地铁工程车转向架动力学分析
2020-01-06
来源:步旅网
技术研发 TECHN0L0GY AND MARKET 地铁工程车转向架动力学分析 刘金菊,汪林峰 (南车株洲电力机车有限公司,湖南株洲412001) 摘要:根据地铁工程车的运行工况,为该工程车转向架设计了两系弹簧悬挂系统。为了验证转向架的动力学性能是否 满足运行要求,采用SIMPACK软件对该地铁工程车转向架的动力学性能进行分析、计算。计算结果表明 转向架的整体 性能指标满足设计要求。 关键词:地铁工程车;转向架;悬挂系统;动力学分析 Dynamics analysis of certain metro maintenance locomotive bogie LIU Jinju,WANG Linfeng (CSR Zhuzhou Electric Locomative Co.,Ltd,Zhuzhou 412001,China) Abstract:According to the working load states of bogie of certain metro maintenance locomotive,suspension system lS designed· The ana1vsis 0f bogie is carried out by SIMPACK software in order to Verify the dynamics performance,whether is conform to the mnning requirement.The result of calculation indicate the dynamics performance of bogie can meet the design requirement· Key words:Metro maintenance locomotive;Bogie;Suspension system;Dynamics analysis doi:10.3969/j.issn.1006—8554.2016.O1.O1 1 0 引言 垂向刚度及车辆运行时所需要的纵向和横向刚度。此外,一系 随着城市化进程加快,人口快速增加,地面交通压力骤增, 全国各大城市皆竞相发展地下交通。地铁的建设、运营筹备、 试运用以及正式运营等各个阶段都需要大量的地铁工程维护 车…。目前我国地铁工程车主要以内燃机作为动力,出于环 悬挂还设置有专门的垂向液压减振器,以提供减振作用。 转向架二系悬挂由橡胶弹簧、单侧横向液压减振器等组 成。车体和构架之间采用Z字型拉杆牵引方式。根据最高运 行速度和该地铁车辆行驶时制动距离的要求,转向架的基础制 动装置采用踏面制动方式。 保、节能和工作环境的要求,内电转换是必然的,地铁工程车采 用电力机车是发展趋势 。 某地铁工程车是针对地铁运行工况设计的,为了保证车辆 2载荷工况与计算模型 · 根据该地铁车辆的结构特点,建立了动力学模型,在忽略 安全平稳运行,需要为工程车的转向架选择合适的悬挂系统, 并对工程车的运行平稳性和曲线通过性能进行计算。 1 转向架的基本结构 各部件本身弹性变形的条件下,该地铁车辆可作为离散的多自 由度系统来处理。由于转向架系统中存在非线性因素,车辆垂 向和横向运动紧密耦合,因此在计算模型中将横向和垂向的运 动综合起来作为一个大系统考虑,系统横向和垂向共有27个 自由度。 计算中车辆各刚体的广义坐标如表1所示,计算采用Sier— 转向架主要由轮对驱动装置、构架、一系悬挂装置、二系悬 挂装置、牵引装置、基础制动装置安装、轮缘润滑装置等部件组 成,如图1所示。 pack软件进行,在用Simpack环境下建立的车辆多刚体系统动 力学模型如图2所示。 表1广义坐标 刚体 车体 横移Y 浮沉 侧滚币 点头0 摇头 y Zc 0 前转向架构架 后转向架构架 轮对1 Yf1 .Y't2 肌 。 0 l 2 I l 位 图1转向架的结构 轮对2 轮对3 y y盼 0w2 0m3 tf, 该转向架采用两系弹簧悬挂,轮对采用转臂定位方式,转 臂节点与双卷螺旋弹簧和一系橡胶垫共同构成轴箱悬挂,提供 轮对4 技术与市场 2016年第23卷第1期 技术研发 车体和构架之间设置有横向止档。当二者横向相对运动 量小于止档间隙时,二者之间的横向刚度为橡胶弹簧的横向刚 度。止档接触后,二系横向刚度为橡胶弹簧的横向刚度与横向 止档的横向刚度的并联刚度。 迥0.002 哑II 0l00。 删 茛 4咖 2 哪0 哪2 4 0 50 '00 16O 200 车辆行程/m (c)临界 图3车辆蛇行运动稳定性示意图 3.2车辆运行平稳性计算 在运行平稳性分析中,同时考虑车辆的横向和垂向两个方 图2动力学计算模型 向的运动。因此,车辆系统在直线上的运动可用以下非线性微 3动力学计算原理 分方程组进行描述: 3.1 车辆运行稳定性计算 [M]{ }+F( , )=F( ) (2) 蛇行运动是由于带有锥度的整体轮对在钢轨上运行而产 式中: 一状态矢量; 一质量矩阵;F( , )一非线形悬挂 生的振动。对于非线性的车辆系统,蛇行运动的微分方程也是 力矢量;F(£)一激扰力矢量 非线性的。地铁车辆可采用一个多自由度的系统来模拟整车 由于外力是通过钢轨对轮对的强迫位移激振而得到,所以 的蛇行运动,其微分方程组的矩阵形式为: 公式(2)右端外力向量F(t)仅为轨道不平顺的函数。通过采 [M]{菇}+c( , )+ ( ,菇)=0 (1) 用时域内轨道不平顺的输入,用逐步积分法求解非线性系统的 式中: 一质量矩阵;G( , )一非线形悬挂阻尼力; ( , 响应,即求解公式(2)的初值问题: )一非线形悬挂弹簧力; 一状态向量 · f【 Y (t。)=Y ,l’一 (t0 ,o)= ,Y’l…‘ (3) 计算中使车辆在初始位置时偏离轨道中心线,然后释放并 以速度V运行。车辆运行一定里程后,通过观察车辆系统各刚 激扰力是由于轨道不平顺引起的。轨道不平顺包括4种 体的位移随车辆行程的变化情况来判定非线性车辆系统的蛇 不平顺量:轨距不平顺、方向不平顺、水平不平顺和高低不平 行稳定性的临界速度,..九r 川n●一f=r 一J=_- 丌●f 攀jf如图3所示。如刚体位移随车辆行程逐 .r—一 顺,计算中用这些轨道不平顺作激扰输入。由于没有实际线路 渐减小,即收敛,则车辆的运行是稳定的(图3(a));如刚体位 不平顺谱,故根据地铁工程车辆实际运用情况,计算中按美国 移发散,则车辆处于失稳状态(图3(b));如刚体位移既不收 V级线路考虑,如图4所示。 敛,也不发散,处于临界状态(图3(c)),^===H一 此时相对应的车辆运 3.3动态曲线通过性能计算 行速度称为车辆的蛇行运动临界速度V。^===U 一 。 线路曲线是由超高、曲率不断变化的缓和曲线和超高、曲 n=====二¨=== 一 率都固定的圆曲线组成的。车辆由直线驶入曲线,特别是通过 九===八 一 缓和曲线时,由于各种激扰因素的输入,轮轨之间将产生复杂 八~ 『_ 的轮轨作用力,这些因素对车辆不同部位的作用都是各不相同 的,也是随车辆运行距离而不断变化的。因此车辆通过有限长 的曲线(特别是缓和曲线)时的响应是一个动态过程。这一过 程可用一多自由度的整车模型来摸拟,通过数值积分法求解轮 轨相互作用力及车辆的横向动力性能。车辆通过曲线时的非 50 100 150 200 线性运动微分方程的矩阵形式为: 车辆行程/m [M]{ }+G( , )={ } (4) (a)收敛 式中:[ ]一质量矩阵;G( ,菇)~非线性悬挂力;{ l~状 态矢量;} }一外界激扰矢量。其中包括曲线半径变化、超高 变化、陀螺效应、轨道不平顺等引起的轮轨力和离心力。 利用计算程序求解公式(4),可求出车辆各部件的位移、速 度、加速度响应以及悬挂力等。计算结束后,根据所有记录可 绘出车辆运动的全部历程。 4计算输入参数 60 TOO T60 该地铁工程车动力学性能计算的原始参数列于表2中。 车辆行程/m 一系垂向减振器、二系横向减振器及横向止挡的非线性特性如 (b)发散 图5所示。 29 技术研发 TECHN0L0GY ANDⅣ【ARKET Vo1.23,NO.1,2016 10 10 5 O 厦颦幂 营l/坚 幢 察 5 —10 O 200 400(500 B00 100O 位移/m (a)左轨横向不平顺 1O - l位移/m (b)右轨横向不平顺 5 I I0 I I l l1 I.。 I I 0 200 400 -5 唇\餐 叵 器 0 量\鍪 5 厘 辞 0 1O 600 I1O 800 1000 200 400 600 8O0 1000 位;I彰,m (C)左轨垂向不平顺 位移/m (d)右轨垂向不平顺 图4美国V级线路不平顺 表2动力学性能计算部分原始参数 符号 Mt 意 义 单位 t 数值 农 wx)0 一个构架质量 3.87 Mc 车体质量 t 41.14 Kpxg 每轴箱螺旋弹簧纵向刚度 MN/m Kpyg 每轴箱螺旋弹簧横向刚度 MN/m 0.221 2 0.221 2 - ̄,00 Kpzg 每轴箱螺旋弹簧垂向刚度 MN/m Kpxd 每轴箱橡胶垫纵向刚度 MN/m 0.361 5 0.4 / / 埔OO 1.00O 2.00O 0∞ Kpyd Kpzd 每轴箱橡胶垫横向刚度 MN/m 每轴箱橡胶垫垂向刚度 MN/m O.4 r5o ̄ 7.1 Kpxz 每轴箱转臂节点纵向刚度 MN/m 12.0 速度v×10-2m/s (a)一系悬挂垂向阻尼 毒 u_ Kpyz 每轴箱转臂节点横向刚度 MN/m Kpzz 每轴箱转臂节点垂向刚度 MN/m 6.5 12.0 Ksx Ksy Ksz a0 b L Bp 二系橡胶弹簧纵向刚度 MN/m 二系橡胶弹簧横向刚度 MN/m 二系橡胶弹簧垂向刚度 MN/m 名义滚动圆跨距 转向架轴距 车辆定距 一系悬挂横向跨距 m m m m O.21 0.21 3.5 1.493 2.2 7.06 2.0 收 / / 速度vx1 nt/s (b)二系悬挂横向阻尼 Bsk R 二系弹簧横向跨距 车轮名义滚动圆半径 m m 1.94 0.420 Hs 橡胶弹簧上平面距轨面高度 m H 车体重心距轨面高度 m 0.956 1.492 技术与市场 2016年第23卷第1期 技术研发 加速度和最大垂向加速度均小于2.5,最大横向加速度均方根 值小于0.5,最大垂向加速度均方根值小于0.75,满足UIC518 标准要求。同时,在90 km/h速度内,该车的横向和垂向平稳 性指标均小于2.5,达到GB5599—85的优级标准。 5.3 曲线通过安全性能 计算曲线通过时,根据不同的线路曲线半径设置了不同的 超高和缓和曲线,具体的线路条件如表7所示。 线路是按美国V级线路谱考虑。计算中输出车辆通过曲 线时的轮轨横向力Q(kN)、轮轴横向力H(kN)、脱轨系数Q/t" 和轮重减载率Ap/p等安全性指标,同时计算了磨耗指数 翅l0发v 10-2Ⅲ/ (kN.deg),其是轮轨横向力与冲角的乘积。 (c)二系横向止挡 地铁工程车在各种线路工况下各项动力学性能指标的最 图5横向止挡及各阻尼减振器非线性特性 大值,列于表8中。 5动力学计算结果 表7曲线通过线路设置 5.1车辆运行稳定性 曲线半径 超高 缓和曲线长 圆曲线长 最大欠超高 通过速度 在新轮情况下,地铁工程车的运行稳定性如表5所示。 (m) (mm) (m) (m) (mm) (km/h) 表5地铁工程车运行稳定性(单位:km/h) 250 120 90 1O0 60 61.75 踏面等效斜度 新轮 400 8O 70 150 60 68.9 临界速度 200 6o0 50 60 120 60 74.8 由表5可见,在新轮的轮轨状态下,地铁工程车的非线性 1 000 20 50 100 55 80 , 临界速度较高,达到了200 km/h,能够满足运行要求。 表8 曲线通过时各动力学性能指标 5.2车辆运行平稳性 根据GB5599—85规定,客车运行平稳性采用车体上心盘 R(m) q(kN) H(kN) Q,P P,P 耽(kN·deg) 偏离横向1 000 mm处地板面上的最大横向加速度Ay、最大垂 250 46.7 21.0 0.576 0.25l 24.9 向加速度 、横向平稳性指标Ivzy和垂向平稳性指标IVzz来表 400 36.6 16.7 0.423 0.186 12.9 示。根据UIC518—2005规定,牵引单元和客车的运行平稳性 600 21.5 15.7 0.177 0.362 7.0 采用车体前后转向架中心上方地板面上的最大横向加速度 1 000 9.6 14.4 0.173 0.252 2.4 4y、最大垂向加速度 、最大横向加速度均方根值Ayrms和最 1 500 8.7 14.6 0.216 0.149 2.2 大垂向加速度均方根值Azrms来评定。因此,本计算同时将这 从表8的计算结果可知,地铁工程车以表7中设置的各种 几个指标计算出来进行衡量车辆的运行平稳性。 线路工况通过曲线时,轮轨横向力Q(kN)、轮轴横向力口 该地铁工程车运行的横向和垂向平稳性指标以及最大横 (kN)、脱轨系数Q/t"和轮重减载率△P/尸等安全性指标都满 向和垂向加速度、最大横向加速度均方根值和最大垂向加速度 足GB5595—85要求。 均方根值的变化情况如表6所示。 6结语 表6地铁工程车运行平稳性(美国V级线路谱) 1)车辆直线运行稳定性预测结果如下:在新轮情况下,非 \\ 项目 A), Ayrms Azrms 线性临界速度达到200 km/h,车辆运行稳定性均能满足运行要 VIzy 耽z (m/s ) (m/s ) (m/s ) (m/s ) 求。 40 1.85 1.88 0.29 0.86 0.07 0.21 2)车辆直线运行平稳性预测结果如下:在美国V级线路 上运行时,在90 km/h速度范围内,该车的最大横向加速度和 50 1.89 2.04 0.3l 0.93 0.08 0.27 最大垂向加速度均小于2.5,最大横向加速度均方根值小于0. 60 1.91 2.14 0.32 1.12 0.09 0.32 5,最大垂向加速度均方根值小于0.75,满足UIC518标准要 70 1.86 2.13 O.33 1.22 0.09 0.30 求。同时,在90 km/h速度内,该车的横向和垂向平稳性指标 均小于2.75,达到GB5599—85的良级标准。因此,在最高运 80 1.88 2.13 0.34 0.98 0.09 0.30 行速度范围内,地铁工程车的平稳性满足要求。各速度等级 9O 1.98 2.29 0.36 1.20 0.11 0.38 下,地铁工程车的动力学性能优良,平稳性指标均小于2.5,达 从表6中地铁工程车运行平稳性的计算结果可知,在美国 到GB5599—85的优级标准。 v级线路上运行时,在90 km/h速度范围内,该车的最大横向 (下转第33页) 37 技术与市场 技术研发 2016年第23卷第1期 . n2 1+ . n2 l 23 —— 一 123 传动比i大于1且为正值,因此为同向减速传动,且为最 、传动比i绝对值小于l表示是增速传动。式中负号表示 小速比减速档。 主动件与从动件转向相反。故可实现增速倒档传动。 因此,当齿圈按顺时针方向转动时,各行星轮既要分别 因此,当行星架被固定动时,各行星轮只能自转而无公转。 绕各自的轴沿顺时针方向转动(即自转),还要绕太阳轮沿顺 此时行星轮作为惰轮使从动轮(太阳轮)与主动轮(齿圈)反向 时针方向滚动(即公转),同时带动行星架沿顺时针方向减速 转动。 转动。 2.2连接任意两元件时的工作状态 4)太阳轮固定,行星架为主动件(输人),齿圈为从动件 任意两元件互相连接,也就说n。等于n 或n。等于 ,则 (输出) 由式(1)可知,第三个基本元件的转速必与前两个基本元件的 在太阳轮固定(n =0)的前提下,由式(1)可得传动比 转速相同。即行星齿轮机构连接成一个整体,所有元件均无相 i32为 对运动。此时传动比为1,为直接档。 一 一 2.3无固定元件时的工作状态 一—n21+ 在太阳轮、齿圈和行星架3个元件中,如果所有元件都不 传动比i小于1且为正值,因此为同向增速传动。 受约束(固定),任何2个元件也没有联锁成一体,则各元件将 因此,当行星架绕固定不动的太阳轮按顺时针方向转动 自由转动,即当输入轴转动时,输出轴也可不转动。因此不论 时,就会带动各行星轮绕太阳轮沿顺时针方向转动(即公转), 以哪2个基本元件为主动件和从动件,都不能传递动力,行星 还要绕各自的轴顺时针方向转动(即自转),同时带动齿圈沿顺 齿轮机构处于自由状态,即为空档。 时针方向增速转动。 3结语 5)行星架固定,太轮轮为主动件(输入),齿圈为从动件 自动变速器是汽车上常见的总成,自动变速器机构复杂, (输出): 是目前汽车维修业中的一个难点。只有充分了解自动变速器 在行星架固定(n =0)的前提下,由式(1)可得传动比 .的变速原理,才能正确诊断自动变速器故障。 l2为 参考文献: .1 12=——=一 [1] 刘志忠,丁矗.汽车自动变速器原理与检修[M].北京: n2 传动比i绝对值大于1,表示是减速传动。式中负号表示 清华大学出版社,2014. . [2] 张国瑞,张展.行星传动技术[M].上海:上海交通大学 主动件与从动件转向相反。故可实现减速倒档传动。 出版社.1999. 因此,当行星架被固定动时,各行星轮只能自转而无公转。 [3] 刘磊,舒华,董宏国.自动变速器行星齿轮机构的运动 此时行星轮作为惰轮使从动轮(齿圈)与主动轮(太阳轮)反向 规律与变速原理[J].汽车电器,2011(1):23. 转动。 6)行星架固定,齿圈为主动件(输入),太轮轮为从动件 作者简介: 赵海宾(1978一),男。河北魏县人,讲师,毕业于河北工业 (输出): 在行星架固定( =0)的前提下,由式(1)可得传动比 大学。硕士研究生。研究方向:汽车电子控制技术及故障诊断。 i21为 (上接第31页) 力机车与城轨车辆,2010(4). 3)车辆曲线通过安全性预测结果如下:地铁工程车以表7 [2] 秦小凤.电力蓄电池双能源地铁工程车的发展与应用 中设置的各种线路工况通过曲线时,轮轨横向力Q(kN)、轮轴 [J].科技探索及应用,2012(6). 横向力H(kN)、脱轨系数Q/P和轮重减载率Ap/p等安全性 作者简介: 指标都在GB5595—85规定的标准之内。因此,地铁工程车的 刘金菊,女,工程师,2009年毕业于重庆大学;工学硕士,现 运行安全性满足要求。 从事电力机车转向架的设计工作。 参考文献: [1] 杨志华,陈成,毛如香.地铁工程维护车的新发展[J].电