低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真.docx

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低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真

收稿日期:

2002-10-08

作者简介:

沈钢（1963-,男,浙江余姚人,教授,工学博士,博士生导师.E-mail:

elsg@sh163.net

低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真

沈钢1,顾江2

（1.同济大学沪西校区机车车辆工程系,上海200331;2.大连机车研究所,辽宁大连116021

摘要:

针对一实际运行中的低地板面轻轨车辆及其轮轨磨耗问题,采用接触角反推法设计了优化的独立轮踏面外形,并建立了多车体的整列车动态仿真模型及基于SIMULINK的计算模块,分析了踏面外形及轮对内侧距对车辆动力学性能的影响.通过实际运用证明了用接触角设计方法获得的新踏面外形的有效性.在仿真计算模型中对带摩擦旁承的摇枕模型进行了改进,以利于数值处理速度和保证计算精度.关键词:

轻轨车辆;踏面外形设计;动力学仿真计算

中图分类号:

U260.11;TP391.9文献标识码:

A文章编号:

0253-374X（200310-1206-06

StudyofDynamicPerformancesofLowFloorTramcarwithModifiedWheelProfilesDesigned

ViaContac-tangle-curve（CACMethod

SHENGang1,GUJiang2

（1.DepartmentofLocomotiveandCarEngineering,TongjiUniversityWestCampus,Shanghai200331,China;

2.DalianResearchInstituteofLocomotives,Dalian116021,China

Abstract:

AseriesofwheelprofilesarecreatedviaCAC（contactanglecurvemethodforapracticallowfloor

tramcarsufferingfromheavywheel/railwear.ValidationoftheseprofilesarealsoundertakenviacomputersimulationswithanonlineardynamicmodelbasedonSIMULINKforthetramcarconsistingofthreejointedcarbodiesandthreebogies.TheresultsshowbothoftheeffectivenessofCACmethodandtheupdatedmode-l

ingmethodforbolsterswithfrictionside-bearings.Keywords:

light-rai-lvehicles;designofwheelprofile;dynamicssimulation

低地板面列车在城市轻轨交通中已有大量的运用,尤其在西欧国家[1],在我国则刚刚起步.人们在享受有轨交通带来的快捷低价的同时,车辆运行部门也正在承受着因传统转向架结构而带来的负担,尤其在轮轨磨耗及噪声方面[2]

.这种低地板面车辆往往都含有带独立轮的低地板面拖车转向架和带有传统刚性轮对的高地板面动力转向架.如图1所示.独立轮和刚性轮在较小半径的曲线上都会出现较大的轮缘磨耗和踏面磨耗,并且独立轮在直线上因无自导向能力,会出现贴靠一边的现象,因而其轮缘磨耗比刚性轮对更严重.比如法国巴黎的T1/T2线轻轨车每1.5~2.0万km就因轮缘磨耗到限而旋轮,这已经是在润滑良好的条件下的统计数据.图2所示为一用便携式轮踏面外形测量仪WRS2000[3]

实际测量的独立轮踏面轮缘磨耗接近限度时的轮廓曲线,可见踏面磨耗仅0.88mm,而轮缘磨耗已达5mm左右,限度为6mm.当然采用先进的润滑方式是有效的措施之一,但不能从理论上解决这一问题.关键问题是如何使独立轮转向架的设计更趋合理,传统转向架如何适应小半径曲线轨道.本文就其中的关键因素踏面外形,探讨了可能的优化设计方法和对铰接式低地板面轻轨车辆动力学性能的影响.

第31卷第10期2003年10月

同济大学学报

JOURNALOFTONGJIUNIVERSITYVol.31No.10Oct.2003

图1铰接式部分低地板面轻轨车辆结构简图

Fig.1Illustrationofalow-floorcar

图2实测的某踏面轮廓Fig.2Measuredwornwheelprofile

1踏面外形的设计

车轮的踏面外形是轮轨系统的关键因素之一,它不仅关系到稳定性也关系到轮轨的磨耗.对于具

有独立轮的转向架而言,虽然不存在临界速度问题,可以不考虑稳定性问题,但希望踏面具有较高的对中能力,来弥补自导向能力缺乏的问题.但这一点往往被忽视,而简单地将动轮转向架的踏面外形用于独立轮.这与踏面外形设计的传统表达方法[4]也有关,因为这种方法难以直接与动力学参数相关联,导

致设计周期长且难以优化[5]

.

本文采用接触角反推法[6]设计了一组用离散点表示的踏面外形用于独立轮,并通过动力学仿真分析,选择了一个具有较好动力学性能的外形CREAT6型,如图3所示.图中也示出了原踏面外形LRTW型.图4和图5分别为原外形LRWT、新外形CREAT6与50kgm-1钢轨匹配时的接触线图.由图4可见原外形踏面的轮对在轮对横移量小于4mm的范围内,其接触点主要集中在轮缘根部和轨头小圆角部位,可以预见有较大的接触应力,实际的观察结果也证明了这一点.由于接触点的变化范围小,因而左右接触角的变化范围也小,虽然接触角角度值较大,但左右接触角的差值不会大,因而造成期望的刚度反而低.根据这一分析,采用了接触角反推法[6]

即根据原外形LRTW与50kgm-1

型钢轨的计算结果,如图6

中的

图3踏面外形的比较

Fig.3Comparisonoftwowheelprofiles

虚线,用人为的方法直接将接触角曲线修正为期望值,如图6中的实线.这里定义轮对横移量向右侧为正,反之为负.即降低横坐标为负值区段的接触角值,甚至为负值,这样可以使右侧的接触点移向钢轨的顶面,甚至移至钢轨的外侧;同时将横坐标为正值区段的接触角值增大,这样可以使左右侧接触角差增大.反推出踏面外形后再与50kgm-1型的钢轨进行几何匹配计算,图7为求得的左右接触角差随轮对横移量的变化曲线,实线为CREAT6的,曲线为LRTW的.可见新的踏面外形的接触角差在轮对横移量0~1.3mm范围内低于原来的,这样对应的等效斜度也低,假如这个踏面也用于刚性轮对,则有利于稳定性;在轮对横移量1.3~4.0mm范围内,接触角差逐步增大,这有利于轮对在直道上的对中和抵御外加横向力的能力.

1207第10期沈钢,等:

低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真

图4原外形与钢轨匹配时的接触线图Fig.4Contactgraphoftheoriginal

profile

图5新外形与钢轨匹配时的接触线图Fig.5Contactgraphofthemodified

profile

图6单侧接触角随轮对横移量的变化

Fig.6Comparisonofcontactanglefunction

curves

图7左右接触角差随轮对横移量的变化

Fig.7Comparisonofcontactangledifference

curves

图8动力学计算模型简图

Fig.8Diagramofthecalculationmodel

2动力学仿真模型的建立

为了分析设计踏面外形对车辆动力学性能的影响,采用SIMULINK建模工具建立了多自由度的整列车模型.图8所示为动力学模型的计算简图.每节车体有横移、摇头和侧滚自由度,每只构架有横移、摇头和侧滚自由度,刚性轮对有横移和摇头,独立轮对有横移和摇头自由度,但纵向蠕滑力为零.不计轮子的1208

同济大学学报第31卷

滚动惯量.前后动力转向架有摇枕自由度和摩擦旁承,电机为架悬式,计入构架质量中.中间的非动力转向架无摇枕,车体的两根牵引拉杆用一刚度来模拟.车间悬挂有2种,第1辆车与第2辆车体间有上下2个

联结点,计及上下2个横向刚度和下面一点的回转摩擦阻尼;第2辆车与第3辆车体间只有下面1个联结点,计及1个横向刚度及回转摩擦阻尼,可以模拟不同的轮踏面外形、不同的轮对内侧距、不同的车辆载重和不同的轨道类型,如曲线、直线和道岔等.所有干摩擦副的仿真模块采用带有串联刚度的无速度变量方法[7].

3动力学仿真计算结果分析

3.1曲线通过的计算结果

计算了该轻轨车通过一96m半径的曲线轨道时的各项性能指标.计算中设定曲线长度分别是:

直线5m,入缓和曲线50m,圆曲线60m,出缓和曲线50m,原曲线上的超高设置为50mm.恒速通过速度为40kmh-1.计算中比较了2种踏面外形:

LRTW和CREAT6.钢轨型号为50kgm-1,轨低坡为1/40.稳态的典型计算结果如表1所示.表中:

Yw为轮对横移量;w为轮对冲角;Fy为外轮的横向轮轨作用力;W为外轮的磨耗功.

表1圆曲线上的稳态值

Tab.1Steady-statevalueoncurvedtrack

踏面外形动力转向架导向轮对

Yw/mmw/mradFy/kNW/（Jm

-1

拖车转向架导向轮对

Yw/mmw/mradFy/kNW/（Jm-1LRTW5.1814.6121.35311.255.1314.5518.44273.50CREAT64.5813.6317.96248.344.3113.4513.69210.60减小百分比/%

11.58

6.71

15.88

20.21

15.98

7.56

25.76

23.00

3.2对外界干扰力的仿真

为了比较这2种踏面外形的车辆对施加于中间车体的外力的响应,分析2种踏面对列车复原能力的影响,仿真计算了列车在平直道上运行时,当中间车体质心处施加半峰值为1t的交变正弦波的横向外力时轮轨间的响应.图9和图10分别为2种踏面时的轮对的净横向力,可见采用CREAT6踏面的独立轮的净横向力要比LRTW的小35%~40%.轮对的横移量要小1mm左右

.

图9独立轮踏面为LRTW时各轮对净横向力Fig.9Netlateralforcesofeachwheelsets

forLRTW

profile

图10独立轮踏面为CREAT6时各轮对净横向力

Fig.10Netlateralforcesofeachwheelsets

forCREAT6profile

3.3对轨道周期激扰的响应

为了分析2种踏面外形轨道横向周期激扰的影响,观察对中能力.假设有一单一周期的横向位移激扰,横移量峰值为10mm.计算结果如图11和图12所示,分别为独立轮踏面为LRTW和CREAT6时的各轮对的横移量.可见主要区别在于CREAT6踏面轮对的第二波要小于LRTW踏面轮独立轮对的,并且恢复较快.

1209第10期沈钢,等:

低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真

图11独立轮踏面为LRTW时各轮对的

横移量（周期激扰

Fig.11Lateraldisplacementsofeachwheelsets

forLRTWprofile（periodical

excitation

图12独立轮踏面为CREAT6时各轮对的

横移量（周期激扰

Fig.12Lateraldisplacementsofeachwheelsets

forCREAT6profile（periodicalexcitation

3.4通过19m半径曲线（道岔的响应

为了比较2种踏面对车辆通过很小半径的轨道时动态特性的影响,假设了一段由10m长的缓和曲线、2m长的19m半径的圆曲线、10m长的出缓和曲线组成的水平轨道,相当于一段道岔的外形.通过速

度为20kmh-1

.计算结果如图13和图14所示,分别为LRTW踏面和CREAT6踏面时的车辆各轮对的横向位移,可见采用CREAT6踏面的独立轮的横移量峰值要小一些.图15和图16分别为LRTW和CREAT6踏面时的车辆各轮对的横向力,可见采用CREAT6踏面的独立轮的横向力峰值要小25%,并且无不稳定现象

.

图13独立轮踏面为LRTW时各轮对的

横移量（19m半径曲线

Fig.13Lateraldisplacementsofeachwheelsets

forLRTWprofile（19

m

图14独立轮踏面为CREAT6时各轮对的

横移量（19m半径曲线

Fig.14Lateraldisplacementsofeachwheelsets

forCREAT6profile（19m

4踏面运用结果及结论

所设计新踏面经过一年多的试用,发现轮轨接触区域已按设计期望移向踏面中部,原先在踏面根部出现因高接触应力引起的塑性流动已明显消减,表明轮轨接触已趋于合理.同时轮缘磨耗经综合治理（调整轮对内侧距、调整踏面外形、调整材质和设置润滑装置已大大减小,较严重的拖车独立轮的寿命由原先的小于2万km提高到6万km,已超过了法国同类型车辆的水平（2.5万km.表明采用合理的踏面外形可以进一步改善车辆动力学的性能,减小轮轨磨耗.采用接触角反推法设计出既适用于独立轮又适用于刚性轮的踏面外形是可能的.这一方法更适合于较大曲线半径上运行的干线铁路车辆的各种踏面外形的设计

1210

同济大学学报第31卷

第10期沈钢,等:

低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真1211图15独立轮踏面为LRTW时各轮对外轮的横向力Fig.15NetlateralforcesofeachwheelsetsforLRTWprofile图16独立轮踏面为CREAT6时各轮对外轮的横向力Fig.16NetlateralforcesofeachwheelsetsforCREAT6profile和优化.但对于极小半径的城市路面有轨系统而言,不可能光靠踏面外形的优化来解决磨耗问题,必须配备性能良好的轮缘润滑装置.但为了从根本上解决由于轮轨系统固有矛盾带来的轮轨磨耗问题,必须从系统工程的角度,在轻轨项目的初期确定合理的车辆结构、线路条件和运行模式.车辆结构上的选择方案也有多种.参考文献:

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Whatdontweknow?

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203-226.沈钢,黎冠中,李小江,等.轮轨外形的实际测量及几何接触的进一步研究[J].铁道学报,1999,21（5:

24-28.87.机车车辆用车轮磨耗型轮缘踏面外形[S].TB1967WUHu-ming.Designingwheelprofilesforoptimumwearperformance[A].Proceedingof12thInternationalWheelsetCongress[C].Qingdao:

ChinaRailwaySociety,1998.172-180.沈沈钢,叶志森.用接触角曲线反推法设计铁路车轮踏面外形[J].同济大学学报（自然科学版,2002,30（9:

1095-1098.钢.摩擦副仿真模型研究及其在机车车辆动力学中的应用[J].铁道机车车辆,2002,（3:

3-5.下期文章摘要预报剖面叠置思想在地球物理反演建模中的应用陈华根,吴健生,王家林,陈冰平面叠置思想是GIS空间分析的重要组成部分.将平面叠置变为剖面叠置,并把这种技术应用在地球物理二维反演的剖面建模中,这样可以方便地对地球物理多数据进行综合、分析,以点、线、面图形文件的方式动态编辑建模,并通过GIS的格式转换功能方便地与地球物理反演建立接口,这种可视化的建模方式比传统的建模方式有较多的优点.