摘要：虚拟轨道列车作为近年来兴起的一种新型轨道交通制式，融合了中运量轨道交通和快速公交的优势，成为城市公共交通系统中的重要一环。但由于其在结构上自由度较多，在实际运行中存在发生类似半挂车的横摆、折叠、甩尾等横向失稳现象的隐患。通过动力学仿真，研究了铰接系统刚度阻尼对车辆直线行驶稳定性和曲线通过的影响。研究结果表明，在直线行驶工况下，增加铰接刚度至5×104 N/m、阻尼至107 N·s/m可以使车辆零阻尼车速达到81 km/h；在高速变道工况下，增加铰接刚度降低中间车后部放大系数29.9%，后车后部放大系数31.6%；在通过大半径曲线过程中，增加铰接刚度亦可使后轴轨迹偏移量最大值减小21.96%，稳态值减小22.18%；在通过小曲线过程中，增加铰接刚度不会增加轨迹偏移量和轮胎横向力，因此不影响车辆的曲线通过性能。

　　关键词：车辆动力学；铰接车辆；虚拟轨道列车；横向稳定性

　　0引言

　　2017年，中车株洲电力机车研究所提出了“智轨”的概念，并发布了三模块六轴ART智轨列车，自此虚拟轨道列车应运而生，并作为轨道交通新制式迅速成为国内外行业关注的热点。所谓虚拟轨道，是指虚拟轨道列车系统使用的由数字信号和复杂的控制系统所定义的，相当于传统钢轨而言的目标轨迹，属于虚拟约束。虚拟轨道由精密的算法、GPS技术和通信网络创建和管理，可以精确控制列车的运动[1]。

　　虚拟轨道列车在实际运行过程中，遇到了车辆横向稳定性差的问题，该问题与铰接系统密切相关。对于铰接式车辆横向稳定性的研究中，Fancher[2]对于铰接式重型车辆（主要为重型商用卡车）设计中的定向性能问题进行了研究，并概述了设计控制器中所使用的模型，最终得出了结论，不同类型的铰接元件的使用对于铰接系统的影响很大。Leipholz[3]通过应用劳斯-赫维茨准则获得的简化线性化单轨模型的稳定域图。Kaçani[4]重点分析了失稳后铰接车辆是否仍然可控的问题。DeFelice[5]研究了两模块铰接客车单轨模型的稳定性，重点关注了铰接节点等效转动阻尼和等效扭转刚度的作用。王福光[6]对某BRT铰接客车模型在操纵稳定性及平顺性方面进行了仿真试验研究并优化分析，提出进行合理轴荷分配以及重心位置状态优化可以提高车辆稳定性。刘宏飞[7]对汽车列车建立动力学、运动学模型进行仿真分析，提出了通过半主动控制来改善汽车列车的横向稳定性。姜右良[8]针对BRT转向动态性能的优化提出了一种新型铰接系统，通过在铰接系统加装螺旋弹簧在前后两车体间同时提供弹性力矩和阻尼力矩，有效克服了横摆振动与中轴侧滑。马健[9]、张宁[10]建立了汽车拖车组合系统5自由度单轨模型与动力学模型，对车辆的失稳机制、全局稳定性以及多平衡点分岔特性。何东[11]、田国英[12]基于UM多体动力学软件，建立了四模块虚拟轨道列车整车模型并进行了行驶稳定性分析，根据不同速度工况匹配铰接盘的阻尼系数，提高了行驶稳定性。韦超毅[13]基于MAT⁃LAB/Simulink搭建了拖挂式房车仿真模型，利用根轨迹法对影响列车稳定性的因素进行研究，利用降阶法对列车高速摆振的原因进行研究。李超[14]通过联合仿真对铰接阻尼于智轨车辆的影响进行了研究，对铰接阻尼进行优化，提高了车辆的横向平稳性、横向稳定性。关鹤达[15]基于四模块公路列车仿真模型，设计铰接盘阻尼控制策略，通过车体实际横摆角度与目标角度的差值控制铰接盘阻尼，提高了车辆曲线通过能力。

　　上述国内外对于铰接车辆横向动力学的研究，研究对象大多为半挂车，而非虚拟轨道列车。半挂车通常以单一的方向高速行驶，且车辆的两个部分之间存在重量转移。本文所研究的虚拟轨道列车为纵向对称结构，包括3个独立车辆模块，模块之间仅通过铰接系统连接，拥有绕z轴旋转自由度，且没有重量转移。因此，达到稳定状态需要双向对称。虚拟轨道列车盘式铰接系统如图1所示，铰接系统主要由铰接机构、转台平台、横梁及连接件、电控单元、角度传感器、球形接头等组成。安装在铰接系统两端的球型接头，用来平衡前车到后车3种相对运动所产生的力，并且允许相邻模块作相对垂直运动。

　　本文以某已上线虚拟轨道列车的实际参数为依据，建立三模块六轴车辆动力学模型，通过改变铰接系统参数，来实现对整车横向动力学性能的优化。

　　1三模块六轴虚拟轨道列车动力学模型的建立

　　三模块虚拟轨道列车共有3个车辆单元，其中两端端部车辆为动车，中间车辆为拖车，所有悬架制式采用双横臂独立悬架。车辆共有6个轴桥，1轴和6轴是转向驱动轴桥，2、3、4、5轴是非驱动转向轴桥。轴桥与车体通过二系空簧和轴桥连接，用来连接各车之间的盘式铰接系统安装在车体的下端。

　　在多体动力学软件Simpack中建立虚拟轨道列车的悬架系统。悬架系统的刚体有上下双横臂、转向节、转向梯形横向拉杆、转向机构纵向拉杆、转向臂、车体虚拟体等，刚体之间的运动关系通过铰接、约束和力元来实现。轮胎力模型选用帕西卡魔术公式轮胎模型，根据可编辑的参数文件定义其基本特性，包括阻尼、刚度、极限侧偏力、侧偏刚度等，是反映列车运行姿态与传递路谱激励的重要因素。根据车辆的实际结构，在建模中加入了抗侧滚扭杆、牵引纵向、斜向拉杆等部件。最终车辆模型主要参数如表1所示。

　　虚拟轨道列车铰接系统模型在中央铰接约束处被设置为球铰，通过Bushing Cmp力元定义铰接点处非线性旋转刚度来模拟实际车辆中央铰接处的旋转角度最大值。通过Spring-Damper Parallel PtP力元定义前后合页之间的液压缸减振器，当相邻车体存在相对绕z轴旋转时，减振器将产生阻碍相对运动的力。减振器的刚度、阻尼均为可调节参数。

　　本文所建立多体动力学模型如图2所示。

　　2铰接系统对车辆横向稳定性的影响

　　虚拟轨道列车横向稳定性，指车辆受到外界横向扰动后恢复运动状态的性能。本文采用以下评价指标：高速直线工况中，脉冲激励下的零阻尼车速，即车辆稳定运行不发生失稳的最高速度；高速变道工况下，车辆后部放大系数；大、小弯道行驶工况下，轮胎侧向力和轨迹偏移量。依据上一节所建的车辆动力学模型，在不同工况、不同行驶速度等级下通过调节铰接系统刚度、阻尼参数，研究其对虚拟轨道列车横向动力学的影响。

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