C62A型敞车合理重车重心高度的研究（可编辑）

C62A型敞车合理重车重心高度的研究（可编辑） C62A型敞车合理重车重心高度的研究 北京交通大学 硕士学位论文 C62A型敞车合理重车重心高度的研究 姓名:李凤玲 申请学位级别:硕士 专业:交通运输规划与管理 指导教师:葛正义 20061201中文摘要 中文摘要 文摘:重车重心高度是我国铁路的一项基本技术标准,它起着指导现场装车、 保障行车安全的重要作用。目前我国该标准仍沿用年制定的《铁路货物输送 暂行规定》中的规定,限制高度为,与国外相比明显偏低,重车重心高度 的限制不仅影响了车辆轴重的增加,还大大限制了列车运行速度的提高,制约了 我国铁路运输的快速发展。因此现阶段对重车重心高度进行系统的研究,确定符 合当前实际情况的高度标准,是提高铁路运输效率的有效途径。以此为目的,本 文从车辆动力学的角度对重车重心高度进行动态模拟。 论文首先介绍了国内外车辆动力学及三大件货车仿真发展的现状,并对多体 动力学软件进行简要说明。通过认真学习软件并在详细分析 车辆及转向架组成结构的基础上,建立了车辆动力学模型,建模的过程中充分考 虑了三大件货车中存在的各种非线性因素。车辆动力学性能主要从三方面来分析, 即车辆横向稳定性、运行平稳性、动态曲线通过性能,主要介绍了这三方面性能 的评价及各自的评价指标与标准。在车辆及转向架原始参数的基础上应用车 辆动力学模型对部分主要参数进行模拟分析,然后重点分析了重车重心高度对车 辆动力学性能的影响情况,分别计算了在不同的装载工况下车辆以不同的运行速 度通过直线及曲线轨道时,车辆合理的重心限制高度。 在单节车辆模型的基础上建立了三车连挂模型,分别分析了当三车模型通过 直线及曲线轨道时,模型中不同位置车辆间的动力学性能的差异,并与相同条件 下单节车辆模拟情况迸行对比,并且考虑了轨道有无激扰两种情形,最终得出多 车动力学性能要差于单节车辆的结论。然后分别在直线轨道及曲线轨道上模 拟了 当车辆重心在横向及纵向无偏移时重心高度对三车运行的影响及车辆重心 在横向 达到最大容许偏移量时,不同重心高度下三车模型的动力学性能,通过对车 辆动 力学指标进行分析评价,确定了各工况下三车模型合理的重心限制高度。 最后通过与现场试验结果进行比较,验证了本文所建立模型的可靠性,从而 证明了本文对重车重心高度的研究具有一定的参考意义。 关键词:重车重心高度;;仿真模型;动力学指标;北京交通大学硕士学位论文 : . . ‘.” . . ?. . , . , ‘?.. , ., , .:,,.? , ., . . ,. ? , . . . . ., ., ,. ., : ;; ;致谢 本文是在葛正义老师的悉心指导下完成的,在整篇论文的进行过程中,从论 文的选题、分析到论文的撰写无不倾注着葛老师的心血,在近三年的学习和生活 中,葛老师在各个方面都给予了我很大的关心与帮助,为我以后的学习、生活及 工作都打下了坚实的基础。 两年多来,葛老师为我提供了优越的学习条件和学习环境,使我能够真正地 深入科研。在完成论文的过程中,葛老师严谨的治学态度,求实的工作方法和广 博的学识给了我很大的影响,使我受益非浅。葛老师不仅在学习及科研方面给予 我莫大帮助,在生活及思想进步方面也给了我诸多的关心与帮助,有助于我明确 今后的人生方向,树立正确的追求目标,形成正确的人生观、价值观,使我受益 终生,在此向葛老师表示我最衷心的感谢和最崇高的敬意 在论文的完成过程中还得到郎茂祥教授、机械专业王帆同学的大力帮助,我 曾多次向他们请教问题,都得到了他们热情、耐心的解答,在此也向他们表示最 衷心的感谢 最后要感谢多年来支持与培育我的父母亲,是他们无怨无悔的付出,才有了 今天的我;同时感谢身边的朋友及同学们对我生活及学习上的关心与照颞,正是 在大家的关怀与帮助下,我才能顺利的完成学业。北京交通大学硕士学位论文 序 我国铁路正朝着高速、重载方向发展,其中实现重载运输有两种基本途径, 一是增加列车长度,开行超长列车;二是提高轴重,发展大型货车。由于增加列 车长度会带来一系列技术问题,有一定的局限性,因此从世界重载运输的发展趋 势来看,尽可能提高轴重,充分利用现有站线长度,已逐渐成为今后重载铁路运 输的主流方向,大轴重货车具有广阔的发展前景。 提高轴重,开行重载列车必须要注意到重车重心高度对货物装载的制约,我 国重车重心高度标准为,是沿用年制定的《铁路货物输送暂行规定》 中的规定,超过该标准就要进行配重或限速运行,这在很大程度上影响了我国铁 路货车载重量及速度的提高。目前,美国标准轨铁路的重车重心高度标准约为 ;独联体国家的标准为宽轨轨距,均明显高于我国,而 当前我国的线路水平、车辆技术状态等并不比国外差,车辆运行速度也不比国外 高,但重心高度标准却远远低于国外,这种情况是否合理是一个需要引起我们思 考的问题。另一方面,近几十年来我国铁路各方面都发生了翻天覆地的变化,无 论是基础设施、运输设备还是运输组织都有了很大的提高和改善,在这种情况下 仍沿用几十年前的重心高度限制标准,该标准是否仍然适用,能否将该标准提高, 这都是目前我们不得不考虑的问题。在当前提速、重载的趋势下,迫切需要我们 对重车重心高度进行系统的研究,确定适合目前铁路条件的限制标准,促进铁路 快速发展。 本文就是以此为目的,在车辆动力学领域内研究车辆重心高度对车辆运行动 力学性能的影响情况。本文重在提供一个分析重车重心高度的方法,由于三大件 货车具有大量的强非线性,尤其是对于三车模型来说,自由度数量较多,计算量 过大,计算速度非常慢,因此本文仅对当前应用较多的主型货车及转向架进行了 仿真模拟,但该方法不局限于车辆及转向架的类型,可方便的应用到其它任何车 辆。绪论 .选题背景及研究意义 铁路是我国的主要运输方式,是国家重要的基础设施,在我国国民经济中起 着非常重要的作用。近十几年来,随着我国国民经济的迅猛发展,对铁路客货运 输能力都提出了越来越高的要求。如何发展铁路运输在交通运输体系中的骨干作 用,是我国铁路面临的严峻问题。为此,年在北京召开的重载运输委员会会 议上,铁道部提出了“重载、密度、高速”的货车发展方向,鼓励铁路工厂和相 关研究机构实验研制高速、大轴重货车转向架,以适应市场的需求,为铁路的进 一步发展提供更大的空间。 目前,在轴重方面,发展重载铁路运输已经得到世界上越来越多国家的重视, 美国%的铁路采用轴轴重.,部分采用轴轴重.,货车平均载重.; 俄罗斯普遍采用.轴重,欧洲一般采用.轴重,正向轴重过渡,其它主要 重载国家货车轴重多数在以上【。因此,同欧洲国家年代后出现的铁路衰退 一样,激烈的市场竞争也正在悄然改变着中国运输市场的格局。尽管近几年来全 国货运总量在逐年递增,但铁路在运输市场的占有份额仍有所下降,中国铁路正 面临着严峻的挑战,铁路货运要走出这一困境,实现重载、高速已成为其必要发 展途径。 实现重载运输有两种基本途径。一是扩大列车编组,增加列车长度,开行超 长列车;二是提高轴重,增加车辆的每延米重量,发展大型货车。“六五”、“七五” 期间,我国发展重载运输主要着眼于加大列车长度。自年以来,北京、郑州、 沈阳等铁路局,陆续在各种不同线路及运行条件下开行了组合式重载列车,沿海 主要干线推广开行了吨单编重载列车。特别是年月,在我国大秦大 同一秦皇岛运煤专线上成功地进行了万吨级重载列车运行试验,它标志着我国 长大重载列车运输事业发展到了一个新的阶段【】。然而长大重载列车也有不足之 处,扩大列车编组、增加列车长度带来了许多技术问题,由于列车长度增大,制 动波传递的时间也大大的加长。列车制动时,前面的车辆己经制动而后面的车辆 制动尚未开始,造成列车前涌;缓解时,前面的车辆已经缓解,后面的车辆仍处 于制动状态,这就会使列车产生受拉冲撞,形成大的冲击载荷,如果操纵不当, 这种附加的冲击载荷很容易造成列车断钩、脱轨等问题。此外,由于列车长度的 增加,列车所覆盖线路断面也比一般列车要复杂些,所以运行中各车辆的受 力远北京交通大学硕士学位论文 比一般列车要复杂,增加了车辆的危险性【】。并且列车的长度要受到现有车站到发 线长度的限制,我国车站到发线长度一般为,,等几种,如果根 据增加的列车长度来加长该区间车站的到发线长度,这将需要巨大的基建投资, 而且在短期内不可能形成运力,在有些地形条件下也难以实现;如果采用后者, 提高轴重,发展大型货车,即适当地提高货车装载高度和装载重量,增加车辆净 载重,有利于在充分利用现有站线长度的条件下实现重载运输,大大提高了铁路 运输能力和现有设备的利用效率。并且,适当的提高装载高度或装载重量,还可 以节约装载加固材料费用,带来可观的经济效益。总之,从世界重载运输技术的 进步趋势来看,尽可能提高轴重,充分利用现有站线长度,已逐渐成为今后重载 铁路运输的主流方向,大轴重货车具有广阔的发展前景。 提高轴重,开行重载列车不可忽视货物装载中对重车重心高度的要求,重车 重心高度的限制是我国铁路一项基本技术标准,它起着指导现场装车、保障行车 安全的重要作用。解放后我国铁路重车重心限制高度的标准首次出现在年制 定的《铁路货物输送暂行规定》中,重车重心限制高度为,系沿用日伪南 满铁路于世纪年代的规定,迄今未变。并且我国铁路还规定重车重心高度“从 钢轨面算起,一般不超过,超过时需采取配重措施,降低重车重心高度, 否则应限速运行”。限速运行的规定如下表所示: 表.不同重车重心高限速运行的规定 编号 重心高度 区间限速/ 侧向道岔/ ~ ~ ~ 由此可见,虽然增加车体高度、缩短车辆长度可以提高车辆的延米载荷,但 是由于车辆重心高度的限制,使车辆不能充分利用容许轴载荷或不能充分利用线 路容许的延米载荷,并且还大大限制了列车运行速度的提高,制约了铁路运输的 快速发展。目前,美国标准轨铁路的重车重心高标准为英寸,约;独联 体国家的标准为宽轨轨距,而我国仅为,与国外标准相 比,我国重心高度标准偏低。当前,我国铁路的线路条件和车辆技术状况与国外 相比并无明显差异,货车速度也不比国外的货车速度高,但我国铁路的重车重心 限制高度却明显低于国外标准,且差别较大,这表明我国重车重心高度限制过于 保守。况且,近些年来铁路运输从基础设施、运输设备到运输组织都发生了很大 的变化,但在装载上仍沿用这个几十年未变的标准,这种情况是否合理是我们不 得不考虑的问题。因此在目前响应提速、重载号召的情况下,全面而系统的研究 重车重心高度,合理规定列车限速条件,使我国的重车重心高标准符合目前我国 铁路的实际情况,是促进我国铁路快速发展、增强其竞争力的有利途径。 .国内外车辆系统动力学的发展 多体系统动力学始于世纪年代,为了解决当时宇宙和机械领域的工程问 题,美国、德国和前苏联的一些学者开始了多体动力学的研究,到了年代末 年代初,他们就提出了各自较为系统的理论和方法。年,国际理论和应用力 学学会主持召开的第一次多体系统动力学研讨会,是这门学科发展的里程碑。我 国从年多刚体系统动力学研讨会北京,尤其是年柔性多体系统动力学研 讨会长春以来,在该领域的研究进展很快。年,多体系统动力学理论、计算 方法和应用学术会议在上海召开,展示了一批理论和应用的最新成果。 多体系统动力学的研究对象是由多个物体连接构成的系统多体系统,物体可 以是刚体、柔体、液体,不仅考虑其运动,而且可以考虑其变形,热传导等等。 多体系统动力学在航空航天、机器人、通用机械、汽车、机械电子业、军事车辆 和装备、铁道车辆等领域都得到了广泛的应用。尤其是在铁道车辆动力学分析方 面得到了深入的应用,作为典型的多体系统,铁道车辆动力学的研究推动了车辆 多体系统动力学的发展。车辆系统动力学是通过对车辆系统进行简化,建立模型 描述系统,根据系统受到的外部激励求解系统的运动及作用力,从而对车辆动力 学性能进行分析和研究,改进车辆的结构以提高其动力学性能的一门学科。目前, 提速和重载给铁路部门带来了很好的经济效益和社会效益,但也使我们面临一系 列新的问题,列车运行速度和载重量的提高,使得作用在机车车辆与线路之间、 列车中各连接车辆之间、车辆各构件之间的动作用力增大及列车与线路各部分的 振动加剧。为了让机车车辆和线路具有足够的强度和稳定性,保证列车安全而平 稳地运行,减小各运动部件的磨耗和节约维修费用,提高车辆和轨道各部件的使 用寿命等,必须要解决机车车辆与线路之间、机车车辆本身之间的一系列重要问 题,车辆系统动力学就是围绕着研究和解决这一系列问题而逐步发展起来的,迄 今为止车辆系统动力学已成为一门内容丰富的学科,特别是自上世纪年代开始 实现铁路高速化和重载化以来,该学科的理论水平和研究成果都已提高到了一个 崭新的阶段。 在我国铁道车辆动力学研究方面,最具代表性的是西南交通大学翟婉明教授 建立的车辆一轨道耦合动力学模型,以及在此基础上开展的一系列仿真计算,使 我国在铁道车辆系统动力学研究方面取得了重大的突破,在国际车辆系统动力学 界得到了广泛的认可与好评,他所建立的“车辆?轨道统一模型”被国际权威列为当 今轮轨动力学领域四大代表模型之一,大大加强了我国在国际车辆系统动力学研北京交通大学硕士学位论文 究领域的学术地位。 在车辆系统动力学中,对车辆系统的运动稳定性、曲线通过能力和运行平稳 性的研究是一个重要的部分,而货车由于具有更多的强非线性因素,受到了更多 的关注。总之,车辆系统动力学的研究成果应用于实践,提高了车辆系统的各种 动力性能,推动了车辆结构的技术改造和创新以及铁路运输的发展;而铁路发展 的需要又不断向动力学研究提出了新的课题,促进了这一学科的发展。如此相互 推动,使得车辆系统动力学学科的内容不断地丰富,从而更好地为铁路运输事业 的发展服务。 .三大件货车仿真发展的现状 目前,世界各国的货车转向架大致以以下两种不同模式发展。一种是以北美 铁路为代表的铸钢三大件转向架,其采用的是中央摇枕弹性悬挂而轴箱无弹性悬 挂及定位的形式;丽另一种是以西欧为代表的焊接构架式转向架即采用无摇枕的 整体构架和轴箱弹性悬挂定位方式。 三大件转向架由于其结构简单、检修方便、均载性好、对线路扭曲适应性强 等优点被包括我国在内的多数国家采用,并且通过发展出现各种型号,例如南非 的谢菲尔自导向径向转向架、美国的摆动式转向架等。 随着运输业的发展,对货车车辆的运行品质和速度的要求越来越高,对货车 的要求也越来越高,因此货车的构造也越来越复杂。在货车的研究中,线路试验、 理论计算和仿真是其主要的研究方法,特别是货车仿真技术,其较低的费用以及 广泛的适用性使其成为车辆设计和动力学分析的主要手段。由于三大件转向架的 结构简单,因此存在大量的间隙、刚性接触及摩擦元件,造成转向架的动力学性 能具有强烈的非线性特点,所以如何实现货车转向架及整车的非线性动力学仿真 历来是铁道动力学方面的主要难点。国外在年代开始了基于多体动力学原理的 机车车辆动态仿真软件的研究,并且在货车的非线性动力学仿真方向上己经取得 了巨大的成就,研制出了大量的仿真软件,促进了车辆动力学研究的发展。 作为多体系统动力学重要的应用领域,从多体系统动力学诞生时起,从事车 辆研究的人员就对车辆系统动力学给予了足够的重视,在投入大量的人力、物力 和财力进行研究开发后,推出了一些卓有成效的软件,如美国的, 德国的,法国的等,这些软件对多体动力学的发展以及新型车辆 的研制开发起到了重要的作用。 与传统方法相比,这些多体动力学软件具有以下优点【】: 、提供了丰富的模型库,可以建立复杂的车辆轨道系统动力学模型,能够方 便地描述系统中许多非线性悬挂特征,使得物理模型和实际模型更接近。 、可以方便地修改模型和参数,不需要重新编写程序,为仿真计算提供了很 大的方便。 .论文的主要研究工作 本文通过对三大件式转向架的结构进行认真细致的研究和分析,采用 软件建立了车辆动力学仿真模型,并以此模型为研究对象,从车辆运行 稳定性、平稳性及动态曲线通过性能三个方面对车辆各主要参数进行分析,最终 得到使车辆各动力学性能均达到较优的理想参数,然后在一定的线路工况、运行 速度下,,研究车辆的重心高度对其运行性能的影响,最终在保证运输安全的前 提下确定重车重心高度的最大值。在研究了单节车辆的动力学性能后,把模型扩 展到了三节车辆,以三节车辆连挂在一起模拟整个列车的运行情况,分别分析在 不同线路条件下,三车中不同位置车辆动力学性能的差异,并与单节车辆模拟结 果进行对比,分析车间连接装置对车辆运行的影响,然后在不同线路及运行速度 的工况下模拟不同重心高度对三车动力学性能的影响,最终得到列车合理的重心 限制高度。本文主要工作如下: 、对多体动力学仿真软件进行认真学习,较好地掌握了软件的建 模方法、分析方法和相关使用技巧,建立了具有转型转向架的货车车辆动力 学 仿真模型; 、了解动力学计算理论和车辆动力学计算理论,简要介绍了国内外车辆多体 动力学的发展情况,并分析了目前对三大件货车仿真研究的情况; 、分析了车辆动力学性能的主要评价内容及各种评价指标,并给出了具体的 评价标准应用于模型的后处理中; 、模拟分析车辆转向架的几个主要参数对车辆动力学性能的影响情况,根据 车辆各个动力学指标的结果来确定使车辆运行性能均达到较优的参数; 、在车辆动力学模型中,模拟得出不同线路条件下,车辆合理的重心高度值; 、在不同的运行速度下,改变车辆重心在横向及纵向的位置,分析车辆装载 工况、运行速度与重心高度间的关系; 、在单车模型的基础上,采用三节车辆来模拟列车的运行情况,分析不同线 路上车辆间的相互影响,以及不同工况下车辆重心限制高度的情况; 、结合现场试验测量,对文中所建立动力学模型进行验证。北京交通大学硕 士学位论文 车辆动力学模型 仿真计算的结果如何,主要取决于计算模型的可靠性,仿真模型与实物的近 似程度决定了仿真结果的准确度,因此要求所建立的模型尽可能接近实际情 况, 但机车车辆本身是一个复杂的多体系统,其复杂性不但表现在各部件之间的 相互 作用力和相对位移,而且还表现在轮轨之间的接触蠕滑关系上,因此对机车车辆、 轨道系统进行全面的模拟不太现实,考虑到系统自由度的多少、仿真计算量的大 小,仿真计算模型只能根据研究的主要目的和要求,对一些次要因素进行适当的 假定和简化,而只对动力学性能影响较大的主要因素尽可能做出符合实际情况的 模拟。下面首先介绍一下建模所应用的动力学软件。 .多体动力学软件简介 软件是一种机械系统的动力学性能仿真分析软件,它能辅助工程师 对所设计的各种复杂机械系统进行动力学性能仿真分析,例如车辆、机器人、机 器和机构等等。该软件是由德国航空航天研究院在程序的基础上 开发的,现在由进行独立的发展、扩充和维护。 由于软件强大豹运动学,动力学分析功能,可建立任意复杂机械或 机电系统的虚拟样机模型,包括从简单的少数自由度系统到高度复杂的机械、机 电系统如链条、列车等。软件具有完整的建模环境,有二维和三维 动画功能,其后处理还给用户提供了功能非常丰富的曲线作图、曲线输出, 、曲线编辑、数据分析、对比等功能,给用户详细、准确了解系统性能提供 了有力的工具。是的核心模块。在核心模块的基础上,还 为各工业领域和特殊应用开发了许多附加模块。这些模块可以与核心模块任意搭 配使用,给用户提供了丰富的仿真工具,并给用户提供了完整、快速专业的解决 。附加模块可分为两类,一类是为不同工业领域开发的专业模块,另一类是 功能扩充模块。其中专业模块有: .?燕车行业的专用分析模块。 瓜??铁路行业分析模块。可以完成铁路行业涉及的全部 动力学分析,是目前铁路行业动力学仿真分析软件的旗舰产品。 模块是德国宇航中心集多年轮/轨接触模拟的经验和现代先 进的模拟技术于一体的技术结晶,是世界领先的轨道车辆动力学仿真工具。由于 自身歼放和非常灵活的建模概念,使软件可以支持任何设计 车辆动力学模型 思路,无论从单个车轮还是到整个车辆系统,都可以完成其涉及的全部动力学分 析。 一发动机行业分析模块。是目前欧洲发动机动力学 仿真分析的首选软件。 ?赛车动力学专用模块。是该软件的前处理器,它采用图形用户界面,建模方 便,快捷,不但初学者容易上手,对专家来说,其强大的功能可全面控制整个建 模过程。 带有非常丰富的建模元器件库,包括零件、关节、 约束、力、函数、控制元件等等。采用鼠标拾取,可使建模更快速、高效、准 确。并且有效地利用鼠标不仅可以提高建模效率,同时还可以极大地减少建模 错误。 不但可以构造各种几何造型,同时,用产品 构造的复杂模型同样可以准确传递到 中,这样既可加速建 模过程,同时模型外形也更为逼真。 .单车动力学仿真模型 我国货车类型众多,结构形式也多种多样,但是不同车型大都采用三大件结 构形式的转型转向架,不同之处主要是车体结构尺寸和结构参数有区别。为此, 文中在分析计算时采用了我国具有代表意义的主型货车型敞车作为研究对 象,建立了基于转型转向架的车辆模型。 动力系统的建模是研究问题最为重要的阶段,所建模型的精确程度直接影响 到最终结果的准确性。对于复杂系统在建模时应该根据实际需要分清主次关系, 因此本文在建立车辆动力学模型时,做了如下假设: 、轮对、侧架、车体等均视为刚体。轮对、侧架和车体的弹性与悬挂系统相 比要小得多,因此将之视为刚体忽略其弹性; 、轮对及车体沿线路方向作等速运动,不考虑纵向动力作用的影响; 、车体关于质心左右对称和前后对称; 、在该模型中不考虑钢轨的弹性变形,只考虑轨道不平顺的影响及轮轨接触 面上的弹性接触。 机车车辆系统是一个复杂的多刚体、多自由度系统,其本身包括许多非线性 因素,如非线性轮轨相互作用关系、非线性弹簧阻尼悬挂特性等。因此,为了 准 确地描述车辆系统,研究其动力学特性,必须考虑非线性的动力学模型,在 软件中建立的车辆系统动力学模型如图.所示。 北京交通大学硕士学位论文 图. 软件中的车辆动力学模型 .. 货车的主要部件可分为车体、摇枕、侧架和轮对等。在建立车辆动力学模型 时,对车体、摇枕、侧架等刚体,通过争的来定义,所有零部件之 间的运动连接形式用铰和约束来定义。转向架上的弹簧、减振器、 止挡等以力元件的形式来定义,同时定义各个零部件的自由度,其中,车体 具有沉浮、横移、纵移、点头、摇头以及侧滚个自由度:摇枕具有摇头和侧 滚 个自由度;侧架具有沉浮、横移、纵移、点头、侧滚以及摇头个自由度;轮对 同 样具有所有空间自由度,具体情况见表.。 表.车辆组成部件及其自由度数 .. 摇枕 车体 轮对 侧架 部件名称 数量 自由度 在确定车辆模型中的刚体和自由度数目后,建立刚体闻的合理连接,便成为 建立模型的关键。其中,车体通过心盘与摇枕连接,在上下心盘的两侧设有间隙 旁承,车体的运动和作用力通过心盘传递给摇枕,摇枕通过弹簧、摩擦楔块与侧 架连接,侧架又通过导框与轮对的承载鞍连接在一起‘。 车辆动力学模型 .三车动力学仿真模型 对于机车车辆动力学的研究,过去的工作主要集中在单节车辆,列车动力学 也主要研究纵向动力学问题,即研究列车的操纵,牵引和制动引起的纵向冲动问 题,很少研究包括各节车辆三维振动的列车系统动力学问题。单辆车的运行结果 代表了车辆的基本运行规律,但车辆在运行时要编于整列车中,对于列车动力学 来讲,车辆与车辆之间通过车钩缓冲装置联接起来,钩缓装置不仅传递车辆间的 牵引力,也传递车辆间的横向和垂向力,可以说车辆之问是相互耦合的。并且当 列车中车辆处于不同的线路横断面时,车钩力的横向分量会增大轮轨间横向作用 力,有可能导致列车横向拱曲、轨排横移及脱轨;列车中车辆处于不同的线路纵 断面时,车钩力的垂向分量有可能导致列车向上拱曲、钩舌断裂及脱钩,因此, 有必要对列车三维动力学进行研究。另一方面,重载是我国铁路运输的重要发展 模式,所带来的必然结果是货运列车车辆间作用力明显增加,要解决上面所出现 的问题,也只有通过分析列车动力学来进行【】。 列车三维动力学研究与单辆车动力学的研究有很大差别,既要考虑车辆的动 力学反应,又必须研究车辆间的相互作用,但列车系统动力学的建模和仿真又是 以单个车辆动力学研究作为基础的。本节在单车动力学模型的基础上,把列车离 散成单个的车辆,车辆之间以弹簧连接,通过车端连接装置把车辆的垂、横、纵 三个方向的运动和力的传递耦合在一起,建立了列车的三向耦合动力学模型。由 于仿真软件对模型自由度容量的限制以及计算速度和时间的影响,本文只考虑了 由三节货车组成的列车模型见图.,三节车辆是列车模型中的最小单元,既 包括端部车辆又有中间车辆,所以基本上可以模拟列车中不同位置车辆的运行情 况,能基本反映列车系统的动力学性能,可以进行转向架参数和车端连接装置参 数对列车动力学性能影响的研究。本文应用该模型主要是进行列车重心高度的研 究,并与单节车辆模拟得出的重心高度进行比较分析。 北京交通大学硕士学位论文 图. 软件中三车动力学模型 .. .轨道不平顺激扰 一般情况下所谓的轨道位置都是指名义值,实际上由于建造时的误差、使用 时的变形,轨道的实际位置与名义位置有一些差别。实际位置与名义位置之间的 差值称为轨道不平顺,这些不平顺一般是随机不平顺。 轨道不平顺是引起轮轨系统产生振动的主要根源,是机车车辆轨道系统的激 扰函数,它直接影响轮轨相互作用及列车运行的安全性和平稳舒适性,甚至对货 物的损坏也有不可忽视的影响。各种轨道不平顺还是线路方面直接限制行车速度 的主要因素,也是直接影响轨道和车辆部件使用寿命和养修费用的主要因素,因 此对车辆动力学性能进行分析时,决不可忽视轨道不平顺的影响。 ..轨道不平顺的分类‘” 车辆动力学模型 轨道不平顺是由两根钢轨在垂向和横向的实际位置和名义位置的偏差引起 的。设在线路同一横截面处,左侧钢轨顶部实际位置与名义位置垂向偏差为; 横向偏差为;右侧钢轨顶部实际位置与名义位置的偏差垂向为,横向为。 由于轨道是由两根钢轨组成,其不平顺是由左右两根钢轨不平顺组成的,为了表 达和分析方便,轨道不平顺可以分为下面四种,如图.所示: ~.三曩, 平~。 图.轨道常见不平顺示意图.. 、轨道垂向不平顺,即轨道面实际中心线与名义中心线上下的差距,其值 为左右钢轨实际位置与名义位置在垂向偏差的平均值,即 乙【孙】/,或称轨道高低不平顺,这种不平顺给轮对一个垂向激扰, 引起车辆和轮对之间的垂向振动和轮轨之间的垂向作用力。 、轨道水平不平顺珞,是指轨道同一横截面下,左、右钢轨项面的高差 %一,轨道水平不平顺,使轮对产生侧滚激扰,引起车辆横向振 动和侧滚振动并产生相应的轮轨力。 、轨道方向不平顺,即实际轨道面中心线与名义中心线的横向偏移,其值 为左右两钢轨横向偏差的平均值可表示为儿工蜘】/,轨道方向不 平顺给轮对一个横向激扰,引起车辆和轨道的横向振动及相应的轮轨作用力。 、轨距不平顺。,即实际轨距与名义轨距的偏差可表示为 耽一%力。轨距不平顺改变左右轮轨接触点的位置,引起轮对的上下 移动,产生车辆的垂向振动和钢轨的横向振动以及轮轨间的相互作用力。 ..轨道不平顺的描述 轨道不平顺的形成和发展是很多随机性的因素共同作用的结果,这些因素包 括线路施工过程偏差、路基的不均匀沉降、道床的变形累积、机车车辆时刻变化 的动力作用等等,因此各种轨道不平顺都具有随机性,都是不规则的,一般是里 程的随机函数,其波长和波幅都是随机变量。轨道不平顺的随机性特征决定了对北京交通大学硕士学位论文 某段轨道不平顺的描述不能用一个明确的数学表达式来表示,只能用描述随机数 据的均方值、标准差、功率谱密度等统计函数来表达。 轨道不平顺可用轨道检测车测量,并做出记录,描述轨道不平顺可以有两种 方法: 、时域表示法 轨道检测车某次检测测得的轨道样本记录作为时间的函数直接以瓦, ,,形式记录下来,其中为检测车的运行时间。但是从铁路实际 来讲,用时间函数来表示轨道不平顺并不方便,一般采用纵向距离的函数来 表 示轨道不平顺,即用乙力,%,儿?,只功。 时间变量和距离变量之间关系十分简单,即:或/ 其中一线路纵向延伸距离: 一车辆运行速度; 车辆运行时间。 虽然轨道不平顺用线路纵向延伸距离的函数表示,而不是用时间的函数来描 述,但为了方便仍采用力学中习惯上采用的“时域”的名称。 、频域描述法 上面讨论的轨道不平顺实测样本仅是一次检测记录所构成的一个样本,但在 相同条件下对同一种线路不平顺进行多次测试,每次的记录并不相同,这些 不同 的样本表现出不确定性,不重复性和不可预测性,但是这些样本存在着同样 的统 计规律性,因此轨道的不平顺可采用统计方法来描述。铁路技术部门描述轨 道不 平顺时最常用的方法是采用功率谱密度函数,即把大量的线路不平顺样本经过数 学处理后,拟合成某线路区间或某等级线路的功率谱密度函数。功率谱密度 是表示不平顺波形按不同频率分布的情况,是表述作为平 稳随机过程的轨道不平顺的最重要和最常用的统计函数,功率谱密度的物理意义 即为单位频率带宽内的均方值,它可以反映不平顺样本中的各种频率成份,既能 反映规律成份,又能反映随机成份。 ..轨道谱的选定 在对车辆进行动态响应分析时,首先应迸行轨道谱的选定,因为轨道几何形 状的变化是引起车辆系统各种动态响应的主要原因,为了研究轮轨间的相互作用, 预测和分析车辆各动力学性能,必须首先了解轨道几何状态和参数变化的特征及 其描述。 国内有关部门曾对某些个别线段的轨道不平顺进行过测量和分析,但目前还车辆动力学模型 未建立起统一标准的谱密度函数表达式。而且我国货车车辆属于全路所用,运行 区间遍及全国,因此个别线段的轨道不平顺不足以代表车辆在所有线路上所 受到 的激励,在这种情况下借用别国建立的统一标准的谱密度函数表达式具有一定的 现实意义。由于我国与美国的轨道在结构上比较相似,线路状况也相近,因此在 进行仿真计算时,可以借用美国北美铁路协会轨道谱的标准。 美国联邦铁路管理局用轨检车测量了近铁路的轨道不平顺,根 据实测资料得出了轨道不平顺功率谱密度曲线,并进而将其拟合成一个以截断频 率和粗糙度常数表示的偶次函数,其波长范围为.~.。根据轨道不平 顺的大小,轨道被区分成六个等级,功率谱等级越大线路情况越好。 对实测的轨道谱密度进行曲线拟合后便得到轨道不平顺的分析式如下州 单位:?阳肌: 垂向不平顺为:鼠葡五丽 方向不平顺为: ?? 最硒五丽: 水平不平顺和轨距不平顺具有相同的谱密度表达式:墨西予‰ 式中,为系数,以、为表征不平顺程度的参数,和为截断波数,为空 间波数。 研究表明,取.时可使计算值与实测值较为接近。以、、、是 与线路等级有关的常数。在五级线路中: 以.‘/ :.’ :./ ./。 按美国轨道谱的标准,功率谱等级越大线路情况越好。对于货车,级线 路上所能运行的最高车辆速度为/,级为/,级为/,美国级 线路谱相当于我国正线上的一级线路,具有较典型的代表意义,因此本文在计算 时主要选用美国级线路谱。北京交通大学硕士学位论文 .车辆动力学计算内容 车辆运行的好坏、运行品质如何一般是从其运行稳定性、平稳性和动态曲线 通过性能三方面来衡量的,下面就分别介绍一下这三方面的内容。 ..车辆运行稳定性 横向稳定性作为列车安全运行的首要问题之一,一直为人们所关注。一旦车 辆系统出现了蛇行失稳,将恶化其运行品质,大大降低其运行平稳性,导致轮轨 间强烈的相互作用,引起严重的轮轨磨耗,对线路造成严重的危害,甚至会发生 脱轨的危险。因此,对于货车动力性能的评价,横向动力学稳定性的研究具有极 为重要的意义。 车辆蛇行临界速度是表征车辆横向稳定性的重要参数,蛇行运动是具有一定 形状踏面的铁道车辆轮对沿着平直的钢轨滚动时,产生的一种振幅有增大趋势的 特有运动,轮对一边横向移动,一边又绕通过其质心的铅垂轴转动的一种自激振 动,轮对的蛇行运动会诱发转向架和车体在横向平面内的振动。车辆蛇行运动临 界速度是指车辆蛇行运动的各种振形中,只要有一个振形的幅值在某速度下率先 达到既不扩大也不衰减呈等幅稳态振动,而其它振形均呈衰减振动,那么这时的 速度就称为车辆蛇行运动临界速度。一般小于临界速度时车辆是稳定的,大于临 界速度车辆就失稳。 为计算车辆蛇行运动的临界速度,使车辆在理想的光滑平直轨道上运行,在 不同运行速度下给轮对一个初始横向位移,这时车辆以任何速度运行下去,轮对 都会有大小不等的横向蛇行运动,如果这个蛇行运动是逐渐减弱的,最后振幅趋 向于零,则认为车辆在该速度下运行是稳定的,如图.;如果这个蛇行运动是 逐渐增大的,则认为车辆是发生失稳的蛇行运动,如图.”;如果蛇行运动的振 幅既不收敛也不发散而保持不变,则此时相对应的车辆运行速度就称为车辆的蛇 行运动临界速度,见图.。 车辆动力学模型 轮对横移量收敛的情况轮对横移量发散的情况 轮对横移量保持不变图.不同速度下车辆轮对横移量的分布情况 ? .. 北京交通人学硕士学位论文 ..车辆运行平稳性 对车辆系统整体动力学性能评判的另一个重要指标就是车辆系统的运行平稳 性,对于货车来说,车辆的运行平稳性性能即在运行中产生的各种振动响应的程 度,它直接影响到所运输货物的完整性和安全性。而车辆振动的大小除与线路等 级有关系外,还和车辆系统的转向架结构和悬挂参数有关。 铁道车辆的运行平稳性可以用垂向和横向平稳性指标来评价,也可以用车体 横向和垂向振动加速度来分析,在本文中我们采用后者。 ..车辆动态曲线通过性能 在整个铁路运输线路上,曲线线路是不可避免,特别是在我国一些山区的区 段中,曲线线路更是占了比较大的比重,并且曲线半径也比较小。一直以来,曲 线通过的动力学问题一直是车辆动力学课题中的一个重要领域,曲线通过能力也 是衡量车辆系统性能的一个重要指标之一。具有良好的曲线通过性能的车辆, 意 味着在曲线通过时轮轨间的作用力较小,从而能减轻轮轨间的磨耗,降低轮对噪 音、减少轮轨的维修费用等等,而过大的侧向力会导致轨距加宽,轨排横移或钢 轨翻转,破坏线路,危及行车安全;此外当车轮上横向力较大而垂向力较小时, 还容易使车辆的抗脱轨安全性能下降。 曲线线路主要由缓和曲线及圆曲线组成,其中缓和曲线的超高和曲率是不断 变化的,而圆曲线的超高和曲率是常数。车辆由直线驶入曲线,特别是通过缓和 曲线时,轮轨之间将产生复杂的轮轨作用力,这些作用力是随着车辆运行距离而 不断变化的,因此车辆通过曲线特别是缓和曲线时的响应是一个动态过程。 在软件中,曲线轨道的设置允许选择单一弯轨道和形曲线轨道。为 使模拟具有普遍性,本文中选择形曲线作为列车动力学模型的曲线轨道形式,并 主要选取了两种曲线工况,具体设置情况将在以下章节介绍。 .车辆动力学性能评定标准 车辆动力学计算的内容繁多,所涉及到的标准也较多。在进行动力学计算之 前,首先介绍一下适合本文的动力学评价标准。 .《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定》对车辆动力学性能标 准作了详细的规定,主要包括以下几方面:?车辆脱轨系数标准;?轮重减载率 标准;?横向力标准;?垂向力标准;?车辆运行平稳性标准;?蛇行运动稳定 车辆动力学模型 性标准等等,各项内容具体说明如下。 ..车辆脱轨系数标准 设有一车轮已经开始爬轨并达到临界点,取轮缘上轮轨接触斑为隔离体,见 图.。作用在接触斑上的车轮垂向力为,横向力为,钢轨作用在接触斑上的作 用力有法向力,阻止车轮向下滑动钢轨给接触斑的摩擦力为肚,设轮缘角为。 接触斑在以上各力的作用下处于平衡状态,即车轮处于向下滑而不能滑动的状态。 将作用于接触斑上的力分解为法线方向和切线方向的分量后可求得车轮爬轨的条 件:解方程式得 立:兰璺鱼二坐 ?.七社 式中:一最大轮缘倾角; ??轮缘与钢轨侧面的摩擦系数。 .‘? 一 图.轮轨接触面上的受力关系 /.. 式.即为目前被广泛应的表达式。/称为脱轨系数,它是表示车 轮脱轨危险程度的量,也是判定车辆运行安全性的尺度。由公式可知,脱轨系数 临界值的大小与轮轨间的摩擦系数和轮缘角有关。轮缘角越小、摩擦系数越大, 北京交通大学硕士学位论文 脱轨系数的临界值就越小,表明越容易脱轨。 根据规定,当横向力的作用时间大于.时,脱轨系数标准为: 容许值/.; 安全值/.。 ..轮重减载率标准 由以上分析可以看出,影响脱轨的主要参数是作用于车轮上的横向力和垂向 力,如果两者之比值变大,就将引起脱轨。以往大多认为横向力过大是脱轨的主 要原因,但近年来在实际运用中发现,在横向力并不很大而一侧车轮严重减载的 情况下,也有脱轨的可能。有人将这种脱轨称作悬浮脱轨,实际上悬浮脱轨也是 爬轨的一种特定型式,但在这种脱轨中起主要作用的不是横向力的增大,而是垂 向载荷的减小。 轮重减载与车辆脱轨的关系为: 一只一只 ?. 最眉 式中, 等?轮重减载率; ?轮重减载量 丑?减载侧轮轨间垂向力,; 最一增载侧轮轨间垂向力,; 尸一左右车轮平均轮轨垂向力,即轮重,; 我国规定轮重减载率标准为:容许标准垒 .; 安全标准等卯. ..倾覆系数标准 目前,我国采用倾覆系数来评定车辆的倾覆稳定性,倾覆系数的定义: /式中,为在横向力作用下轮轨间垂向力变化量,; 为无横向力作用时轮轨间垂向静载荷,。 当时,减载侧轮轨间的垂向力为,此时车辆处于倾覆的临界状态。 当时,两侧车轮轮压相等,车辆的倾覆稳定性最好。车辆动力学模型 根据.规定,当倾覆系数.时,车辆运行处于安全状态。 ..横向力和的标准 轮轨间横向力过大时会造成轨距变宽,道钉拔起或引起线路严重变形,如钢 轨和轨枕在道床上横向滑移或翻转等,因此轮轨间最大横向力应该限制,其 标准 如下: 道钉拔起,道钉应力为弹性极限的横向力标准:. 道钉拔起,道钉应力为屈服极限的横向力标准:雯.虬 在本文中,按照转向架的轴重可计算得:曼.; . 按照规定轮轴横向力标准为: 混凝土轨枕 ?. .?半, 在本文中该标准为: 式中:一轮轨横向力,: .?轮轴横向力,; 。、。卜。一分别为车轮平均、左轮、右轮静载荷,。 ..轮轨垂向力标准 根据本文所分析车辆的动力学性能,在此只需考察轮轨间的低频响应力,按 照.《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中的规定,车辆轮轨垂 向低频响应力标准应取为。 ..车辆运行平稳性标准 车体垂向、横向振动加速度是货车运行平稳性的评价指标,其最大值必须满 足货车振动强度的要求。借鉴和参考国外在这方面的经验,货车车体振动加 速度 幅值的最大值标准见表.。 北京交通大学硕士学位论文 表.货车运行品质标准及评定四 . 运行品质 不能长期运用 长度运用危险 优等 良好 满意 容许 评定 对强度不利 有损车辆强度 车体 垂 . . .~. .~. .~. . 向 加速 度 横 . . .~. .~. .~. 之. /“ 向 本章小结 本章建立了完整的车辆动力学模型,在建立车辆模型时详细考虑了车辆中的 各种非线性因素,以求使模型更加接近于实际车辆。并在单车模型的基础上, 以 三节车为单元建立了简单的列车模型,并介绍了车辆动力学性能计算的内容 及其 评价标准,车辆运行的稳定性、平稳性及动态曲线通过性能一直是铁道车辆 研究 的三个重要方面,其中车辆横向稳定性主要由蛇行临界速度指标来评定,平稳性 由车体横向及纵向加速度来反映;曲线通过性能的评定标准较多,如:脱轨系数、 轮重减载率等。几个重要参数的分析 几个重要参数的分析 根据建立的车辆动力学仿真模型,通过对车辆运行的稳定性、平稳性和动态 曲线通过性能的计算对车辆系统的参数进行优化。参数优化过程是在转型转向 架的基本结构确定后,以原始参数为基础参见附录,通过变化其中一个参数而 保持其它参数不变的情况下分析该参数对车辆动力学性能的影响情况。根据前人 的研究经验,本文选择几个对车辆性能有较大影响且具有代表性的参数进行分析 研究,它们分别是:轴箱与导框问的摩擦系数、横、纵向间隙、横、纵向定位刚度 及心盘与车体间的摩擦系数等。因为对参数性能的研究是对各模拟结果进行相对 的比较分析,与具体运行工况无关,所以设置比较宽裕的线路工况,其中在计算 车辆运行平稳性时采用美国五级轨道谱作为线路随机不平顺输入,车辆运行速度 为/;在进行动态曲线通过性能分析时,设置曲线工况一工况二见以下章 节为:型线路其中缓和曲线为,圆曲线长,曲线半径, 曲线外轨超高,夹直线长为,曲线模型在软件中的实现情况见 图.所示,曲线半径为我国级线路允许的最小半径,考虑到该车实际运行速度 不高,曲线外轨超高设置为,并且在计算中未考虑轨道不平顺的影响,这 对进行曲线通过时的参数优选研究是可行的。车辆的装载情况为满载,重车重心 在纵向上无偏移,横向偏移,重心高度为,考虑到该车的实际运行 情况,本文车辆的主要运行速度为/,接近转转向架的商业运营速度。 图.模型中曲线轨道的设置 .. 北京交通大学硕士学位论文 .轴箱摩擦系数的分析 在计算车辆的蛇行临界速度时,首先给轮对一个的横向偏移量,然后让 车辆在不同的速度下沿着平顺无激扰的轨道运行,观察系统振动振幅的衰减或发 散情况;在计算车辆平稳性时,先让车辆在一段平直无激扰的轨道上运行,在本 文中设置为,然后在一段足够长的具有美国级谱激扰的不平顺轨道上运行。 ..轴箱摩擦系数对车辆稳定性的影响 在模型中依次取轴箱的摩擦系数为:.、.、.、.、.、.、.、 .,其各系数对应的临界速度情况见下表.: 表.轴箱摩擦系数与相应的车辆临界速度 ... . . . . . . . 轴箱摩擦系数 蛇行临界速度由表中数据可知,轴箱摩擦系数对车辆的蛇行临界速度有很大影响,摩擦系 数越小,车辆的临界速度就越低,摩擦系数越大车辆的临界速度越高。其具体变 化趋势见图.: 图.轴箱摩擦系数与车辆临界速度的关系 .. 由图.可知,随着轴箱摩擦系数的增大车辆临界速度也相应变大,但变化幅 度不同,在.~.范围内,临界速度对摩擦系数的变化反应比较敏感,变化幅度 相对较大,当摩擦系数增加到.后临界速度的变化就较为缓慢,并且临界速度并 不是随着轴箱摩擦系数的增大而无止境的增加,而是呈现一定的饱和性,当摩擦几个重要参数的分析 系数增.以后,随着摩擦系数的增加,临界速度不再增加。这主要是由于摩 擦系数增加,轴箱承载面的摩擦力变大,使得摩擦面咬死,不再发生相互运动, 近似于大刚度联接,因此直线运行性能较好。 ..轴箱摩擦系数对车辆平稳性的影响 图.和图.分别给出了不同轴箱摩擦系数下的车体横向、垂向加速度变化情 况,由图可知,随着摩擦系数的增大,车体横、垂向加速度均呈减小趋势。摩擦 系数在.~的范围内对车体加速度影响较大,当摩擦系数较小时,车辆系统运 行的平稳性较差;当摩擦系数逐渐增大车辆平稳性不断改善,在摩擦系数达. 后,横向加速度变化缓慢,.后甚至有稍微的增大;对于垂向加速度,当摩擦 系数达.后其值基本保持不变。 图.轴箱摩擦系数与车体横向加速度的关系 【 .. 图.轴箱摩擦系数与车体垂向加速度的关系 咖 ..北京交通大学硕士学位论文 ..轴箱摩擦系数对曲线通过性能的影响 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 经过缓和曲线到直线的运动关系和受力关系。当车辆通过小半径曲线时,将激起 车辆与轨道的横向耦合振动,轮轨之间产生很大的相互作用力,这对车辆的防脱 轨安全性及轨道的侧向强度均带来不利的影响,并加速车辆和线路间的磨耗和损 坏,增加车辆与线路的保养和维修费用,因此有必要对影响车辆曲线通过性能的 各参数进行研究。 在曲线工况一下,改变轴箱的摩擦系数,得到不同的轴箱摩擦系数所对应的 脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力及轮轴横向力的变化情况,见图.~图.。 由仿真结果可知见图.~图.车辆通