橡胶轮低地板拖车转向架车辆动态曲线通过分析.pdf

文章编号:1000-1506(2004)04-0098-04橡 胶 轮 低 地 板 拖 车 转 向 架 车 辆 动 态 曲 线 通 过 分 析卢海强,孙守光(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)摘 要:建立了橡胶轮低地板拖车转向架车辆动态曲线通过分析模型并确定了有关的动力学参数.计算分析了以 60km/h的最高速度和 20km/h的实用速度分别通过半径为 350m和 50m的无超高曲线时的动力学特性.结果表明:承重轮胎侧偏力和导轮导向力均处于正常水平且轮重减载率很小,从动力学方面证实了现行的橡胶轮低地板拖车转向架设计方案应用于市区地面的可行性.关键词:铁路运输;橡胶轮;低地板转向架;动力学;曲线通过;侧偏中图分类号:U270.32 文献标识码:AStudy on Curving Behavior for Rubber_Tired andLow_Floor Bogie VehicleLU Hai_qiang,SUN Shou_guang(Schoolof Mechanical and ElectronicControl Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China)Abstract:In this paper,thedynamicalmodelfor vehiclewith the rubber _tiredand low _floor bogieises-tablishedand the dynamical parameter of vehicle is gotten.The performance of curving negotiation ofthevehicle is analyzedwhen thevehicle track throughacertaincurveat adeterminedspeed.The resultprove that the performance of curving negotiation of the vehicle isexcellent in the aspects of the side-wise forceon tire,theguide lateral force and thedeloading rateof wheels,and that the conceptual de-sign is feasible to apply tocity.Key words:rail transport;rubber tire;low _floor bogie;dynamics;curve negotiation;sidewise 橡胶轮转向架车辆在国外已成功运用多年,应用范围日趋广泛,其轮轨噪声低、环保性好、粘着系数大、加减速性能好、对大坡度线路适应性强,特别适合于城市轨道交通.而低地板转向架的优点在于方便乘客上下车,无须建造高站台,能与市容环境良好融合.这种车辆现已大量应用于城市轨道交通,成为市区地面轨道交通的主流车型.本文作者首次提出了橡胶轮低地板拖车转向架的设计方案,其应用对象为适合于城市中心区域路面运行的轻轨车辆.文献13分别对橡胶轮转向架和钢轮低地板转向架的曲线通过行为进行了研究.本文作者在此基础上进行橡胶轮低地板拖车转向架的动态曲线通过分析,从动力学方面考察橡胶轮低地板拖车转向架设计方案的可行性.1 设计方案及模型1.1 基本构成橡胶轮低地板拖车转向架设计方案如图 1 所示.其中:单向止推轴承 连接摇枕和车体,使转向架整体可相对车体绕铅垂方向自由转动.橡胶轮 正常运营时为承重轮,内充高压氮气.辅助钢轮 过道岔时起导向作用,正常运用时不与轨道接触.收 稿日 期:2004-02-18作 者简 介:卢海强(1979),男,江西铜鼓人,硕士 生.email:孙守光(1962),男,黑龙江牡丹江人,教授,博士,博士生 导师.第 28 卷 第 4 期2004 年 8 月 北 方 交 通 大 学 学 报JOURNALOF NORTHERNJIAOTONGUNIVERSITY Vol.27No.1Feb.2004 轮轴 采用独立车轮,车轴固连于构架.橡胶堆 连接车轴和构架,为一系悬挂,起减振作用.空气弹簧 连接摇枕和构架,为二系悬挂.橡胶导向轮 固连于构架,水平布置,与导轨之间设有预紧力,车辆运行时保持与导轨密贴.为适应市区路面运行时车辆平交的需要,须将导向轮与导轨置于地面以下.图 1 橡胶轮低地板拖车转向架简图Fig.1 Rubber_tired and low_floor bogie1.2 动力学模型(1)车辆系统自由度采用的动力学模型以 1 节车辆为对象,包括 1个车体、2 个摇枕、2 个构架和 4 个轮对.各部件的自由度如表 1 所示.整车有 33 个自由度.由于橡胶胎与轨面接触处有径向变形,因此具有独立的侧滚自由度.此外,摇枕和车体之间采用无摩擦单向止推轴承联结,因此它们之间除了摇头相互独立外,其余自由度相同或相关联.这 33 个自由度为系统动力学方程的待求未知量.表 1 模型自由度Tab.1 Freedomofmodel构件名称运 动 形 式横移浮沉侧滚点头摇头备 注轮对ywizw iw i-w ii=1,2,3,4构架yt jzt jt jt jt jj=1,2车体yczcccc摇枕yc/czc/cccb kk=1,2 (2)线路模型动态曲线通过主要研究车辆由直线进入缓和曲线到圆曲线,再从圆曲线驶出缓和曲线到直线这一过程的运动和受力状况.缓和曲线采用的是二次拟合曲线,曲率变化如图 2 所示.图 2 线路的曲率随线路状况的变化Fig.2 Curvature changing with rail (3)橡胶轮模型橡胶轮具有复杂的力学特性,在建立用于分析曲线通过行为的动力学模型时,须考虑承重轮和导向轮的径向特性和侧偏特性.橡胶轮的径向模型一般可简化成为线弹性元件模型,其径向刚度取决于橡胶轮结构和内胎的充气压力.当轮胎与路面之间存在横向侧偏力的合力Fy时,由于轮胎的侧向弹性变形,轮胎的前进方向和轮胎中心面方向将形成侧偏角.在一般条件下,4.因此,Fy与呈线性关系,即Fy=Ka(1)式中,Ka为侧偏刚度.Fy并不通过轮心在路面上的投影,而是拖后一个距离,从而对通过轮心垂直路面的轴线产生一回正力矩,即Ma=-Kf(2)式中,Kf为回正刚度.如图 3,由轴的不可伸缩性和基于车轴质心的速度合成定理可导出承重轮侧偏角w=-yw+VwV(1bw/R)(3)式中,正负号由左右轮对的位置而定,w为轮对摇头角,V和yw分别为轮轴质心沿x和y轴的速度分量,R为轨道曲线半径,bw为轮距之半.图 3 承重轮侧偏模型Fig.3 Sidewise model of bearing tire导向轮的侧偏角为d=VzVx(4)99第 4 期 卢海强等:橡胶轮低地板拖车转向困车辆动态曲线通过分析式中,Vz和Vx分别为导向轮沿z和x方向的速度.因导轮与构架相联,由构架的运动关系可进一步给出导轮侧偏角d=ztbdtldtV(1bd/R)(5)式中,正负号由导向轮的位置而定,zt、t和 t分别为构架的浮沉速度、侧滚角速度和点头角速度,bd为导轮横向距离之半,ld为导轮的纵向距离之半.(4)车辆系统动力学方程与数值积分方法基于动力学模型推出橡胶轮低地板拖车转向架车辆系统动力学方程2.数值积分方法采用翟婉明提出的显示积分方法4.结合动力学参数和轨道参数,计算车辆动态曲线通过响应.2 动态曲线通过计算2.1 参数设定(1)车辆系统动力学参数车体质量(含摇枕且满员)为 30 700kg,构架质量为 1 240kg,轮对质量为 13 200kg.一系的 纵向 刚度 为 3.0MN/m、横 向刚 度 为3.0MN/m、垂向刚度为 2.7MN/m;二系的纵向刚度为 0.12MN/m、横向刚度为 0.12MN/m、垂向刚度为 0.25MN/m、垂向阻尼为 40kNm/s.承重轮的侧偏刚度为 85kN/rad、回正刚度为4.3kNm/rad、径向刚度为 10MN/m;导向轮的侧偏刚度为 60kN/rad、回正刚度为 1kNm/rad、径向刚度为 0.7MN/m.(2)轨道参数橡胶轮低地板转向架应用对象为适合于城市中心区域路面运行的轻轨车辆,为能与其它车辆平交而不设超高.在市区运行时,最高速度为 60km/h,通过小曲线时,限速 20km/h.本文作者着重研究了2 种典型工况,详见表 2.表 2 曲线轨道参数Tab.2 Parameter of curve rail工况曲线长度/mR/mV/(kmh-1)180 缓和曲线+40 圆曲线+80 缓和曲线35060 230 缓和曲线+30 圆曲线+30 缓和曲线5020 2.2 车辆动态曲线通过响应根据设定的参数和工况进行计算,设轮对 1 和轮对 2、导轮 1 和导轮 2 分别代表前转向架的前位轮对和后位轮对、前位导轮和后位导轮.(1)承重轮侧偏力动态响应图 4 给出的计算结果表明:R对承重轮的侧偏力Fy影响显著.Fy是导致橡胶轮胎磨耗的主要因素.对于橡胶轮低地板拖车转向架车辆而言,Fy水平较低,其最大值仅为 2kN,对于橡胶轮胎不会造成严重的磨耗.(a)工况 1(b)工况 2图 4 承重轮侧偏力响应Fig.4 Sidewiseforce responseof bearing tire(2)承重轮对横移量yw动态响应通过曲线时,yw变化规律见图 5.在同一工况下,轮对 1 的yw大于轮对 2 的.随着R的减小Fy增大,同一转向架前后轮对的yw也相应变大.2 种工况下yw的最大值分别为 7.5mm和 7.7mm.(a)工况 1(b)工况 2图 5 承重轮横移响应Fig.5 Cross sliding responseof bearing tire(3)导轮径向力动态响应图 6 给出了通过曲线时,导轮径向力增减量N的变化规律.由于存在预紧力,左右导轮N相等.在2 种工况下,N的最大值为 4.5kN,且各导轮N分配均匀,其合力与车辆离心力接近.(a)工况 1(b)工况 2图 6 导轮径向力响应Fig.6 Radial force response of guide tire(4)轮重减载率动态响应如图 7,在 2 种工况下,轮对 2 的轮重减载率G001北 方 交 通 大 学 学 报 第 28 卷大于轮对 1,这主要是由于轮对 1、2 受Fy影响的结果.曲线通过时G相当小,最大仅为 0.09,表明橡胶轮低地板转向架车辆即使在通过不设超高的小曲线时也具有很好的安全性.(a)工况 1(b)工况 2图 7 轮重减载率响应Fig.7 D eloading rate response of wheels3 小结结合橡胶轮低地板拖车转向架和所应用的线路条件特点,建立了橡胶轮低地板拖车转向架车辆动态曲线通过分析模型并提供了有关的动力学参数.系统的计算分析表明:尽管导轮和导轨置于地面以下,转向架结构参数与普通橡胶轮转向架差别较大且曲线不设超高,橡胶轮低地板拖车转向架车辆的曲线通过性能依然优良.能以 60km/h的最高速度和 20km/h的实用速度分别顺利通过半径为 350m和 50m的无超高曲线.承重轮胎侧偏力和导轮导向力均处于正常水平且轮重减载率很小.这从动力学方面证实了现行的橡胶轮低地板拖车转向架设计方案应用于市区地面的可行性.参考文献:1 石丽莉,孙守光,任尊松.橡胶轮转向架轨道车辆稳态曲线通过 动力学 分析D.北京:北 方交通 大学,2001.1-85.SHI Li _li,SUN Shou_guang,REN Zun_song.Research ofSteady _StateCurvingofRubber_TiredBogieD.Beijing:Journalof Northern JiaoTong University,2001.1-85.(inChinese)2 王渊,孙守光,任尊松.橡胶轮转向架车辆动态曲线通过行为研究J.铁道学报,2003,25(3):40-44.WANG Yuan,SUNShou_guang,RENZun_song.StudyonCurvingBehavior for Rubber_Tired B ogieJ.Journal ofChinaRailwaySociety,2003,25(3):40-44.(inChinese)3 李创,孙守光,任尊松.独立车轮转向架车辆曲线通过性能分析J.北方交通大学学报,2003,27(5):86-89.LI Chuang,SUN Shou_guang,REN Zun_song.Perfor-manceAnalysisof Curve Passing Throughon Railway Ve-hicle with Independent WheelsJ.Journal of NorthernJiaoTong University,2003,27(5):86-89.(inChinese)4 翟婉明.车辆轨道耦合动力学.第二版M.北京:中国铁道出版社,2001.109-127.ZHAI Wan_ming.Vehicle_Track Coupling DynamicsM.Beijing:China Railway Publishing House,2001.109-127.(in Chinese)简介 IPv6/v4 网 络 防 护 系 统由北京交通大学IP网络技术实验室研制的IPv6/v4 网络防护系统,采用了面向IPv6/v4 的IP包过滤、网络监听等网络安全技术,所完成的产品可全面有效的对IPv6/v4 网络进行保护.(1)功能:动态捕获,捕获所有流经本系统的数据包.协议分析,对捕获到的数据包的各层协议进行分析.数据还原,对TCP数据流的数据进行还原,可以对通信内容进行检查.静态封堵,通过使用五元组(源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口及协议类型)的任意组合形成防火墙规则,对不希望通过系统的数据包进行封堵.地址冒充,能冒充别人的IP地址发送我们自己的数据包,而数据包的接收者并不知道这个数据包是由我们发送的,达到隐瞒身份的目的.实时中断,通过对正在进行TCP会话的 2 台主机之间数据包的捕获,得知当前序列号,然后冒充其中 1 台主机向另 1 台主机发送中断连接命令,从而实现阻断其TCP连接的目的.(2)性能:能实现线速捕获;捕包指标,千兆网卡在流量大于 200Mb/s时,丢包率 5;百兆网卡在流量大于 60Mb/s时,丢包率 95%.支持IPv6/v4 双协议栈.(3)主要特色:功能强大,监控一体、攻防兼备.使用可视化图形界面编程,界面友好,使用非常方便.将该系统安装在IPv6 路由器上,突破局域网的限制,实现更广范围的监控.性能优良,能达到线速捕获和线速转发,适合当今高速的网络环境.(4)应用场合:该系统可广泛应用于军队、大型企业、国家机关等对安全要求比较高的部门,也可用于中小企业内部网络流量监控和访问控制等,是一种优秀的网络管理系统.101第 4 期 卢海强等:橡胶轮低地板拖车转向困车辆动态曲线通过分析