1.引言
过去几十年出现的城市增长对城市环境和生活质量产生了负面影响。居住在郊区的居民越来越多地通过汽车往返城市中心的工作场所，这导致了严重的城市拥堵和空气污染。寻找解决这些问题的方法变得越来越必要。在这种情况下提出traintram的概念（Naegeil等，2012）。
“火车 - 电车”是一种可互操作的公共交通系统，它允许通过轨道共享将城市中心与郊区连接起来，连接电车和铁路网络。因此，由于电车变成了火车，因此不需要在市中心和郊区之间进行交换。它还使电车从一个电车过渡到另一个电车，而不需要转移到另一辆车，这有助于人们减少通勤时间。这个系统允许城市中心和郊区之间的无缝运输。列车有轨电车在由直线和曲线部分组成的轨道上运行，并且必须满足相互矛盾的要求，直线稳定性和弯曲轨道上的转弯性能。特别是列车电车在高速行驶到郊区时，必须确保高运行稳定性;此外，它必须通过有轨电车运行到城市内部车站时使用尖锐的曲线。这种发展火车 - 有轨电车交通系统的想法有助于避免对有轨电车新铁路的大量投资，现有的基础设施可以最大限度地利用。此外，与具有高加速度和短距离制动能力的传统重轨车辆相比，火车 - 电车可以更频繁地停止，从而减少了行驶时间。火车有轨电车的另一个优点是其较低的楼层高度，这使得一般使用轮椅的儿童和残疾人能够轻松访问车身（Naegeil等，2012）。
关于20世纪80年代火车有线电视的第一次研究。茨维考是第一个在欧洲使用火车电车概念的城市之一。它有规范的城市网络，阻碍了与传统铁路的连接。但是，这使得驱动柴油动力车辆从市中心到郊区成为可能。 1992年，卡尔斯鲁厄 - 普福兹蒂姆和卡尔苏苏线开通。自1996年以来，其他线路开始启用并延长。新的Manacor-Arta火车有轨电车由重新使用长度为30公里的旧公制长度铁路线组成，预计将于2011年落成，最初预计将提供服务有六个单位与阿利坎特已经使用的单位类似。莱昂将在2012年拥有一个城市有轨电车网络，该网络将包括FEVE网络和新型柴油电动有轨电车以及100％低地板电车（Novales et al。，2002）。
近年来，世界上已有数条着名的电车列车运行。 Vossloh电车从2003年开始在西班牙运行。它包括三个车身和四个转向架，其中包括三个动力转向架和一个拖车转向架。 Vossloh电车的最高速度为100公里/小时，可以通过30米曲率半径的曲线。 Vossloh火车与电车有相似的构造，主要用于在郊区旅行。另一辆西门子Avanto电车从2004年开始在巴黎旅行。它由五个车身和四个转向架组成，包括两个动力转向架和两个拖车转向架。西门子Avanto有轨电车的最高速度为100公里/小时，可以通过20米曲率半径的曲线。此外，阿尔斯通Regio CITADIS DUALIS有轨电车由五个车身组成，包括三个动力转向架和三个拖车转向架（Sanchis，2012; Albtal-Verkehrs-Gesellschaft，2014; ALSTOM，2014）。
该列车有轨电车结合了铁路的特点，如运行时的舒适性和安全性，箱体的抗压缩性能以及郊区铁路服务的速度，这些铁路服务能够到达市中心并在城市平台上循环，半径和高加速/制动性能。 traintram可以结合铁路线行驶;与经典的郊区或货运列车共享交通，并通过预留运输平台在城市线路上与有轨电车和公共汽车共享通路。因此，这种运输系统需要铁路和城市网络之间的连续基础设施。
火车有很多优点，但由于运行速度低，这种运输系统在使用中缺乏实用性。为了提高实用性，开发200公里/小时的高速列车有轨电车可以安全地在弯曲的轨道上行驶，这是非常重要和必要的。
在本研究中，提出了高速半地铁转向架的概念设计，以发展火车 - 有轨电车系统，该系统不仅能够以18km / h的速度通过内城轨道上行驶的25mR弯道，而且还能够行驶在城际间200 km / h高速直行铁路上行驶。由于轨道埋设在道路上，曲率半径在市区范围内为20mR〜30mR，因此该系统应能够以18km / h的速度通过25mR弯道，以确保安全和运营效率。
本研究首先提出了Traintram动态特性的评价理论。之后，第3节介绍了模型设计，包括列车 - 有轨电车，车轮，导轨，轨道模型以及总模型的组装。然后，第4节进行动态仿真分析。随后解释使用实验设计（DOE）方法优化车辆转向架的设计。
2.动态特性的维护
为了满足客户规格，车辆验收测试和风险评估的要求，典型的动态分析应该考察车辆稳定性，乘坐舒适性和乘坐安全性，这些是调查的主要内容。考虑这些特性，这些特性在进行模拟分析时也是关键指标，在车辆验收过程中在车上测试期间进行测试。
2.1。 乘坐稳定性评估
在车辆动态行为分析过程中，铁路车辆的行驶稳定性起着重要作用。 执行稳定性测试或分析的主要目标是确定引起狩猎的车辆临界速度。 狩猎即“蛇形运动”是铁路车辆锥形造成的独特特征，是铁路车辆车轮轮廓的设计要求之一。 这一特点一方面带来了控制力，可以增强车辆的稳定性; 然而，当车速达到一定水平时，侧向力会迅速增加。 该速度表示为临界速度，这是评估行驶稳定性的重要指标。 为了讨论车辆的行驶稳定性，考虑具有主悬架的单个轮对的运动方程。
其中yw和phi;w是轮对的横向位移和偏航角。 Mw和Iwz是围绕z轴的质量和惯性矩：Kpx和Kpy是滚动方向和横向方向的悬架刚度。 R0是车轮接触半径。 b是接触点之间的一半距离。 b1是主悬架的一半距离，W和Wε是轴重和接触载荷。 upsilon;是前进速度。 f22，f23，f33是蠕变系数。 Ksphi;是轮对引力角刚度。 phi;是偏航角。 lambda;e是等价的锥度。 ε是接触角参数。 通过变量变换，方程（3）可以表示为
非零解的条件是满足以下形式
扩展公式（5）可以写成
根据Hurwitz稳定性定律，证明当且仅当其主子矩阵的行列式（Delta;i; i = 1,2,3,4）的序列全部为正时，多项式才是稳定的。 根据二阶，三阶和四阶多项式的Routh-Hurwitz准则，如果轮对稳定，应满足以下条件：
由于方程（1）和（2）能够确保方程（5）中的系数ai是正的，并且然后Delta;1和Delta;2大于零，所以只需要考虑Delta;3。 当Delta;3= 0时，临界速度可表示为
其中Vc是临界速度。 狩猎运动会导致许多问题，如乘坐质量问题，噪音问题，轮轨磨损问题，轨道变形，脱轨等。 为了安全运行，转向架系统设计时临界转速应高于目标运行速度（Iwnicki，2006）.2.2。 乘坐舒适性评估术语“乘坐舒适性”通常用于描述移动车辆提供的人体舒适度。 国际标准“ISO 2631”和“UIC 513R”通过评估振动和介绍由“Sperling”提出的乘坐舒适指数Wz的定义，以对象方式定义评估乘坐舒适性的方法。 它用于评估乘坐舒适性。 在本研究中，乘坐舒适性指数由ADAMS / RAIL的“工具包”计算得到，例如Nmv指数，Wz指数和ISO指数（Kim等，2003; Zheng et al ，2004）。
图1. UIC 513R的频率加权曲线。
2.2.1。 UIC 513R
UIC 513R提供了三种测量方法和相应的评估乘坐舒适性的计算公式。 它包括两种座位和站立位置评估方法，以及一种简便的座位（或站立）位置方法。 因此，由Nmv表示的乘坐舒适性指数可以通过与UIC 513R一致的等式（8）获得：
其中axp95，ayp95和azp95分别是相对于X（纵向），Y（横向）和Z（垂直）方向的加速度的加权RMS（均方根）值。下标xp95，yp95和zp95表示关于X，Y和Z方向的加速度的RMS值包含在95％的置信区间中。 Wd和Wb表示根据相应的权重曲线对频率进行加权。频率加权曲线Wd和Wb如图1所示（Zheng et al。，2004; UIC 513R，1994）。
因此，根据公式（8），通过使用在5分钟车辆运行期间以5秒间隔测量的加速度的RMS值的计算得到的60个有效值的95％ 。在UIC 513中定义了五个级别的乘坐舒适性指数来描述乘客舒适感，如表1所列。实际上，ISO2631中的评估指数和频率加权曲线与UIC 513R相似（Zheng et al。，2004; UIC 513R ，1994）。
2.2.2. ISO 2631
在ISO 2631中，对乘坐舒适度的评估涉及到人体对振动的敏感度的评估，这不仅取决于人体的生理和生物力学反应，还取决于许多心理和环境因素。 人体对振动的反应是施加在身体上的加速度的幅度和频率，方向（垂直和水平）以及运动的特性（线性或旋转）的函数。 已经对人体对振动的敏感性进行了广泛的研究，其结果已在文献中进行了综述。 国际标准化组织已经规定了在1 - 80 Hz频率范围内从固体表面传播到人体的振动暴露极限数值。 此外，由L eq表示的乘坐舒适性指数可以通过与ISO 2613一致的等式（9）获得：
在驾驶舒适度（dB）为Leq的情况下，臂是振动加速度的均方根（m / s2），由图1的频率加权曲线补偿，ref是振动加速度的参考值（10 - 6 m / s2）。 如表2所列（Gangadharan和Ramamurti，2004; ISO 2631-1,1997; ISO 2631-4,2001），在ISO 2631中定义了七种水平的乘坐舒适性指数来描述舒适感。
2.2.3。 ISO / Sperling方法E.Sperling提出的乘坐舒适性指标，用Wz表示，可从公式（10）中获得。
表1.根据UIC 513R的乘坐舒适性标准。
表2.根据ISO 2631的乘坐舒适性标准。
表3.根据斯珀林提议的乘坐舒适性标准。
指数由Sperling定义以描述舒适感，如表3所列（Gangadharan和Ramamurti，2004）。
2.3。 乘坐安全评估
安全驾驶在正常轨道上运行的铁路车辆中起着非常重要的作用。 铁路车辆的设计应能避免脱轨。 主要影响轨道车辆行驶安全性的因素包括侧向力，车轮卸载率和脱轨系数。 这些因素的描述如下所示。
2.3.1。 侧向力
如果测量静态车轮载荷与测量车辆重量一样多，则轨道上的横向力为零。 尽管如此，当车轮沿着轨道行驶时，发生车轮卸载，然后出现车轮法兰 - 轨道接触的横向力“Q”。 为了满足安全运行，铁路车辆的设计应尽量减少侧向力; 它应该满足基于铁路车辆安全标准的标准。 如等式（11）所示，
where P is the wheel load (MOLIT, 2013). 其中P是车轮负载（MOLIT，2013）。
图2.车轮和导轨之间的力。
2.3.2。 脱轨系数当铁路车辆的车轮沿轨道行驶时，轮轨接口处于复杂载荷状态，其中垂直力（车轮载荷）和施加在一个车轮上的侧向力一起。 图2显示了横向力和车轮负载之间的相互作用原理。 车轮载荷与侧向力的比值称为“脱轨系数”，铁路车辆应满足铁路车辆安全标准（Koo和Oh，2013; Oh和Kwon，2000; MOLIT，2013）。
3.火车 - 轨道车辆的仿真模型
3.1。 火车 - 有轨电车模型设计和装配
在本章中，列车 - 电车模型由5个车体，5个牵引转向架和10个使用ADAMS / RAIL的功率电机组成，如图3所示（MSC Software，2005）。从第一个身体到第五个身体的车身长度分别为11米，8.6米，9.2米，8.6米和11米。车体之间的间隔长度为0.9米，火车总长度为52米。车身高度为3.5米，车身宽度为2.45米。转向架设计为半低速转向架，实现高速和曲线运行性能，提高了实用性和实用性。
一般用于列车 - 有轨车转向架设计的轮组有两种，一种是实心轮组，另一种是IRW（Independent Rotating Wheelsets）。数十年来，IRW在理论和实验研究方面都经过了认真的考虑。由于IRW可以分离车轮，因此使用独立的车轮可以消除轮对打滑的原因并减少车轮磨损。然而，使用IRW也会消除铁路车辆的导向能力，特别是高速铁路车辆（Cho和Kwak，2010）。因此，固体轮对被认为是用于traintram以满足高速行驶的要求。
车身之间的耦合器包括用于上关节的铰链式和俯仰式关节系统，以及用于关节下方的球形铰接式系统。球形关节在关节下可以满足车身的偏航运动。上铰链具有旋转铰链和球节关节，实现偏航运动和俯仰运动。除了在第二车体和第三车体之间施加球形节距接头之外，车体之间的其余连接件使用旋转铰链接头。正确使用联合系统可以帮助车辆安全稳定地在轨道上行驶。详细结构构成如图4所示。
图3.有轨电车模型组装和转向架建模
Figure 4. Articulations between car-body. 图4.汽车车身之间的关节。
3.2。 车轮和导轨模型设计如图5所示，车轮型材已制成
图5.轮廓（CAD和ADAMS /轨道）。
图7.直线和曲线轨道。
使用CAD并转换为ADAMS / RAIL格式。 与车轮轮廓一样，嵌入式轨道轮廓使用CAD制作并转换为ADAMS / RAIL格式。 导轨模型如图6所示。
3.3。 轨道模型设计为了分析200公里/小时在直轨道上行驶的列车和25米曲率半径的轨道，其中城市轨道交通的不规则性指的是轨道270数据。 轨道如图7所示，轨道270不规则，总长度为300米，如图8所示。
Figure 8. Track 270 irregularity图8.跟踪270不规则
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