單軌車輛牽引計(jì)算與仿真

重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文單軌車輛牽引計(jì)算與仿真姓名：張俊峰申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：車輛工程指導(dǎo)教師：杜子學(xué)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(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位做作者繇認(rèn)給，吼叫年華肌日重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)重慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本人學(xué)位論文收錄到《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》，并進(jìn)行信息服務(wù)（包括但不限于匯編、復(fù)制、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播等），同時(shí)本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利。學(xué)位論文作者簽名：農(nóng)紛拜指導(dǎo)教師簽名：日期：叫年印月h日日期：哆6。歹日本44意將本學(xué)位論文提交至中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社CNKI系列數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)布，并按《中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》規(guī)?定享受相關(guān)權(quán)益。 .第一章緒論1研究背景和意義城市軌道交通已經(jīng)成為我國城市交通發(fā)展的主流。城市軌道交通的誕生和發(fā)展已有100多年的歷史，19世紀(jì)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(fā)展的序幕，發(fā)展軌道交通成為解決城市交通問題的國際性大趨勢(shì)。世界上許多發(fā)達(dá)國家在小汽車進(jìn)入家庭后，仍然實(shí)施的是“公交優(yōu)先”的交通管理模式。以東京和倫敦為例，軌道交通分別承擔(dān)了86%和71%的客運(yùn)量，是居民出行的主要方式。機(jī)車車輛是城市軌道交通的重要組成部分。牽引計(jì)算主要包括列車運(yùn)行的牽引計(jì)算、制動(dòng)計(jì)算和能耗計(jì)算等，以及分析列車運(yùn)行過程中的各種現(xiàn)象和原理，從而解決列車在運(yùn)營和設(shè)計(jì)中的一些主要技術(shù)問題和經(jīng)濟(jì)問題。如：牽引重量、列車運(yùn)行速度和區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、列車制動(dòng)能力、機(jī)車能耗、列車操縱和控制優(yōu)化、點(diǎn)線能力計(jì)算、列車運(yùn)行計(jì)劃模擬與驗(yàn)證等，以及在保證列車運(yùn)行安全的前提下，多拉快跑，節(jié)省能耗。同時(shí)，它也是列車的操縱模擬、運(yùn)行仿真、自動(dòng)停車和自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)理論。因此，牽引計(jì)算是列車設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)fM】o在城市軌道交通系統(tǒng)中，跨座式單軌交通是一種典型制式，日本等發(fā)達(dá)國家有很多線路采用該種制式?？缱絾诬壾囕v（以后簡稱單軌車輛）與其它鋼輪.鋼軌黏著驅(qū)動(dòng)車輛制式區(qū)別在于車體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)模式、造型特征等方面的不同，其轉(zhuǎn)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(dòng)力給軌道，導(dǎo)向輪輪胎位于轉(zhuǎn)向架的側(cè)面，它引導(dǎo)車輛沿著軌道行駛，穩(wěn)定輪輪胎則位于轉(zhuǎn)向架的側(cè)面下部，它防止轉(zhuǎn)向架在強(qiáng)風(fēng)條件等下出現(xiàn)極端的側(cè)滾；同時(shí)，走行部通常采用剛性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)。另外，單軌車輛的車體和轉(zhuǎn)向架的二系懸掛采用空氣彈簧，并設(shè)有橫向減震器，由于充氣輪胎本身的多向彈性，獨(dú)軌車輛的構(gòu)架和車輪間不再設(shè)置一系懸掛【3.1310因此，單軌車輛總體上是機(jī)車車輛和重型汽車技術(shù)的融合，從而決定了單軌車輛牽引計(jì)算研究的主要技術(shù)難點(diǎn)和特點(diǎn)。2第尊結(jié)論1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外城市軌道交通車輛牽引計(jì)算的理論和實(shí)踐的成果比較多，但是，它們主要針對(duì)鋼輪一鋼軌車輛的牽引計(jì)算理論，對(duì)單軌車輛比較少。國內(nèi)的牽引計(jì)算理論相對(duì)落后于國外，主要是鋼輪一鋼軌車輛的牽引計(jì)算理論，包括北京交通大學(xué)饒中主編的《列車牽引計(jì)算》，西南交通大學(xué)彭其淵和石紅國等編寫的《城市軌道交通列車牽引計(jì)算》，以及北京交通大學(xué)毛寶保華主編的《列車運(yùn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)》等【14。191,而針對(duì)單軌車輛的牽引計(jì)算理論非常少，幾乎?片空白.在牽引計(jì)算與操縱仿真領(lǐng)域，國外比較成熟的系統(tǒng)有北美的TPC系統(tǒng)[20。21],即計(jì)算分析列車在長大上、下坡道的啟動(dòng)以及停車制動(dòng)性能，也包括列車的最大牽引重量；RAILSIM系統(tǒng)，即鐵路牽引計(jì)算與運(yùn)行模擬軟件，可以精確地模擬許多鐵路系統(tǒng)中多種列車的運(yùn)行；歐洲的TrainStar系統(tǒng)，即只能列車控制系統(tǒng)，提供自適應(yīng)的列車行為預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)列車的運(yùn)動(dòng)行為，并預(yù)測(cè)牽引和制動(dòng)等問題；日本的UTRAS系統(tǒng)【221,即分析列車牽引計(jì)算、列車模型對(duì)運(yùn)營的影響分析、延誤恢復(fù)及分析、不同通信信號(hào)制式的影響分析、多列車運(yùn)行能力及效果評(píng)價(jià)等。對(duì)于列車牽引計(jì)算與自動(dòng)控制和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，國外比較成熟的系統(tǒng)有ATO系統(tǒng)和ATC系統(tǒng)。即對(duì)列車牽引、制動(dòng)的控制和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的研究，使列車處于最佳或較好的運(yùn)行狀態(tài)，提高乘客的舒適度，列車的準(zhǔn)點(diǎn)率，節(jié)約能源，以及自動(dòng)駕駛性能，如日本的新干線控制系統(tǒng)，德國的ICE系統(tǒng)，法國的TGV系統(tǒng)。因此，單軌車輛的牽引計(jì)算理論需要重新確立。本論文主要是結(jié)合汽車?yán)碚摵土熊嚑恳?jì)算理論進(jìn)行研究。1.3主要研究內(nèi)容和方法單軌車輛牽引計(jì)算通常采用如下研究方法：1）采用汽車?yán)碚摵土熊嚑恳碚撓嘟Y(jié)合的理論方法;2）根據(jù)相關(guān)理論運(yùn)用試驗(yàn)的方法；3）采用理論分析與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法。本論文采用理論分析與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法，其主要內(nèi)容研究如下:1）通過汽車輪胎與路面驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的理論，以及對(duì)交流異步牽引電機(jī)的牽引特性的研究，推導(dǎo)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(jié)構(gòu)，不考慮一般鋼軌結(jié)構(gòu)列車的軸承第一章緒論3阻力，其運(yùn)行阻力主要有走行輪滾動(dòng)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(xué)模型中增加了加速附加阻力，建立了運(yùn)行阻力理論公式.3）運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和對(duì)單軌車輛制動(dòng)力的分析，推導(dǎo)出單軌車輛的制動(dòng)距離公式，包括空走距離公式和有效制動(dòng)距離公式。4）通過對(duì)單軌車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)行控制理論的研究，利用分析法構(gòu)造單軌車輛的單質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)、節(jié)能、舒適以及準(zhǔn)確停車等目標(biāo)的情況下，運(yùn)用最優(yōu)牽引策略構(gòu)建單軌車輛的多質(zhì)點(diǎn)模型，并基于GT-DRIVE在不同工況下的模擬分析。5）根據(jù)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(shí)現(xiàn)如下研究目標(biāo)：?1）基于汽車行駛阻力和列車運(yùn)行阻力兩種計(jì)算模式，推導(dǎo)出單軌車輛的運(yùn)行阻力。2）建立單軌車輛制動(dòng)距離理論公式。3）基于最優(yōu)牽引策略，建立單軌車輛的單質(zhì)點(diǎn)和多質(zhì)點(diǎn)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?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)并保持運(yùn)動(dòng)，必須要有外力的作用，此外力與單軌車輛運(yùn)行方向相同并可由司機(jī)根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小。這個(gè)推動(dòng)單軌車輛運(yùn)行的外力稱為單軌車輛運(yùn)行牽引力只，單位為N。單軌車輛除了頭車有一個(gè)轉(zhuǎn)向架為無動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，其余的都為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，因此單軌車輛的每節(jié)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(chǎn)生單軌車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩％。，經(jīng)傳動(dòng)系傳至走行輪上，此時(shí)作用于走行輪上的轉(zhuǎn)矩瓦產(chǎn)生一對(duì)軌道梁路面的圓周力R,同時(shí)，軌道梁路面對(duì)走行輪產(chǎn)生一個(gè)切向反作用力Ft0（方向與R相反），這個(gè)力就是單軌車輛的牽引力，如圖2.1所示。其計(jì)算公式為1231：死：互，. （2.1）式中，瓦——表示作用在走行輪上的轉(zhuǎn)矩，N-m；,. 表示車輪半徑，m。圖2.1單軌個(gè)輛的驅(qū)動(dòng)力Figure2.IDrlvIngforceormonoraiIca在單軌車輛的傳動(dòng)系中，牽引電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩％。經(jīng)傳動(dòng)系傳至走行輪匕此時(shí)作用于走行輪上的轉(zhuǎn)矩正與牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為re=%ior/T(2.2)式中，Ttq表示牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N-m；io 表示減速器的傳動(dòng)比；刁T——表示傳動(dòng)系的機(jī)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(jī)控制技術(shù)的長足進(jìn)步，單軌車輛已采用交流牽引VVVF調(diào)速系統(tǒng)，此調(diào)速系統(tǒng)主要由逆變器、計(jì)算機(jī)控制裝置、主要電器元件、交流異步牽引電動(dòng)機(jī)組成。與直流牽引電動(dòng)機(jī)相比，交流異步牽引”電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高、功率大、能自動(dòng)防滑、價(jià)格低廉、效率較高、運(yùn)行可靠，以及防空轉(zhuǎn)性能較好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，取代了以前廣泛使用的直流牽引電動(dòng)機(jī)【241。2.1.2.1牽引電機(jī)的機(jī)械特性交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子必須通過切割磁通，才能產(chǎn)生力矩，因此轉(zhuǎn)子的速度必須比磁場(chǎng)的速度(即同步轉(zhuǎn)速)略慢一些。通常把同步轉(zhuǎn)速聆。和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速刀二者之差與同步轉(zhuǎn)速刀。的比值稱為轉(zhuǎn)差率，也稱為轉(zhuǎn)差或滑差s,即：s：蘭型(2—,41)nsS— — —■l當(dāng)交流異步牽引電動(dòng)機(jī)定子的電壓、頻率獲套數(shù)固定的條件下，?它的電磁轉(zhuǎn)矩丁與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的變化關(guān)系，稱為交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，記作r=f(療)，若用轉(zhuǎn)差率s代替電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速刀，此時(shí)機(jī)械特性記作r=f(s),如圖2.2所剝251。

電制狀電狀一一磁動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)電制狀電狀一一磁動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)_?jo*r1從圖2.2中可以看出，交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不是一條直線，可將其分為三部分【26J：1）電動(dòng)狀態(tài)在轉(zhuǎn)差率為0VSW1范圍內(nèi)，即轉(zhuǎn)速為OVng聆。，電磁轉(zhuǎn)矩丁和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，z都為正，方向相同，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速刀。的方向也相同。牽引電機(jī)從電網(wǎng)吸取電功率，從軸上輸出機(jī)械功率，牽引電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。牽引電機(jī)機(jī)械特性曲線在此范圍內(nèi)，可劃分為AC段和CD段，以及擁有四個(gè)特殊點(diǎn)，如圖圖2.2所示。a）同步運(yùn)行點(diǎn)彳，也稱為離心空載點(diǎn)該點(diǎn)T=0,刀=以。，s=0,此時(shí)牽引電機(jī)不進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。由于交流異步牽引電動(dòng)機(jī)計(jì)算在空載時(shí)也存在空載轉(zhuǎn)矩％,牽引電機(jī)在沒有外力作用下不可能達(dá)到此狀態(tài)。b）額定工作點(diǎn)B該點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)矩、電流及功率都是額定值。機(jī)械特性曲線上的額定轉(zhuǎn)矩就是指額定電磁轉(zhuǎn)矩瓜，單位為N-m,它等于額定輸出轉(zhuǎn)矩％。與空藏魁和。由于工程計(jì)算中通常忽略空載轉(zhuǎn)矩死，所以也可認(rèn)為額定電磁轉(zhuǎn)矩稱為牽引電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩T2N,計(jì)算公式如下：D瓦=JEN=9550fN—（2.5）.IN式中，玳——表示牽引電機(jī)的額定功率，kW；佩 表示牽引電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min?c）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)C,也稱為臨界點(diǎn)該點(diǎn)T=Tm為最大轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率Sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率。最大轉(zhuǎn)矩是交流異步牽引電機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，不僅反映了牽引電機(jī)的過載能力，對(duì)起動(dòng)性能也有影響。臨界狀態(tài)說明交流異步牽引電動(dòng)機(jī)具有短時(shí)過載能力，但在任何情況下牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩均不能大于，否則牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速將急劇下降，迫使?fàn)恳姍C(jī)堵轉(zhuǎn)，有可能造成事故。同時(shí)，也不允許牽引電機(jī)長期過載運(yùn)行，從而導(dǎo)致其損壞。在交流異步牽引電動(dòng)機(jī)中，過載能力九也稱為最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，是指最大電磁轉(zhuǎn)矩％與額定電磁轉(zhuǎn)矩氏之比。即：7'以=子J?d）起動(dòng)點(diǎn)D該點(diǎn)s=1,n=0,電磁轉(zhuǎn)矩r為初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩強(qiáng)。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩瓦。與額定電磁轉(zhuǎn)矩虱之比稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)k,即：e）AC段該段近似為一條直線，對(duì)任何負(fù)載均能穩(wěn)定運(yùn)行，是交流異步牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的工作段。f）CD段該段的轉(zhuǎn)差率大，以及定子和轉(zhuǎn)子的電流也很大，所以對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不能穩(wěn)定運(yùn)行，即單軌車輛的牽引電機(jī)不宜在該段運(yùn)行。牽引電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下，其機(jī)械特性分為兩個(gè)部分（見圖2.3）：在轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速，即n>nm時(shí)，稱為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，即正常工作區(qū)；在nVnm時(shí)，稱為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。在轉(zhuǎn)速為nmV刀S刀。的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成反比，可以是負(fù)載在一個(gè)工況點(diǎn)至另一個(gè)工況點(diǎn)達(dá)到新的平衡；該段的轉(zhuǎn)速特性曲線比較陡峭，正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)速n很接近同步轉(zhuǎn)速訂。，轉(zhuǎn)速變化不大，其額定轉(zhuǎn)差率很小，即硬的機(jī)械特性，從而具有良好的防空轉(zhuǎn)性能。而在轉(zhuǎn)速為0Vnvnm的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比，若轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)矩也減小，最終導(dǎo)致牽引電機(jī)停轉(zhuǎn)；若轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)矩也增大，使得牽引電機(jī)工況越過臨界點(diǎn)而進(jìn)入穩(wěn)定工況內(nèi)，達(dá)到新的平衡。一不穩(wěn)定區(qū)一.I一穩(wěn)定區(qū)0JJm/rsffi圖2.3交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)2）發(fā)電反饋狀態(tài) J在轉(zhuǎn)差率為SVO范圍內(nèi)，即轉(zhuǎn)速為n>n。，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩丁為負(fù)值，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，牽引電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。由于電磁功率也是負(fù)值，向電網(wǎng)反饋電能，因此，牽引電機(jī)也處于發(fā)電狀態(tài)。3）電磁制動(dòng)狀態(tài)在轉(zhuǎn)差率為s>l范圍內(nèi)，即轉(zhuǎn)速為nV0,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩丁為正值。牽引電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，也稱為轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。2.1.2.2牽引電機(jī)的調(diào)速單軌車輛的調(diào)速實(shí)際上就是對(duì)交流4步牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，而交流異步牽引電動(dòng)機(jī)又主要采用變頻調(diào)速。根據(jù)控制懸:的不同，交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可分為恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速和恒功率變頻調(diào)速。單軌車輛通過VvVF控制，根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，自動(dòng)選擇最優(yōu)化的恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速或恒功率變頻調(diào)速。變頻調(diào)速實(shí)際上是通過改變?nèi)嚯娫吹念l率，進(jìn)而改變?nèi)喈惒綘恳姍C(jī)的同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)單軌車輛調(diào)速的。由于交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速刀。與定子電源的頻率.八成正比，在牽引電機(jī)磁極對(duì)數(shù)一定條件下，改變電源頻率-就可以

平滑地改變同步轉(zhuǎn)速”。，即調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的調(diào)速范圍也越寬廣，這就可以滿足單軌車輛牽引電機(jī)從零到最大值的調(diào)速要求。對(duì)于變頻調(diào)速下的交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(jī)械特性分布的轉(zhuǎn)速范圍和傾覆轉(zhuǎn)矩％的大小也同時(shí)發(fā)生變化，傾覆轉(zhuǎn)矩％公式為：瓦：Cm要式中，G一表示牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。以牽引電機(jī)的額定頻率為基準(zhǔn)頻率，稱為基頻入。變頻調(diào)速時(shí)以基頻為分界線，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。1）由基頻向下調(diào)速：人伯時(shí)，保持粵為常數(shù).,1的變頻調(diào)速交流異步牽引電動(dòng)機(jī)定子每相電壓肌與每相電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)的定子繞組匝數(shù)；k1——表示交流異例引電動(dòng)機(jī)的定揮組系數(shù)/ F1在交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的^速時(shí)？如果只需根定子電ii嬴率石，i靛子每相電壓機(jī)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(shí)1主磁通必綺電飽不工潛門口,K引電機(jī)小量MN牽引電機(jī)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(jī)小量MN若降低電源頻率石］箕市子電斗機(jī)也隨之降低，保持_uI為常數(shù)，如快隙磁出J1為m為常數(shù)，從而避免上述現(xiàn)象發(fā)生，這也稱為恒磁通變頻調(diào)速控制方式。恒磁通變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖2.4所示，這種調(diào)速方法與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降低電源電壓調(diào)速相似，具有機(jī)械特性較硬，在一定靜差率要求下調(diào)速范圍寬，低速下運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，所以變頻調(diào)速為無極調(diào)速，調(diào)速的平滑性好。此外，牽引電機(jī)拖動(dòng)正常載荷在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率較小，因此轉(zhuǎn)子銅損耗小，效率高。0療擰。刀：’燈圖2.4恒磁通變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性Figure2.4Mechenicaicharacteristicofcostantfluxwhenvariatingfrequencyandregua1tingspeed因此，在低頻條件下，氣隙磁通矽m和傾覆轉(zhuǎn)矩％不變，基本上就可以滿足單軌車輛低速起動(dòng)時(shí)具有大而穩(wěn)定不變的牽引力要求。并且，利用這種恒磁通變頻調(diào)速方法，可以獲得單軌車輛運(yùn)行的恒轉(zhuǎn)矩工況，如果磁通較接近于飽和狀態(tài)，則可以認(rèn)為牽引電機(jī)工作在全磁場(chǎng)工況。2）由基頻向上調(diào)速：.->fN時(shí)，陰=us的恒功率變頻調(diào)速在基頻向上變頻調(diào)速時(shí)，.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(jī)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(dāng)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法。在定子電壓機(jī)為常數(shù)的條件下，傾覆轉(zhuǎn)矩％與一2成反比例變化，其機(jī)械特性曲線如圖2.5所示，在不同頻率下各機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)段近似平行。由于電源頻率.五升高，傾覆轉(zhuǎn)矩％減小，電源頻率.-降低，傾覆轉(zhuǎn)矩焉增大，這種方式稱為恒功率變頻調(diào)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(diào)速時(shí)的機(jī)械特性Figure2.5Mechenicalcharacterlsticofcostantpowerwhenvarlatingfrequencyandregua)ting由于定子電壓帆為常數(shù)，氣隙磁通》m將隨著的增加而減少，因此牽引電機(jī)工作在磁場(chǎng)消弱工況。因此，單軌車輛的交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩取決于牽引電機(jī)漏抗，最大電磁轉(zhuǎn)矩孺與實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩％。的差值稱為轉(zhuǎn)矩裕量（見圖2.6）?牽引電機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)確保即使在恒功區(qū)的最高速度點(diǎn)仍有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩裕量。但轉(zhuǎn)矩裕量過大，又會(huì)使?fàn)恳姍C(jī)的重量和體積不必要地增加。轉(zhuǎn)矩裕量與恒功范圍的關(guān)系如圖2.7所示127J。圖2.6交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩裕量圖2.7轉(zhuǎn)矩裕量與恒功范圍的關(guān)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(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算得出，也可通過專門的試驗(yàn)測(cè)算得出。將牽引電機(jī)的功率Pc、牽引甩機(jī)的轉(zhuǎn)矩Ttq與單軌車輛運(yùn)行速度Ua之間的關(guān)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(jī)采用的型號(hào)為HITACHI-EFO(105kw,11其牽成屬樣曲線(YKM.004)可通過仿真計(jì)算得出，如圖2.8所示。圖2.8牽引電機(jī)的牽引特性曲線2.1.3傳動(dòng)系的機(jī)械效率在單軌車輛系統(tǒng)中，傳動(dòng)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(jī)的功率凡經(jīng)減速器傳至驅(qū)動(dòng)輪的過程中，消耗了?部分功率PT,則單軌車輛傳動(dòng)系的機(jī)械效率為口3】：r7,：±1(2.6)只傳動(dòng)系的功率損失可分為機(jī)械損失和液力損失兩大類。機(jī)械損失是指齒輪傳動(dòng)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(jī)械損失主要與傳遞轉(zhuǎn)矩的大小等因素有關(guān)。液力損失是指消耗于潤滑油的攪動(dòng)、潤滑油與旋轉(zhuǎn)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(nèi)的液面高度，以及齒輪、軸等旋轉(zhuǎn)零部件的轉(zhuǎn)速有關(guān)。另外，傳動(dòng)系的功率損失與驅(qū)動(dòng)軸軸承、輸入軸軸承、油封松緊程度，以及空氣盤式制動(dòng)的分離情況等因素有關(guān)。由于單軌車輛的傳動(dòng)系為兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，且處于常嚙合狀態(tài)，其機(jī)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(shí)的半徑稱為自由半徑。單軌車輛處于靜止時(shí)，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(yùn)行過程中實(shí)際的半徑稱為滾動(dòng)半徑，，。其公式如Ft291：一土 旺7,o山式中，nw——表示車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)；S——表示在轉(zhuǎn)動(dòng)％。圈時(shí)車輪滾動(dòng)的距離。滾動(dòng)半徑可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可以作近似估算。單軌車輛運(yùn)行速度在60km/h的滾動(dòng)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(jì)算常數(shù)；子午線輪胎4一一3.05,斜交輪胎以=2.9總2：若對(duì)單軌車輛作動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)該采用靜力半徑；而作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，應(yīng)該用滾動(dòng)半徑。但一般不計(jì)它們的差別，統(tǒng)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(jī)所確定的驅(qū)動(dòng)力是決定動(dòng)力性的一個(gè)主要因素，驅(qū)動(dòng)力大，加速能力好，爬坡能力強(qiáng)等。但它必須滿足輪胎與軌道梁路面的附著力，即其動(dòng)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(duì)輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力場(chǎng)，附著力的大小在數(shù)值上等于附著系數(shù)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(shù)：屁——表示走行輪路面垂直載荷。附著系數(shù)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(shù)的大小主要決定于道路的材料、路面的狀況與輪胎結(jié)構(gòu)、胎面花紋、材料以及單軌車輛運(yùn)行的速度等因素，也與滑動(dòng)率密切相關(guān)。軌道梁路面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的反作用力R不能大于附著力，否則將發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)現(xiàn)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(qū)動(dòng)輪的附著率q,其值不能嶼地面附著系數(shù)，即因此，驅(qū)動(dòng)輪的附著率是表明單軌車輛附著性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是單軌車輛驅(qū)動(dòng)輪在不滑轉(zhuǎn)工況下充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)力作用所要求的最低地面附著系數(shù)。圖2.9是單軌車輛中的一節(jié)車輛在空曠的直線加速上坡時(shí)的受力圖，其中將轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動(dòng)軸簡化為一對(duì)同軸車輪，導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的運(yùn)行阻力不考慮，單軌車輛的運(yùn)行阻力為走行輪滾動(dòng)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(rèn)為作用在單軌車輛的質(zhì)心上，空氣阻力凡則作用在單軌車輛風(fēng)壓中心上。因此，單軌車輛的驅(qū)動(dòng)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(jié)單軌車輛的重力，N；

hg 表示單軌車輛質(zhì)心高度，m；hw 表示風(fēng)壓中心高度，m；珀，危——表示作用在前、后輪上的滾動(dòng)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(zhuǎn)向架制動(dòng)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(zhì)心與本簡化圖中前軸的距離，m；b——表示質(zhì)心與本簡化圖中后軸的距離，m。將作用在本節(jié)單軌車輛上的力對(duì)前后輪路面接觸面中心點(diǎn)取力拒【231,可得：用r一-mi?置+￡/!+式中，乃=砰4為舒（士）號(hào)。FG?cosa*<6夕）G.用r一-mi?置+￡/!+式中，乃=砰4為舒（士）號(hào)。乃：，11日減逋箱中間軸旋轉(zhuǎn)與車輪旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)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(dòng)阻力系數(shù)值很小，可簡化6一夕xb,口+夕=a；X乃的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)；單軌車輛的風(fēng)壓中心高和單軌車輛質(zhì)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(qū)動(dòng)力達(dá)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(jié)車輛的因此，當(dāng)前轉(zhuǎn)向架為動(dòng)力等架噂初分轉(zhuǎn)財(cái)。附著力名.為本節(jié)車輛的6o=兄。緲=妒［G,蘭由滾動(dòng)阻力公式層三b,等月色與前W）,1式可簡化為同理，當(dāng)前轉(zhuǎn)向架為無動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，后轉(zhuǎn)向架為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架時(shí)，本節(jié)車輛的附著力巴，為驢掣#顯然，當(dāng)前、后轉(zhuǎn)向架都為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架時(shí)，本節(jié)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(duì)于一節(jié)單軌車輛的前、后轉(zhuǎn)向架都為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，只有當(dāng)其前、后轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)力的分配比值剛好等于其前、后轉(zhuǎn)向架法向反作用力的分配比值時(shí)，該節(jié)單軌車輛才能真正充分利用此附著力。2.2.3附著系數(shù)與滑動(dòng)率之間的關(guān)系上面提到附著系數(shù)的大小受諸多因素的影響，與滑動(dòng)率密切相關(guān)。仔細(xì)觀察單軌車輛制動(dòng)過程，可以看出輪胎留在地面上的印痕從車輪滾動(dòng)到抱死拖滑是一個(gè)漸變的過程。隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加，車輪滾動(dòng)的成分越來越小，而滑動(dòng)成分越來越大。在上面這個(gè)過程中滑動(dòng)成分的多少一般用滑動(dòng)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(dòng)力時(shí)的車輪滾動(dòng)半徑：00W——表示車輪的角速度。若車輪作純滾動(dòng)時(shí)，"W=moow,滑動(dòng)率s一—0；若車輪作純滑動(dòng)時(shí)，69w=D,滑動(dòng)率S 100%；若車輪邊滾邊滑時(shí)，0VSV100%。因此，滑動(dòng)率的數(shù)值說明了車輪運(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例?；瑒?dòng)率越大，滑動(dòng)成分越多。另外不同輪胎的附著系數(shù)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(shù)。圖2.10為附著系數(shù)緲與滑動(dòng)率s的關(guān)系曲線（緲?s曲線）?？梢钥闯?，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(dòng)時(shí)，并不是附著系數(shù)最大的時(shí)刻。相反，制動(dòng)到剛開始出現(xiàn)一些滑動(dòng)時(shí)，反而具有最大的附著系數(shù)‘3，1,0備0.8蒸0.6辮0.4敲0。20204。60腫I00精動(dòng)辜編圖2.10附著系數(shù)與滑動(dòng)率2.3單軌車輛的牽引力在單軌車輛系統(tǒng)中，整列單軌車輛的最前和最后轉(zhuǎn)向架為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，其余都為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，且每個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架中有兩個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)，單軌車輛的牽引力就是通過每個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)經(jīng)走行輪驅(qū)動(dòng)而得來。根據(jù)式（2.3）,單軌車輛的牽引力計(jì)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(shù)。當(dāng)每個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)都以額定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，則單軌車輛的設(shè)計(jì)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(shí)，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(dá)到的最大值即為單軌車輛附著牽引力兄。此時(shí)，單軌車輛的最大牽引力的計(jì)算公式為：%。=兄=Fz緲（2.16）式中，p——表示附著系數(shù)；兄——表示走行輪路面垂直載荷。另外，由于單軌車輛為無級(jí)牽引，即駕駛操縱沒有級(jí)位之分。牽引力的取值也有以下兩種情況【17J：1）根據(jù)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(yùn)行速度的函數(shù)，即￡蛾=f（Uo）（2.17）—式中，％o雙 表示最大牽引力；——表示車輛當(dāng)前速度；計(jì)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(shù)，取值范圍為?！匆訵1;這種情況適合于有可用于使用的牽引力曲線的場(chǎng)合。2）根據(jù)加速度來計(jì)算牽引力，即根據(jù)單軌車輛當(dāng)前速度及其在該點(diǎn)的目標(biāo)速度來計(jì)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(tái)頭車的總重量，kg；慨——表示單軌車輛的一臺(tái)中車的重量，kg；a（Uo,蛇嚼，）——表示與單軌車輛運(yùn)行速度和目標(biāo)速度相關(guān)的加速度，m/s。第三章單軌車輛的運(yùn)行阻力單軌車輛在軌道梁上運(yùn)行時(shí)，有許多外力作用在單軌車輛上，阻止其運(yùn)行且不受人力操縱，這些外力統(tǒng)稱為單軌車輛運(yùn)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(dòng)阻力；）空氣阻力；）沖擊和振動(dòng)阻力；）坡道阻力；）曲線阻力：）隧道阻力；）加速度阻力；）風(fēng)阻力；）起動(dòng)慣性阻力。單軌車輛的運(yùn)行阻力，按其產(chǎn)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(dòng)阻力、空氣阻力、沖擊和振動(dòng)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(fēng)阻力等。.1基本阻力單軌車輛在空曠地段沿平直軌道上運(yùn)行時(shí)，由單軌車輛內(nèi)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?；咀枇κ菭恳?jì)算中常用的重要參數(shù)之一，是單軌車輛在運(yùn)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(dǎo)向輪和穩(wěn)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(dòng)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(dòng)阻力：2）單軌車輛運(yùn)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(shí)，滾動(dòng)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?？傊绊憜诬壾囕v基本阻力的因素極為復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)用中用理論公式來推導(dǎo)比較困難。因此，目前通常按照由大量試驗(yàn)綜合總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行計(jì)算。3.1.1滾動(dòng)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(dòng)阻力類似。單軌車輛走行輪滾動(dòng)時(shí)，輪胎與軌道梁路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支承路面的變形。構(gòu)成輪胎的各種橡膠及其復(fù)合材料均是粘彈性材料，由于循環(huán)的應(yīng)力.應(yīng)變場(chǎng)，在輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)的遲滯損失。滾動(dòng)阻力的發(fā)生主要就是由于在輪胎變形時(shí)材料的內(nèi)磨擦損失或遲滯損失，以及胎面在接觸區(qū)域的磨擦損失，而其中遲滯損失是最主要的。因此，引起滾動(dòng)阻力的主要原因是輪胎變形【32】。當(dāng)單軌車輛走行輪不轉(zhuǎn)時(shí)，軌道梁路面對(duì)走行輪的法向反作用力分布是前后對(duì)稱的，其合力兄與法向載荷Pz重合于法線n-n7。但當(dāng)車輪滾動(dòng)時(shí)，在法線n.n7前后相對(duì)應(yīng)點(diǎn)d和d7分別處于壓縮過程的前部和恢復(fù)過程的后部（見圖3.1a）。這兩點(diǎn)的變形雖然是同一數(shù)值萬，但由于彈性遲滯現(xiàn)象（見圖3.lb）,d點(diǎn)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(duì)稱，因而它們的合力兄相對(duì)于法線n—n7向前移動(dòng)了一個(gè)距離a（見圖3.2a）,這個(gè)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(dòng)Figure3.IRolIingofrunningwheelontrackbeamroada)b)圖3.2走行輪輪胎在軌道梁路面上滾動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)的受力情況如圖3.2b所示，根據(jù)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(shí)附加力偶矩，此力偶矩稱為單軌車輛走行輪的滾動(dòng)阻力偶矩死。即正=Fza因此，這種遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪滾動(dòng)的一種阻力偶。圖3.3為無動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的走行輪在軌道梁路面上滾動(dòng)的受力情況，為使其作等速滾動(dòng)，則必須在車輪的中心作用一個(gè)推力Fp,根據(jù)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(dòng)，故稱為單軌車輛走行輪的滾動(dòng)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(dòng)阻力系數(shù)。圖3.3無動(dòng)力轉(zhuǎn)向架走行輪的受力情況FIgure3.3ForcesanaIysisonrunningwheelwithoutpowerbogie因此，滾動(dòng)阻力是滾動(dòng)阻力系數(shù)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(dòng)時(shí)的阻力時(shí)，不再考慮走行輪滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)阻力偶矩，而只需根據(jù)滾動(dòng)阻力系數(shù)以及走行輪的垂直載荷進(jìn)行計(jì)算。即【231￡=聊。）丁（3.1）式中，％。?！硎締诬壾囕v的總質(zhì)量（kg）,其中m眥=2mf+2%,mf表南嘉的總質(zhì)量（k）,mb表示?輛中車的總質(zhì)量（堀）；g 表示重力加速度，m/s2o然而，真正的滾動(dòng)阻力是不存在的，它只是一種將作用在車輪上的滾動(dòng)阻力偶矩等價(jià)簡化而來，因此僅僅是一種表現(xiàn)形式。單軌車輛滾動(dòng)阻力系數(shù)一般用試驗(yàn)來確定，其數(shù)值的大小與軌道梁路面的種類及其狀況，單軌車輛運(yùn)行速度，走行輪輪胎結(jié)構(gòu)與材料，以及輪胎的氣壓等因素有關(guān)【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(yùn)行時(shí)，單軌車輛走行輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)可用重型貨車的滾動(dòng)阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行，即中、低速運(yùn)行。因此，單軌車輛滾動(dòng)阻力系數(shù)在取值范圍在0.0045” 0.0肉9鹿常取值0.005,單軌車輛滾動(dòng)阻力為即層=(0.0045”—'0.0065)'m眥。g另外，根據(jù)單軌車輛走行輪輪胎的受力特點(diǎn)，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(dòng)阻力。而導(dǎo)向輪輪胎和穩(wěn)定輪輪胎所承受的預(yù)載荷相對(duì)走行輪而言非常小，因此直線時(shí)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪產(chǎn)生的運(yùn)行阻力相對(duì)而言可以忽略不計(jì)【引。3.1.2空氣阻力單軌車輛運(yùn)行時(shí)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(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成壓差阻力，此阻力稱為空氣阻力R,單位為N?？諝庾枇τ蓛纱蟛糠纸M成：一是作用在單軌車輛外表面上的法向壓力的合力在運(yùn)行方向的分力，稱為壓力阻力；二是具有粘度的空氣對(duì)單軌車輛表面的摩擦作用產(chǎn)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(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力等。因此，單軌車輛運(yùn)行空氣阻力的大小主要與單軌車輛的運(yùn)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(guān)，其計(jì)算公式為1341：1.Fo=喪?DApu：式中，cb——表示空氣阻力系數(shù)；彳——表示迎風(fēng)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(duì)風(fēng)的速度，其中在無風(fēng)時(shí)即為單軌車輛的運(yùn)行速度，m/s?單軌車輛的運(yùn)行速度的單位一般以krn/h計(jì)，在無風(fēng)的條件下，蜥即為單軌車輛運(yùn)行速度阮，則空氣阻力為：FoCDA—可見，空氣阻力與空氣阻力系數(shù)fD,l迎風(fēng)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(fēng)傾斜角度，從而減少阻力、升力的產(chǎn)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(shù)CD通常取值為0.8左右【291。1.3基本阻力計(jì)算公式單軌車輛運(yùn)行時(shí)，在只考慮單軌車輛走行輪的滾動(dòng)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(jì)算公式為Fo=層+凡R=刪恥匕g.F+案2附加阻力單軌車輛運(yùn)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(yùn)行中的某種條件下才產(chǎn)生的阻力，是單軌車輛運(yùn)行位置的函數(shù),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(yùn)行的線路條件。因此，附加阻力是按整列單軌車輛計(jì)算的。附加阻力是單軌車輛在運(yùn)行中在某種條件下才產(chǎn)生的阻力，常用凡表示，單位為N。例如：在坡道上運(yùn)行時(shí)有坡道附加阻力，以加下標(biāo)“i”表示；在曲線上運(yùn)行時(shí)有曲線附加阻力，以加下標(biāo)"r"表示；在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)有隧道附加阻力，以加下標(biāo)，“s”表示；以及克服慣性力加速時(shí)有加速附加阻力，以加下標(biāo)“a”表示等。2.1坡道附加阻力單軌車輛在坡道上運(yùn)行時(shí)，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(gè)分力就是坡道附加阻力局，單位為N,如圖3.4所示，其計(jì)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(hù)——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(diǎn)對(duì)起點(diǎn)的高度差與兩點(diǎn)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(guī)定取至二位小數(shù)，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(yùn)行于上坡道的示意圖。其中，若單軌車輛上坡道運(yùn)行時(shí)，坡度附加阻力與單軌車輛運(yùn)行方向相反，阻力值為正值；反之，阻力值為負(fù)值。根據(jù)目前國內(nèi)外單軌車輛的設(shè)計(jì)要求，線路坡道的坡度不大于60%0t351,即坡道的夾角護(hù)較小，此時(shí)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(jìn)入曲線運(yùn)行時(shí)，單軌車輛走行輪輪胎側(cè)偏和隨之出現(xiàn)摩擦刮磨，從而產(chǎn)生附加滾動(dòng)阻力；以及導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪與軌道梁所產(chǎn)生的滾動(dòng)和滑動(dòng)阻力等。這些因進(jìn)入曲線運(yùn)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(yùn)行速度、軌道梁曲線的超高以及輪胎的側(cè)偏剛度等因素有關(guān)。2.2.1走行輪曲線附加阻力單軌車輛在曲線運(yùn)行狀況下，走行輪輪胎必然產(chǎn)生側(cè)向力，從而使輪胎滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生側(cè)偏。此時(shí)，輪胎朝前方向與運(yùn)行方向之間的形成一個(gè)角度，這個(gè)角度稱為側(cè)偏角口(如圖3.5)。這種運(yùn)動(dòng)方向偏離了車輪平面方向的現(xiàn)象稱為輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。地｝弋顯然，從圖3.5可以看出，單軌車輛走行輪輪胎滾動(dòng)時(shí)處于一邊側(cè)滑一邊滾動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)輪胎以側(cè)偏角滾動(dòng)時(shí)，在輪胎上發(fā)生摩擦力，此摩擦力在輪胎側(cè)向（丫方向）的分力稱為側(cè)向力藝，在與輪胎前進(jìn)方向成直角（丫7方向）的分力稱為側(cè)偏力礙，361?為了研究單軌車輛走行輪的側(cè)向力，應(yīng)了解造成走行輪輪胎側(cè)偏的主要原因。）當(dāng)側(cè)向力巴達(dá)到走行輪與地面間的附著極限時(shí)，走行輪發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)，若滑動(dòng)速度為△甜，走行輪便沿合成速度U。方向運(yùn)動(dòng)，偏離了走行輪平面cc方向。如圖3.6所示。圖3.6走行輪側(cè)滑時(shí)的運(yùn)動(dòng)簡圖Figure3.6KInematIcsketchoTrunningwheelside—$IipPing2）由于單軌車輛在曲線運(yùn)行時(shí)軌道梁路面的超高因素引起的側(cè)偏。為了減少單軌車輛通過曲線時(shí)旅客經(jīng)受的離心加速度，走行輪與軌道梁路面之間，以及導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪之間的相互作用力，一般會(huì)在曲線的軌道梁水平路面上設(shè)置一個(gè)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(yùn)動(dòng)簡圖Figure3.7Kinematicsketchofrunningwheelmovingonthecurvesuperelevationtrackbeam顯然，如圖3.7所示，走行輪側(cè)偏實(shí)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(cè)偏。3）由于彈性走行輪輪胎在側(cè)向力的作用下產(chǎn)生側(cè)向變形所引起的側(cè)偏。當(dāng)走行輪產(chǎn)生側(cè)向彈性時(shí)，即使沒有達(dá)到附著權(quán)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(cè)偏現(xiàn)象【38】。附著區(qū)滑動(dòng)區(qū)面C圖3.8走行輪側(cè)滑時(shí)簾布層和胎冠的變形Figure3.8Distortionofcordfabricandtirecrownofrunningwheel從圖3.8可以看出，當(dāng)走行輪滾動(dòng)時(shí)，其輪胎簾布層和胎冠在印跡面上會(huì)產(chǎn)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(nèi)的簾布層和胎冠之間還有變形。側(cè)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(gè)側(cè)向的反作用剪應(yīng)力t。這個(gè)剪應(yīng)力對(duì)接地印跡面的積分值就是側(cè)向?qū)蛄χ弧Ｓ捎趩诬壾囕v的走行輪輪胎為充氣橡膠輪胎，而充氣輪胎的側(cè)向力與側(cè)偏角口具有一定的關(guān)系［39401,如圖3.9所示，側(cè)偏角很小時(shí)（口V5。），存在著線性R=后口口（3.7）式中，k——表示走行輪側(cè)偏剛度，N/（。）o圖3.9走行輪側(cè)向力一側(cè)偏角關(guān)系Figure3.SRelationshipbetweensideTorceandslipangleofrunningwheel側(cè)偏角口越大，印跡越長印跡后部處胎面的側(cè)向應(yīng)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(shù)的乘積'4-421,即兄…2t?！?，（3.8）式中，F(xiàn)z 表示單軌車輛走行輪輪胎負(fù)荷；//y——表示軌道梁路面的切向附著系數(shù)。通過結(jié)合前述的單軌車輛走行輪在水平直線上的滾動(dòng)阻力結(jié)論，單軌車輛曲線運(yùn)行時(shí)，其走行輪在運(yùn)行方向上的滾動(dòng)阻力由兩部分組成（如圖3.10所示）：329:電單軌的運(yùn)行見力圖3.10走行輪側(cè)向偏離的阻力關(guān)系Figure3.lORelationshipbetweenresistanceswhenrunningwheellslnsidedevIation一部分是單軌車輛走行輪平面上的切向滾動(dòng)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(jù)目前國內(nèi)外單軌車輛的設(shè)計(jì)要求，軌道梁的最小曲線半徑為100m[351,即走行輪輪胎的側(cè)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(cè)偏產(chǎn)生的側(cè)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(cè)偏角口較小，即sina=口，同時(shí)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(cè)偏力，下面基于SIMPACK對(duì)其進(jìn)行建模仿真。當(dāng)單軌車輛在曲線區(qū)段左轉(zhuǎn)向時(shí)，走行輪側(cè)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(yǎng)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(zhuǎn)向架的四個(gè)走行輪側(cè)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(zhuǎn)向架的四個(gè)走行輪側(cè)向受力曲線圖Figures.12Sideforcecurveaboutfourrunningwheelsofbogie3.2.2.2導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪曲線滾動(dòng)阻力單軌車輛曲線運(yùn)行時(shí)，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(chǎn)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(dǎo)向輪輪胎和穩(wěn)定輪輪胎會(huì)承受一定的徑向載荷，由于導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪都是充氣橡膠輪胎，從而主要產(chǎn)生輪胎滾動(dòng)阻力，此阻力稱為導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的曲線滾動(dòng)阻力Ffd,單位為N。單軌車輛通過曲線時(shí)，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(shí)，會(huì)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(jìn)行建模仿真，單軌車輛左轉(zhuǎn)向時(shí)，單軌車輛的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的受力情況如圖3.6所示。前轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪受力曲線如圖3.13所示。二… 一C鼬CC鐘p；產(chǎn) 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(chǎn)、 ，，，?一'人 .、/?瑚>?4i?rM-Kon?—即一.FL：導(dǎo)向輪前軸左輪(frontlek't)FR：導(dǎo)向輪前軸右輪(frontright)RL：導(dǎo)向輪后軸左輪(rearlef'tlFR：導(dǎo)向輪前軸右輪(rearright)Left：穩(wěn)定輪左輪 Right：穩(wěn)定輪右輪圖3.13轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪徑向受力曲線圖Figure3.13SideforcecurveaboutguidewheelandstabiIizingwheelofbogie由于滾動(dòng)阻力與導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪所受的徑向力的方向無關(guān)，為了計(jì)算方便對(duì)其簡化?，F(xiàn)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(gè)輪來簡化轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪在一側(cè)的輪，統(tǒng)稱為側(cè)輪，此時(shí)側(cè)輪的滾動(dòng)阻力即為單軌車輛導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的曲線滾動(dòng)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(dǎo)出側(cè)輪的栓同力Fd為只=6憊2c111^^次?S故，單軌車輛導(dǎo)向輪和穩(wěn)確尊樹科盧%%=冗f* %=（肌。。譬C。S%—根據(jù)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(jù)以上所述，單軌車輛在曲線運(yùn)行時(shí)，曲線附加總阻力主要為走行輪曲線側(cè)偏阻力和側(cè)輪的滾動(dòng)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(dāng)然，上式是通過簡化的情況下得到的結(jié)論，單軌車輛曲線附加阻力用理論方法推導(dǎo)確實(shí)比較困難，一般也采用綜合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。3.2.3隧道附加阻力單軌車輛進(jìn)入隧道時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)的空氣產(chǎn)生沖擊作用，使單軌車輛頭部受到突然增大的正面壓力。進(jìn)入隧道后，單軌車輛驅(qū)使空氣移動(dòng)，造成單軌車輛頭部的正壓與尾部負(fù)壓形成壓力差，產(chǎn)生阻礙單軌車輛運(yùn)行的阻力。同時(shí)，由于單軌車輛外形結(jié)構(gòu)的原因，隧道內(nèi)的空氣產(chǎn)生紊流，造成空氣與單軌車輛表面、與隧道表面的摩擦，也產(chǎn)生阻礙單軌車輛運(yùn)行的阻力，以上兩項(xiàng)阻力之和，稱為隧道附加阻力，也稱為隧道附加空氣阻力風(fēng)，單位為N。前面以及講述了單軌車輛在空曠地段運(yùn)行時(shí)也有空氣阻力，只是相對(duì)比較小。因此，隧道附加空氣阻力也是指隧道內(nèi)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(yùn)行速度、整車長度和迎風(fēng)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(guān)。由于這些復(fù)雜因素的存在，單軌車輛的隧道附加阻力常采用由試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行時(shí)，需要克服由于其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力，稱為加速附加阻力E,單位為N。單軌車輛質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分，即加速時(shí)，不僅要克服平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，同時(shí)還要克服旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力偶矩。加速附加阻力作用在單軌車輛的質(zhì)心上，其方向與加速度方向相反。為了便于計(jì)算，常把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)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(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，且萬＞1；du」表單軾幽的旋轉(zhuǎn)部件包括：轉(zhuǎn)向架上的制動(dòng)盤，各種軸及傳動(dòng)齒輪，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子領(lǐng)疑行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪等。一般進(jìn)行單軌車輛動(dòng)力性計(jì)算時(shí)，單軌車輛麒嵋I：換算系數(shù)萬主要與制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的轉(zhuǎn)動(dòng)年事》及傳動(dòng)系的傳動(dòng)比等有關(guān)，其它的旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響很小，暫不雷串。因此，單軌車輛加速時(shí)，旋轉(zhuǎn)部分所產(chǎn)生的慣性力偶矩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)0廿俞4力，N：,. 表示走行輪的半徑，m；A 表示制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2；占.——表示制動(dòng)盤的角加速度，1/s2：如——表示中間軸與走行輪驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)比；A——表示走行輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，蛇?砰；so——表示走行輪的角加速度，1/s2；%0 表示導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg-m2；swd——表示導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪的角加速度，1/S2；

由于制動(dòng)盤固接在中間軸上，中間軸與驅(qū)動(dòng)軸是通過一對(duì)外嚙合圓柱斜齒輪進(jìn)行傳遞的，如圖3.15驅(qū)動(dòng)裝置原理圖H7］。因此，中間軸上的制動(dòng)盤與驅(qū)動(dòng)軸上的走行輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，則它們的角加速度關(guān)系式如下：圖3.15驅(qū)動(dòng)裝置原理圖從圖3.15中可看出，單軌車輛中間軸與驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)比ig也可用齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)得出，即式中，Z?！硎掘?qū)動(dòng)軸上的圓柱齒輪齒數(shù)；氣——表示中間軸上的圓柱齒輪齒數(shù)。由于單軌車輛的導(dǎo)向輪利穩(wěn)定輪的結(jié)構(gòu)，尺寸完全一樣，因此它們與走行輪的角加速度關(guān)系式如下：式中，rw式中，rw表示導(dǎo)向輪和穩(wěn)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(guān)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(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)化的慣性力和單軌車輛平移質(zhì)量的慣性力m。。百d/。相加，則F8 J1C…會(huì)，+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(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)因氣候條件等因素產(chǎn)生的附加阻力，如大風(fēng)或嚴(yán)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(jìn)行試驗(yàn)求得的。所以氣候條件變化時(shí)，單軌車輛的基本阻力也將發(fā)生變化。大風(fēng)對(duì)單軌車輛的縱向和側(cè)向會(huì)產(chǎn)生一定的阻力。大風(fēng)作用在單軌車輛的縱向分力會(huì)使單軌車輛阻力增大或較小，即風(fēng)力方向與單軌車輛運(yùn)行方向相同時(shí)則減小，風(fēng)力方向與單軌車輛運(yùn)行方向相反時(shí)則增大。大風(fēng)作用在單軌車輛的側(cè)向分力會(huì)使單軌車輛的走行輪側(cè)向滑動(dòng)加劇，摩擦阻力增大，同時(shí)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪的徑向壓力增大，它們的滾動(dòng)阻力相應(yīng)也會(huì)增大。氣溫較低也會(huì)使單軌車輛的運(yùn)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(shí)空氣密度增大，空氣阻力也增大。對(duì)于這些特殊情況，需要做專門的試驗(yàn)來進(jìn)行研究。單軌車輛停留時(shí)，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(nèi)溫度降低，油的粘度增大，在起動(dòng)時(shí)，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(shí)的變形比運(yùn)行時(shí)大，增加了滾動(dòng)阻力。同時(shí)，為克服單軌車輛的靜態(tài)慣性力，起動(dòng)時(shí)需要更大的加速力，如圖3.16單軌車輛阻力.速度關(guān)系所示【17］。因此，需要另行計(jì)算單軌車輛起動(dòng)時(shí)的阻力，此阻力稱為單軌車輛的起動(dòng)阻力凡，單位為N。圖3.16單軌車輛的阻力一速度關(guān)系Figures.16RelationshipbetweenresistanceandspeedofmonoraiIcar單軌車輛的起動(dòng)阻力是單軌車輛起動(dòng)時(shí)才存在的阻力，包括起動(dòng)時(shí)的基本阻力和起動(dòng)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(guī)》的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，通過滾動(dòng)阻力系數(shù)都可以看出，其起動(dòng)阻力肯定要比輪軌列車大。但是可以結(jié)合參考文獻(xiàn)［15］和我國《牽規(guī)》［48］中的起動(dòng)阻力計(jì)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(dòng)阻力計(jì)算公式為：'=名111。g(3.24)式中，A一表示單軌車輛起動(dòng)阻力系數(shù)。單軌車輛在實(shí)際運(yùn)行中，一旦起動(dòng)，單軌車輛阻力就從起動(dòng)阻力回落到基本阻力，是一個(gè)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的瞬變過程。在牽引仿真計(jì)算中，一般在起動(dòng)開始到單軌車輛速度為5km/h的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)阻力有效【491。3.4單軌車輛的運(yùn)行總阻力單軌車輛在空曠平直軌道上勻速運(yùn)行時(shí)，單軌車輛主要受到走行輪滾動(dòng)阻力和空氣阻力的影響，即單軌車輛運(yùn)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(yùn)行，單軌車輛的運(yùn)行阻力除了基本阻力以外，還要承受相應(yīng)的附加阻力。若線路條件都存在，且非勻速，則單軌車輛的運(yùn)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(yùn)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(dòng)力制動(dòng)裝置產(chǎn)生的，并與單軌車輛運(yùn)行方向相反、阻礙其運(yùn)行的，以及可以根據(jù)需要人為調(diào)節(jié)的外力，稱為單軌車輛制動(dòng)力。利用單軌車輛的制動(dòng)力，可以人為地控制單軌車輛速度和進(jìn)站停車距離，因而這個(gè)人為的阻力比自然產(chǎn)生的單軌車輛運(yùn)行阻力一般要大得多。所以，在單軌車輛制動(dòng)減速過程中，盡管運(yùn)行阻力也在起作用，但單軌車輛制動(dòng)力起著主要作用。單軌車輛主要有空氣盤形制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)和電空混合制動(dòng)等形式。其中，空氣盤形制動(dòng)是單軌車輛的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，以壓縮空氣為動(dòng)力源，空氣制動(dòng)機(jī)使閘片壓緊制動(dòng)盤側(cè)面，通過閘片與制動(dòng)盤側(cè)面的機(jī)械摩擦，把單軌車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟⒂诖髿?，從而形成制?dòng)能力。動(dòng)力制動(dòng)包括電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)和反接制動(dòng)，它是讓單軌車輛的走行輪帶動(dòng)其牽引電機(jī)，使其產(chǎn)生逆作用，從而消耗單軌車輛動(dòng)能，產(chǎn)生制動(dòng)作用。電空混合制動(dòng)是通過制動(dòng)器和單軌車輛的其它控制設(shè)備，合理分配動(dòng)力制動(dòng)和空氣盤形制動(dòng)的大小和比例，從而能實(shí)現(xiàn)比較理想的制動(dòng)力，對(duì)單軌車輛進(jìn)行分級(jí)制動(dòng)控制。單軌車輛的制動(dòng)根據(jù)用途可分為兩種：常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。常用制動(dòng)是單軌車輛正常運(yùn)行的情況下，調(diào)節(jié)和控制單軌車輛的運(yùn)行速度或進(jìn)站停車所施行的制動(dòng)，其作用較緩和，而且制動(dòng)力可以人為調(diào)節(jié)。根據(jù)制動(dòng)級(jí)數(shù)，常用制動(dòng)一般為單軌車輛制動(dòng)能力的20%?80%,多數(shù)情況下只用50%左右。緊急制動(dòng)是單軌車輛在出現(xiàn)事故等緊急情況下為使其盡快停住而施行的制動(dòng)，它不僅用上了全部制動(dòng)能力，而且制動(dòng)作用非常迅猛。另外，緊急制動(dòng)裝置經(jīng)常有冗余設(shè)備，其可靠性非常高，以確保在單軌車輛發(fā)生斷電、車體分離等緊急情況下也能保證制動(dòng)效果?？傊趩诬壾囕v制動(dòng)系統(tǒng)的常用制動(dòng)工況中，設(shè)計(jì)原則是優(yōu)先采用再生制動(dòng)，然后是電阻制動(dòng)，最后才是空氣盤式制動(dòng)，這符合節(jié)能、環(huán)保和少維修的要求。?4.1空氣盤形制動(dòng)制動(dòng)一般是在單軌車輛的牽引力為零的情況下進(jìn)行的。制動(dòng)以前，單軌車輛依靠慣性惰行。當(dāng)駕駛員操縱空氣盤形制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸的壓縮空氣施加到活塞上,制動(dòng)鉗在壓力的作用下通過閘片夾緊制動(dòng)盤，產(chǎn)生摩擦力，從而形成與走行輪旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩，這種阻止走行輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩稱為基礎(chǔ)制動(dòng)器制動(dòng)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(duì)路面作用一個(gè)向前的周緣力，此力稱為基礎(chǔ)制動(dòng)器制動(dòng)力，用R表示，單位為N。它相當(dāng)于把單軌車輛走行輪架離地面，啟動(dòng)盤形制動(dòng)器，在走行輪輪胎周緣沿切線方向推動(dòng)走行輪，直至它能夠轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)是通過壓縮空氣，經(jīng)閘片壓緊制動(dòng)盤， 阻止走行輪轉(zhuǎn)動(dòng),基礎(chǔ)制動(dòng)器制動(dòng)力凡的計(jì)算公式也可寫為：C=K紈 (4.2)式中，K——指制動(dòng)塊壓力；仇——指制動(dòng)塊與制動(dòng)盤的摩擦系數(shù)。制動(dòng)塊與制動(dòng)盤的摩擦系數(shù)直接影響著單軌車輛制動(dòng)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(dòng)器閘片摩擦系數(shù)的主要因素有閘片材質(zhì)、單軌車輛運(yùn)行速度、閘片壓強(qiáng)和制動(dòng)初速，同時(shí)也與制動(dòng)盤的清潔度和閘片的新舊等因素有關(guān)。閘片材質(zhì)和單軌車輛運(yùn)行速度是影響閘片摩擦系數(shù)的重要因素。為了提高摩擦系數(shù)值，保持其穩(wěn)定度，具有高的耐磨性能和長壽命，以及使制動(dòng)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(qiáng)和制動(dòng)時(shí)的初速度是對(duì)閘片摩擦系數(shù)也有一定的影響。實(shí)驗(yàn)表明，閘片壓強(qiáng)越大則摩擦系數(shù)越小，制動(dòng)初速越低，摩擦系數(shù)越大，且隨著運(yùn)行速度的降低，制動(dòng)初速對(duì)摩擦系數(shù)的影響逐漸減小。同時(shí)，軌道梁路面對(duì)單軌車輛走行輪作用一個(gè)向后的作用力，此力稱為軌道梁路面制動(dòng)力，用R表示。在軌道梁路面制動(dòng)力的作用下，單軌車輛產(chǎn)生一定的減速度，若軌道梁路面制動(dòng)力越大，制動(dòng)減速度也越大，制動(dòng)距離就越短。如忽略滾動(dòng)阻力偶和減速時(shí)的慣性力、慣性力偶矩，單軌車輛制動(dòng)時(shí)走行輪的受力情況如圖4.1所示，則軌道梁路面制動(dòng)力與L應(yīng)有如下關(guān)系，即瓦：互：K仇(4.3圖4.1走行輪在基礎(chǔ)制動(dòng)時(shí)的受力情況Figured.IForceanalysisonrunningwheelwhiJeoperatingfoundatio基礎(chǔ)制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)缸空氣壓力成正比，但軌道梁路面制動(dòng)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(guān)系如圖4.2所示?？諝鈮毫圖4.2R、Fu和R的關(guān)系Figure4.2Therelationshipamong死，F(xiàn)"andR當(dāng)制動(dòng)缸空氣壓力在0?尸a之間時(shí)，制動(dòng)器摩擦力矩不大，軌道梁路面制動(dòng)力足以克服制動(dòng)器摩擦力矩而使走行輪滾動(dòng)，即冗=兄（4.4）當(dāng)制動(dòng)缸空氣壓力大于P。時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)力隨制動(dòng)缸空氣壓力成正比例繼續(xù)增大，而軌道梁路面制動(dòng)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(guān)系式：瓦0L=兄緲即最大軌道梁路面制動(dòng)力％。醒為瓦一=JE緲（4.5）當(dāng)軌道梁路面制動(dòng)力大于軌道梁路面附著力時(shí)，單軌車輛走行輪抱死不轉(zhuǎn)并出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。4.2動(dòng)力制動(dòng)單軌車輛在制動(dòng)時(shí)，將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，即使?fàn)恳姍C(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，此時(shí)將牽引電機(jī)繞組產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩成為阻止走行輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)的力，這種對(duì)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并對(duì)其處理的制動(dòng)過程稱為動(dòng)力制動(dòng)，也稱為電制動(dòng)。1）無機(jī)械磨損，也沒有制動(dòng)閘片引起的噪聲和粉塵：2）能產(chǎn)生較大的制動(dòng)力；3）易于控制制動(dòng)力，并能得到平穩(wěn)的制動(dòng)力；4）放心使用限速制動(dòng)：5）再生制動(dòng)時(shí)能節(jié)能。單軌車輛的牽引電機(jī)采用的是交流異步牽引電機(jī)，在直流供電牽引運(yùn)行時(shí)，是將直流電到交流用電：DC--"AC,電制動(dòng)時(shí)是將交流發(fā)電到直流電網(wǎng)用電：AC-DCo在動(dòng)力制動(dòng)中，由于處理動(dòng)力制動(dòng)所產(chǎn)生的電能的方式不同，單軌車輛采用的動(dòng)力制動(dòng)主要分為電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)［51。52］。4.2.1電阻制動(dòng)單軌車輛動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，將正在運(yùn)行的牽引電機(jī)從電網(wǎng)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(gè)固定磁場(chǎng)。這時(shí)轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，由于轉(zhuǎn)子繞組是一個(gè)閉合電路，便產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反，牽引電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，這種制動(dòng)實(shí)質(zhì)上是將貯藏在轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能經(jīng)牽引電機(jī)變?yōu)殡娔埽ㄆ淠芰坑筛袘?yīng)電勢(shì)的大小和發(fā)電機(jī)外部相連的電阻器等的負(fù)荷決定），通過電阻發(fā)熱逸散掉，故稱為電阻制動(dòng)，也稱為能耗制動(dòng)【53】。感應(yīng)電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度和導(dǎo)體即線圈橫向切割速度之積，尤其與線圈的匝數(shù)成正比。在磁場(chǎng)中橫向切割磁場(chǎng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子線圈中產(chǎn)生的力經(jīng)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(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與牽引時(shí)一樣，線圈橫向切割的方向相同，所以需要將磁場(chǎng)的方向反過來或使電樞電流反過來。一般使用殘余磁場(chǎng)建立起感應(yīng)電勢(shì)，以使電樞電流反向。通過感應(yīng)電勢(shì)釋放能量，但其能量的數(shù)值由感應(yīng)電勢(shì)和負(fù)荷電阻值決定，所以控制感應(yīng)電勢(shì)或電阻值就可以控制制動(dòng)力。由于單軌車輛電阻制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反，這個(gè)反向轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系到走行輪上，與空氣盤形制動(dòng)作用于走行輪的摩擦力矩在本質(zhì)上是一致的，兩者的制動(dòng)力產(chǎn)生的過程也相同。因此電阻制動(dòng)所產(chǎn)生的制動(dòng)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(tǒng)已經(jīng)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(jù)再生制動(dòng)時(shí)線網(wǎng)電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，從而改變裝置吸收功率，將線網(wǎng)電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)【55】。簡單地說，電阻吸收方式就是在地面設(shè)置制動(dòng)電阻消耗直流供電網(wǎng)多余電能。即使用電氣開關(guān)，在直流供電網(wǎng)網(wǎng)