轨道车辆准静态轮重减载仿真程序的开发与应用.pdf

试 验 研 究 铁道车辆 第4 3 卷第1 期2 0 0 5 年1 月 文章编 号：1 0 0 2 7 6 0 2(2 0 0 5)O 1 0 0 0 8 0 3 轨 道 车 辆 准 静 态 轮 重 减 载 仿 真 程 序 的 开 发 与 应 用 张锐，沈钢(同济大学 机车车辆研究所，上海 2 0 0 3 3 1)摘要：在研 究轨道车辆轮重减裁率动态特征的基础上，研 制 了基于一通 用车辆垂 向模型的计算机仿真程序，实现 了车辆在不同的固定线路输入下准静态轮重减裁率的仿真。利用该程序计算 了车辆通过缓和曲线和三角坑时的准静 态 轮重减载的变化规律，并分析 了一 系悬挂参数对车辆准静态轮重减栽率的影响。关键词：轮重减载率；仿真；计算；轨道车辆 中图分类号：U2 7 0 1 1 文献标识码：A 轮重减载率是考 察车辆 安全性和动力学性 能的重 要指标。车辆在速度 较低 的情况下，曲线的过超高、轨 面 的长波不平顺 以及货物偏载等 因素会引起 动态变化 的准静态轮重减 载。由于其 持续 时 间较长，容 易引起 脱轨等威胁到行车安全的事故。而且，在实际的车辆 运用 中，由于施工慢行、路 况 以及 临 时停车等 情 况，出 现长 时间的较 大 的准 静 态轮 重 减 载 的情 况也 比较 普 遍。因此，研究车辆 的准 静态轮 重减 载 率就显 得 比较 重要。本文主要介绍车辆准静态轮重减载率仿真程序的 原理 及应用。该程 序 通 过建 立一 个 车辆 垂 向振 动 模 型，实现对各种速度下 不 同轨 道输入 的 车辆轮 重减 载 的仿真计算，来研究不同情况下车辆的准静态轮重减 载的情 况。同时，应用 本 程序来 研究 一 系悬挂 参数 对 车辆 准静态 轮重减载 的影响。1 数学模型 图 1 所 示为单 节客 车 的计 算 简 图，计 及 6个 自由 度，分别是 车体 的浮沉 和点头运动、前后转 向架构架 的 浮沉 和点头运 动。假定车辆 的纵 向运动与垂 向运动不 耦合，为 了简化计算，忽 略车 轮悬 空(轮 重减 载率等 于 1)的状态，并且将车体和构架都看作是刚体。r-2 t z 0 b 一 l J 工I l I 工l f I J r 图 1 单节车辆计算简图 收稿 日期：2 0 0 4 0 6 1 1 作者简 介：张锐(1 9 7 9 一)，男，硕 士研究 生。8 由于是对低速下运行的车辆进行仿真，在仿真过 程 中不考虑 车辆与轨 道的垂 向耦合振动。在模 型中轨 道垂向不平顺输入对于各轮对都假定是非时变的，这 样第 1 位以后的轮对的输入序列将是第 1 位轮对的输 入序列 的时延序列。2 车辆一系悬挂参数对准静态轮重减载率的 影响分析 在本文中，选择一普通客车作为仿真对象，通过采 集其在各个 速度下 不同路况上运行时 的轮轨 间垂 向力 的大小来计 算车辆轮重减载 大小。客 车主要初始参数见表 1。表 1 客车主要悬挂参数 参数 数值 参数 数值 车 体 质 量 t 5 5 单 篓 对 一 侧 一 季 刚 1 2 5 1 0 6 度 (Nm一1)一 构架质量 t 2 5 单刚 度(三一)X 1 0N l s 轮 对 质 量 t 1 9 车 竺 过 台 长 度 1 3 5 之 半 m 车 头转 惯 量 25X 1 0 前 里 三 悬 挂 距 离 9 (I【g-m0)之 半 m 车体侧滚转 惯量 14 XI O 6 两侧二 系悬 挂距离 1-A (k gm2、,十 c i I_ n 2 8 构架 点头转 惯 量 2 X1 0 轴距 之半m 1 2 5 (kg m0、构架侧滚 惯量 17 X 1 o s 两 季 悬 挂 距 离 o 9 7 8 (kgm0、之半 m 车 重心距 构架高 16 尼尼-s)-系m l(N m 1)1 7 9 1。t 度m 单阻 尼(N sI-1)m 2 1 在 曲线和缓和 曲线上 的轮重减载 率 当车辆低速通过 时，有 2种情 况 可能使 车轮产 生 维普资讯 http:/ 轨道车辆准静 态轮 重减载仿真程序 的开发与应用 张锐，沈钢 轮重减 载：(1)线 路 的外轨过超 高，由于存在外轨超 高，使内侧轮增载，外侧轮减载；(2)缓和曲线超高，两侧的 钢轨 不处于 同一平 面而使 轮对 处于 扭 曲状态，导致 瞬 时轮重减载过大。仿真 中选择一 条 半 径 为 1 o o o m、缓 和 曲线 长度 为 9 0 m、圆曲线 长度 为 2 0 0 m、超高 为 9 0 mlT l 的曲线 作为轨道输入，对于不 同 的速度 和不 同 的悬挂 参数对 车辆 的轮重 减载进行计 算。仿 真结 果如 图 2 图 5所 示。静 餐 餐 一 辑 静 锯 餐 栅 辑 静 辐 繁 I_ I 静 辐 餐 栅 辑 载随一系刚度 的减小 而减 小，但 对导 向轮 轮重 减载 的 影响并不是很 大。由图 3可 以看 出，二 系悬挂 刚度 对 轮重减 载 的影 响 比较 明显。在 低速情 况下，当导 向轮 在 圆曲线上 运 行时，其外 侧轮重减 载 随二 系刚度 的减 小 而增加。当 车辆运行速 度 为 1 8 k m h时，若二 系 刚 度减 小 一半，圆曲线上外侧 轮重减 载率 由 0 0 8增 加到 0 1 4。随着 速度 的提 高，二 系 刚度 对 轮 重减 载 的影 响 更 加 明 显。当车辆速度 为 5 4 k m h时，二 系 刚度 减 小一 半，最 大 车辆所在 曲线位置，m车辆所在曲线位置，m 车辆所在曲线位置，m 图 2 在同一 曲线上一系刚度变化对轮重减载的影响 静 辗 餐 I_ I 静 锯 餐 栅 辑 车辆所在曲线位t m 车辆所在曲线位置 m 车辆所在曲线位t 图 3 在同一曲线上二系刚度变化对轮重减载的影响 由图 2 图 5可 以看 出，当车辆在 低 速下 通过 曲 线时，导向轮外侧的轮重减载变化为：由直线进入缓和 曲线时增 载，随着车辆进入缓 和曲线 逐渐变为减载；当 导 向轮进入 圆曲线段 时，轮 重减载趋 于平稳；当导向轮 由圆曲线进入缓和 曲线 时，外 侧 导 向轮 的轮 重减 载达 到最大值；伴随着车辆驶出缓和曲线，轮重减载逐渐减 小为 0。由图 2可 以看 出，当导 向轮在 圆曲线上运行 时，导 向轮外侧 的轮 重减 载 随着一 系 刚度 的减小 逐渐 增加。当导 向轮 由圆曲线 进入 缓 和曲线 的时 候，外侧 轮重 减 轮重减 载率 由 0 0 8变 为 0 2 1 0。并且，由于速度 的增加，轮重减载 出现 了较大 的波 动。当导向轮 由 圆曲线进 入缓 和 曲线 时，二 系刚 度过高或者过低都 会引起 比较大 的轮重减 载，并且速度越 高，由二 系刚度减小 引起 的轮重减 载就越 大。当 车辆 以 1 8 k m h的 速 度 由圆曲线 进入 缓 和 曲线 时，二 系 悬挂刚度 增加 1倍，轮 重减 载 率 由 0 1 3变 为 0 1 9；二 系 悬 挂 刚 度减小一半，轮 重减载 率 由 0。1 3 变 为 0 1 7。当 车 辆 以 5 4 k m h 的 速度 由圆 曲 线 进 入缓 和 曲 线 时，二 系悬挂 刚度增 加 1倍，轮重 减 载 率 由 0 1 7变 为 0 1 9；二 系 悬 挂刚度 减小 一半，轮 重减 载 率 由 0 1 7变为 0 2 7。由以上计算 结果 可见，在 车辆 设计 的过 程 中 应 当对车辆的二系悬挂刚度进行 优化，选择适 当的值，以降低 车辆 在低速情 况下通过 曲线时 的轮 重 减载率。由图 4和图 5可见，当 车辆 以低速通过 曲线 时，车辆 的一 系、二系悬挂 阻尼对 轮重减载的影响 并不明显。2 2 不同悬挂参数 的车 辆在低 速 下通 过三 角坑 时的 轮重减载 当车辆通过 三角 坑 时，转 向架 的 4个 车轮 中有 3 个 与轨道 正常接触，而通 过三 角坑 的那 个车 轮会 出现 减 载的情 况。当车辆 高速 运行 时，甚至 会 出现车 轮悬 空 的状态，但 由于作用 时间极 短，因此对 行车安全构不 成威胁。而当车辆 低 速行驶 时，车 轮往 往会 出现 持续 较长时 间的较 大的轮重减载，从而威胁到行车安全。9 维普资讯 http:/ 铁 道 车辆 第 4 3卷 第 1期 2 0 0 5年 1月 *镛 餐 闽 辑*镛 闽 辑*镛 j 毫 闽 辑 车辆所在曲线位置，m 车辆所在曲线位置，m 车辆所在曲线位置，m 图 4 在同一 曲线上一 系阻尼变化对轮重减载的影响 车辆所在曲线位置，m 车辆所在曲线位置，m 车辆所在曲线位置，m 图 5 在同一 曲线上二系阻尼变化对轮重减载的影响 在仿真 过 程 中，选择 一 个 长度 为 1 2 m、深为 1 6 mm 的三角坑作为 轨道输 入，其 在各 个 速度 和各 个 悬 挂参数下 的仿真结果如 图 6和表 2所示。J D 时问 8 图 6通过 三角 坑 时的轮 重减 载 率 由 图 6和表 2可 以看 出，当 车辆进入三角坑 时轮 轨间 的压 力 会 产 生突 变，从 而产 生较 大 的轮 重减载。车辆 的一 系阻尼值 对轮 重减载有较 大影响(表 2中，在车 辆 以 5 m s的速度运行时，阻尼增 加 1倍，轮对 的最大轮重减载率 增加了 9 0 9 6)，这主要是 由于车辆 进入三角坑 时车轮迅速下 沉引起 的。而在速度较低 的情况 下刚度 也会 对 轮 重 减 载 产 生影 响(表 2 中，在车 辆 以 5 m s的速 度运 行 时，刚度增加 1 倍，轮对的最大轮 重减 载率 增 加 了 5 0 )，并 且，随 着速 度 的提 高，刚度 的影 响逐 渐 变小(表 2中，在车辆 以 1 5 m s的 速度运行 时，刚度增 加 1倍，轮对 的最大轮重减载率增加不足 2 )。为了更深入地研究不 同速度 下车辆 通过三角坑时一 系悬 挂阻 尼对车辆准静态轮重减 载率的影 响，对运行速度 分别 为 5 m s、1 0 m s、1 5 m s的情况进行 了仿真，结 果如 图 7所示。可 见，车 辆 的 最大轮重减载率 随着一 系悬 挂刚 度的变化 呈近 似 线性 的 变化，并 且随着速度 的提 高，阻尼 的影 响 逐 渐增 大。表 2 车辆 以不 同速度与参数通过三角坑时 的最 大轮 重 减载 率 3 结论(1)车辆低速通过 曲线时，最 大轮重减 载的工况出 现在 由圆曲线进入缓和曲线 的导 向轮外侧，二 系悬挂刚 度对轮重减载的影响较大，而一 系刚度对轮重减载 的影 响很小，一系、二系阻尼对轮重减载几乎没有影响。(2)车辆低 速通 过三 角坑 时，最 大轮 重减 载 出现 在车轮刚刚进入三 角坑 的瞬时，并且此 时 的轮 重减载 受一 系悬挂阻尼 的影 响较大。速度 对最 大轮重减载率 也有 影响。在相 同速 度下，轮 重减 载率 与阻 尼呈 近似 线性关 系。(下转第 l 4页)维普资讯 http:/ 铁道 车辆 第 4 3卷 第 1 期 2 0 0 5年 1月 图 4 A型车辆在隧道 内直线地段运算限界图形 为了检验地铁限界 计算 软件 的计 算精 度，在算 例 中关用 了 A 型车辆国家标准轮 廓线控制 点 的坐标，并 采用与 标准 相同 的各 项运 算参数(软件 的默 认设 定 值)。将通过软件计算所获得的车辆限界和设备限界 的控制点坐 标与 标准 提供 的限界控制点坐标数 据对 照，可 以发现 软件 具 有很 高 的计算 精度。在 软件 的测(上 接第 1 0页)静 鞯 餐 栅 辑 图7 通过三角坑时阻尼对轮重减载率的影响 j 4 试过程 中，笔者 还校 核 了 B1型 和 B 2型标 准 车辆，结 果也 与 标准 吻合得很好。4 结束语(1)将 地铁 限界计 算 界 面化 是 可行 的，也是 必要 的，它不仅为 标准 的推广奠定 了基 础，而且 为工程应 用特别是轻 轨车辆设计 和轻 轨线路设计创造 了条件。(2)软件操作简便，实用性 强，所 获得 的限界具有 较 高的可靠 性，在不 必设 置 过大 安全裕 量 的情 况下 可 直接运 用于工程实际。2 0 0 4年 4月，限界软 件 1 0已 获得 了专家组 的认可并通过验 收。该软件在北 京地铁 运 营有 限责 任公司投入运行后，得到 了用 户的认同，对 改进北 京现有 地铁和轻轨车辆 外形设 计起到 了 良好 的 促进作 用。参 考 文献：1 C J J 9 6 2 O O 3，地铁限界标准I s 2 张振城市轨道交通 M 北京：中国铁道出版社，2 0 0 1 3 严隽耄车辆工程 M 北京：中国铁道出版社，1 9 9 2 (编 辑：颜 纯)参 考文 献：1 翟婉明 货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案 J 铁 道车辆，2 0 0 2，4 0(1)：1 3-1 8 2 G B T 5 5 9 9-1 9 8 5，铁道车辆动力学评定和试验鉴定规范 S 3 沈钢 面向对象的机 车车辆 动力学仿真建模研究 J 铁道学 报，1 9 9 8，(4)：5 O 一 5 4 4 田 杰，许克宾 列车运行安全性、平稳性的控制因素及评估准则 J 中国安全科学学报，2 0 0 1，(3)：3 5 3 8 I s 马培德 车辆脱轨安全性 问题研 究及对策 J 铁道标准设计，1 9 97。(8)：4 2 4 5 6 翟婉明 车辆一 轨道耦合动力学 M 北京：中国铁道出版社，1 9 9 7 7 王福天 车辆动力学 M 北京：中国铁道出版社，1 9 8 9 (编 辑：田玉 坤)维普资讯 http:/