评价体系, 以期做出公正权威的评价结果, 目前对于室内空气品质的评价方法主要分为主观评价和客观评价。

主观评价是通过对室内乘员进行询问得到的。污染物对人体的影响不仅体现在生理上, 对于心理上和精神上造成影响更是无法用任何直接的方法测量, 加之个体差异的存在, 外界环境因素与个体间的感受存在某种不确定性, 因此反映到调查报告上的结果也是多种多样的, 很难得到一个反映实际情况的有价值的结果。

客观评价方法依据具体指标项将室内空气质量分为清洁、未污染、轻度污染、中度污染以及重度污染五个等级, 根据测得的数值与标准指标项进行对比, 以判断室内空气质量。客观评价方法具有直观性等特点, 因此在评价室内空气质量领域应用较广泛。

b.车内热舒适性评价。

美国供暖制冷空调工程师学会的标准 (ASHRAE Standard 55-1992) 中给出了热舒适性的明确定义:热舒适是指对热环境表示满意的意识状态[1]。因此, 评价车厢内热舒适性, 主要是研究人体对热环境的主观反应。我们可以利用丹麦学者P.O.Fanger教授提出的热舒适性PMV-PPD体系描述和评价热环境。

4) 运行中存在的问题。

a.人流量与站点的关系。

重庆市规划的城市轨道交通线共有十条, 目前投入使用的只有轻轨二号线, 重庆轨道交通二号线东起渝中区商业中心较场口, 西至大渡口区钢铁基地新山村全长39 km, 共设18座车站, 由于目前只有这一条线路投入使用, 其他规划线路处于在建中, 因此还没有形成交通网络, 所以除了早晚上下班高峰时段外, 其他时间段客流量并不大。而在黄金周假期时乘坐轨道交通出行的旅客数量又会激增, 据报道, 2007年“五一黄金周”期间, 重庆轻轨二号线客运量突破百万人次, 最高日客运量接近20万人。

重庆的轻轨交通可以用“新奇”来形容, 由于重庆地形的特殊, 轻轨线路穿越在城市建筑之间或是依山沿江而行, 乘坐重庆轻轨可以欣赏江景山色, 又可以感受城市变化之快, 在乘坐轻轨二号线出行的旅客当中外地游客也占了相当一部分, 大部分外地游客都会把感受重庆轻轨作为游览重庆的行程之一, 因此中心商业区和周边有宾馆酒店分布的站点, 客流量较其他站点的客流量都有明显的增加。

b.运行环境。

跨坐式单轨车辆是在高架梁上运行的交通工具, 因此还应考虑太阳辐射对车室内热舒适性的影响。

根据重庆市太阳辐射资料分析, 由于受云雾影响、空气中污染物和尘埃粒子逐年增多, 大大减少了太阳的直接辐射, 加大了散射辐射, 所以在车体材料和保温隔热材料的选择上应采用有较低传热系数的材料。鉴于重庆市跨坐式单轨列车特殊的运行路径, 为提高车室内的热舒适性, 在进行车体结构设计时应按动车组的车体传热系数标准进行优化设计。此外, 在车窗位置应设置遮阳帘等附属设施来有效减少太阳辐射对室内温度场的影响。

c.气流组织对室内舒适性的影响。

重庆市单轨车辆每台车均配有两台顶置单元式空调机组, 制冷量为19 000 kcal/h2, 送风管道沿车厢内顶部两侧纵向布置, 回风口位于车厢内顶部中间位置, 也呈纵向布置。由于列车通风系统的送风, 回风及排风作用必然会引起车内气体流动, 直接影响车厢室内温度分布以及人体的热舒适性感觉。

城市轨道交通车辆作为一种公共交通工具, 搭载乘客的数量具有时间及空间上的差异, 因此对于列车空调通风系统来说它的工作负荷是不断变化的, 虽然现代空调系统多采用变风量送风方式来调节车厢内气流流动, 但是由于城市轨道交通车辆工作环境的特殊性, 空调系统很难将车厢内的温度及湿度稳定在一个适当的水平范围内。

2 改善措施

1) 制定公共交通车辆室内空气质量标准。

我国的室内空气质量标准多是针对住宅及办公建筑室内空气质量, 而空调列车室内的空气品质与建筑室内空气品质存在较大的差异, 因此应提高对城市公共交通工具, 特别是带有空调通风系统且搭乘人员密度大的城轨车辆室内空气品质的认识深度, 选取车厢内具有代表性的污染源作为评价标准, 使得改善车厢内空气环境有据可依, 并根据参考值改进客车空调通风系统, 优化室内空气品质。

2) 优化空调客车通风系统设计。

对通风系统进行优化设计, 为保证进入室内新风量的品质, 应采集高品质的新风, 并对进入室内的新风进行过滤。在设计空调机组的送风系统时, 新风吸入口应布置在距离排风口较远的位置, 以免新鲜空气被污染。此外在新风吸入口位置还应加装防风装置, 以防空气流动对新风吸入的影响。室内送风应保证有较大的紊流系数, 以便增强二次混合的能力, 提高通风换气的效率。

合理的布置室内出排风口的位置也是十分重要的, 因为它们对于室内气流的流线, 温度场分布和污染物浓度的分布都有较大的影响。合理的出排风口位置分布不但能给乘客带来舒适的温度场和速度场, 还能及时的将室内低品质空气排出室外, 提高室内的空气质量。

3) 加强新风效应。

对空气品质要求越高也就是对新风量的需求越大, 但是提高新风量不但增加了空调机组的工作负荷, 而且由于空调系统结构设计上的原因, 送入室内的新风质量已大大降低。所以对于新风量而言, 我们更应该注意新风的质, 尽量缩短新风从被吸入到在室内排出的时间, 以便减少新风在输送过程中遭到的污染, 从而达到改善室内空气品质的目的。

4) 应用负氧离子发生器提高空气品质。

负氧离子对人体的生命活动有重要影响, 负氧离子达到一定浓度后可起到杀菌作用并抑制细菌的生长。

在空调机组送风口位置应设置负氧离子发生器, 利用负氧离子对灰尘、烟雾、有害气体、异味等的强烈吸附作用来净化空气。在空调机组蒸发器处等高湿环境下也应设置负氧离子发生器来抑制细菌的生长。如果条件允许, 在车室内设置负氧离子发生器能够有效改善室内空气品质。

5) 定期检修和维护空调系统。

空调系统的日常维护也是十分重要的, 应对一些易产生污染物的部件进行定期的清污处理, 控制好空调通风系统和围护结构内的湿度, 减少细菌的滋生, 这样才能保证进入室内的新风品质。

6) 采用环保材料。

在装饰材料和附属设施的选择上应采用低挥发性的有机环保材料, 从源头控制好车室内的空气品质。

3 结语

在大力发展城市轨道交通的同时, 我们还应加强对人—车—环境的研究分析, 并且通过制定相应的空气质量评价标准以及优化列车空调系统, 来不断改善空调列车的室内空气品质, 在满足乘客对乘坐舒适性及便利性要求的同时, 也给市民带来安全健康的出行。

摘要：从车外温度与湿度、车内热、湿负荷两方面分析对比了重庆市跨坐式单轨车辆在运行环境上与地铁车辆的差异, 探讨了影响车内空气品质的因素, 对车厢室内环境舒适性进行了评价, 提出了改善空调列车室内空气品质的措施, 以供参考。

关键词：列车,室内环境,评价,乘客

参考文献