悬挂式单轨车辆导向力矩优化研究

从车辆设计及系统动力学参数优化的角度出发探索优化悬挂式单轨车辆导向性能的方法。首先对悬挂式单轨车辆结构进行分析,在此基础之上建立悬挂式单轨车辆拓扑构型关系和基于多体动力学的动力学仿真模型;然后对悬挂式单轨车辆系统动力学参数进行灵敏度分析,筛选出对悬挂式单轨车辆导向力矩影响显著的参数;最后以影响显著的系统动力学参数作为优化设计变量,以车辆曲线通过性能和平稳性作为优化约束条件,采用NSGA-Ⅱ遗传算法作为优化算法,运用多体动力学软件(ADAMS)与多目标优化软件(modeFRONTIER)联合对悬挂式单轨车辆导向力矩进行优化分析,并对优化结果的有效性和可行性进行验证。优化结果表明:在满足给定约束条件下,当空气弹簧垂向刚度、空气弹簧横向刚度、走行轮垂向刚度、走行轮侧偏刚度、导向轮径向刚度达到最优解时,悬挂式单轨车辆的导向力矩降低了26.57%～38.57%,悬挂式单轨车辆的导向性能得到了有效提高。     

跨座式单轨车曲线通过性能评价指标研究

跨座式单轨车因其结构与传统的铁道车辆存在一定的差异,导致传统铁道车辆动力学性能的评价标准不再完全适用。本文借鉴《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB 5599—1985),根据跨座式单轨车的固有特点及其实际运用经验,提出以导向轮导向力、转向架导向力矩、车体浮心高度、走行轮轮重减载率、走行轮胎侧偏角以及走行轮胎最大垂向作用力等评价指标来对跨座式单轨车的曲线通过性能进行评价,并对各个评价指标进行了详细的分析研究。     

走行轮垂向刚度对跨座式单轨车辆曲线通过性能的影响

考虑到跨座式单轨车辆通过曲线时主要靠导向轮来导向,导向轮径向力大小是评价单轨车辆曲线通过性能的一个重要指标。运用多体动力学仿真分析软件ADAMS建立单轨车辆仿真模型。在轨道半径和超高都不变的情况下,车辆以恒定的速度运行,通过改变走行轮垂向刚度的大小来分析导向轮所受径向力情况以及对车辆曲线通过性能的影响。单轨车辆仿真分析研究表明,走行轮垂向刚度的大小对车辆的曲线通过性能有很大影响。     

基于ANSYS/DYNA软件的高速车轮通过道岔的轮轨动力研究

基于采用ANSYS-DYNA软件所建立的LMA型踏面标准车轮和38号高速道岔辙叉区的三维有限元模型,研究车轮直向、逆向通过辙叉区时的轮岔接触状态和轮轨动力特性。通过所获得的车轮质心高度、接触斑位置和面积以及轮轨横向、垂向接触力的动态变化特征,分析车轮不同横移量对轮岔接触的影响。研究结果表明,车轮通过辙叉区时必然发生两点接触,且存在轮轨力转移过程;可动心轨式辙叉可消除可能引起车辆脱轨的道岔的"有害空间",并明显改善车辆过岔性能,但叉心区走行轨线的不连续仍将引起车轮和道岔的振动;轮对横移量对轮-岔的接触状态和振动有一定影响。     

高速列车型面不同磨耗状态下的过岔性能研究分析

基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,以国内某型号动车组和客运专线18号道岔为对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,分别计算与分析高速列车车轮磨耗状态下轮岔作用及对车辆过岔动力学性能相关问题。模型中考虑了车辆悬挂力元非线性、轮轨接触几何非线性特性等非线性因素,采用更贴合实际的轮轨非椭圆多点接触算法研究高速列车不同运营里程下的型面磨耗对列车通过道岔区间的动力学性能影响。结果表明:型面磨耗会导致轮轨垂向力增大,横向力减小;对车体、构架和轮对垂向振动特性影响大于横向振动特性;对脱轨系数影响较小,对磨耗功率和轮重减载率影响较大;对道岔钢轨振动特性影响横向大于垂向。     

悬挂式独轨车辆动力学仿真研究

分析了悬挂式独轨车辆的结构特点,并应用软件Simpack建立车辆多体模型,探讨悬挂式独轨车辆稳定性、安全性、平稳性性能评判方法。通过仿真分析不同载客量悬挂式独轨车辆在曲线及横风作用下的响应表明,悬挂车体的横移量及走行轮、导向轮的载荷是车辆的动力学性能重要评判参数,且有相应的限值。讨论导向轮合理的预压力大小的确定方法,并给出计算模型的初步预压力的具体数值。     

悬挂式单轨车辆走行轮失效对曲线通过及运行平稳性影响的仿真分析

悬挂式单轨车辆走行轮在车辆运行中起到承载和传力的重要作用,其走行轮失效对悬挂式单轨车辆运行性能有重大影响。通过多刚体动力学理论建立悬挂式单轨车轨耦合动力学模型,仿真分析了不同工况下走行轮失效对单轨车辆曲线通过及运行平稳性的影响。仿真结果表明:空载状态下走行轮失效的悬挂式单轨车辆在曲线半径100 m的线路上限速为35 km/h,而满载状态下走行轮失效的车辆一直处于不安全状态,需要尽快行驶到就近站点疏散乘客;同侧走行轮失效对单轨车辆的影响趋势基本一致;在相同行车速度下,走行轮失效时竖向平稳性指标出现了部分数值超过3.0的情况,说明走行轮失效时车辆的运行平稳性会变差。仿真研究结果可为走行轮失效的悬挂式单轨车辆运行提供参考。     

悬挂式单轨车辆曲线通过性能分析

分析悬挂式单轨车辆的转向架结构及组成,建立相应的SIMPACK动力学仿真模型,总结悬挂式单轨车辆通过曲线时的受力分布和力矩平衡公式。应用控制变量法分别研究曲线通过速度、导向轮轮轨间隙和导向轮径向刚度对车辆曲线通过性能的影响。仿真结果表明,导向轮径向载荷随曲线通过速度和导向轮轮轨间隙的增大而增大,随导向轮径向刚度的增大而减小。其中,导向轮轮轨间隙对构架的横向加速度影响较大,对车体横向加速度影响较小。     

跨坐式单轨车辆的临界横向力与曲线限速

在离心力的作用下,跨坐式单轨车辆走行部一侧的稳定轮减载。根据稳定轮刚刚脱离轨面这一临界状态,定义此时车体离心力为临界横向力。采用达朗贝尔原理将跨坐式单轨车辆通过曲线的动力学问题转换为静力学问题,推导出临界横向力和稳定轮预压力之间的关系公式,并利用多体动力学软件UM验证了公式的准确性。依据临界横向力公式,从舒适度角度计算稳定轮预压力的合理取值,得到曲线最高限制速度和最低限制速度与稳定轮预压力、轨道梁超高率以及曲线半径之间的关系。结果表明:临界横向力与稳定轮和导向轮的预压力成线性关系;考虑运行安全性和舒适度要求,本文中车辆的稳定轮和导向轮预压力设置为7kN时,轨道梁最大超高率设置为6%比较合适。     

悬挂式单轨道岔结构选型与系统设计

研究目的:悬挂式单轨作为一种中低运量交通制式,在中小城市轨道交通及景区观光线路中具有明显的优势。在总结国外悬挂式单轨交通应用的基础上,对悬挂式单轨道岔结构类型、结构特点进行对比分析,提出了我国悬挂式单轨道岔结构选型建议;结合悬挂式单轨交通特点,提出悬挂式单轨道岔结构系统设计建议。研究结论:(1)悬挂式单轨道岔可采用可动心辙叉道岔,道岔侧股采用单圆曲线线型;(2)悬挂式单轨道岔结构设计应系统考虑道岔线型、道岔梁结构设计、道岔转辙系统设计、道岔梁支座及供电轨等接口设计、运营维护设计等因素;(3)为了提高维修维护效率、减小维修维护工作量,降低后期运营风险,建议设置道岔运维监测系统;(4)该研究成果可为悬挂式单轨道岔系统设计提供参考。     

悬挂参数对悬挂式单轨车横向稳定性影响分析

研究目的:为分析悬挂式单轨车辆通过曲线时的横向稳定性问题,基于国内某型悬挂式单轨系统,采用多体动力学软件Universal Mechanism建立60自由度的车-线系统动力学模型,以车体和摇枕为主要研究对象,探索车辆横向偏角在不同减振装置参数下的变化特性。研究结论:(1)横/垂向减振器阻尼、空气弹簧水平/垂向阻尼参数的变化对悬挂式单轨车体和摇枕的横向晃动几乎没有抑制作用;(2)降低空气弹簧水平刚度有利于减缓车辆的横向晃动,而减小垂向刚度会进一步增大晃动的可能性;(3)若考虑在摇摆减振器处并联钢弹簧,其刚度的增加有利于减小车体和摇枕的最大横向偏角,而摇摆减振器阻尼的增大则侧重于减少车体和摇枕的振动周期数,因此应综合考虑摇摆减振器阻尼、刚度参数设计,以有效提升旅客舒适度体验;(4)本研究成果可为悬挂式单轨车辆悬挂参数优化及线路设计提供一定的参考。     

悬挂式独轨列车转向架

论述了一种悬挂式独轨列车转向架结构特征,对关键零部件如构架、驱动装置、牵引悬挂装置、走行轮和导向轮、车体与转向架之间的联接进行了介绍并进行了动力学性能分析,相关指标均满足要求。     

翼轨加高值对高速列车过岔动力特性影响分析

基于岔区轮轨接触关系及轮轨系统动力学理论,以18号高速道岔可动辙叉为例,分别建立翼轨不同加高设计方案下的辙叉模型以及CRH2型车车辆模型,分析翼轨加高设计对列车过岔动力特性的影响。研究结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,轮轨接触区域开始外移,并由此造成轮对质心垂向位置的降低,引发剧烈的轮轨冲击作用;通过设置合理的翼轨加高值,可有效解决轮对质心垂向位置降低的问题,提高列车过岔平稳性及旅客乘车舒适度;翼轨最大加高值为2 mm时最佳,与无加高设计相比,翼轨加高后,列车第一轮对垂向轮轨力及减载率最大值分别降低了18.16%和35.8%、轮对和车体的垂向加速度则分别降低了48.1%和34.7%,列车垂向振动特性得到明显改善;随着列车运行速度的提高,其过岔时的轮轨动态响应也会不断加剧,鉴于翼轨加高可有效降低列车过岔时的垂向动力相互作用,合理的翼轨加高设计将对列车在岔区的提速具有重要意义。研究成果可为我国铁路线路道岔可动辙叉的结构优化设计提供理论参考。     

悬挂式单轨交通系统车辆强度与振动模态分析

基于有限元理论,对某型悬挂式单轨交通车辆车体进行了仿真计算,按照相关标准的要求,结合车辆的实际运行特点,选取了车体纵向压缩、纵向拉伸、单端坠落、两端坠落和架车5个主要静强度工况,以及车体铝合金结构和整备状态的车体结构进行了模态分析计算。研究结果表明:各个主要静强度工况下车体的最大应力均满足要求,并且安全系数都在1. 15之上;两种状态下的车体一阶垂弯振动频率及一阶扭转振动频率均大于10 Hz。另外,悬挂式单轨交通系统车辆作为一种特殊的轨道运载车辆,应特别考虑其防坠落装置的安全性。     

轨道不平顺对悬挂式货运单轨车辆动力行为影响分析

建立了悬挂式货运单轨车辆60自由度动力学模型。使用模态方法研究了悬挂式货运单轨车辆的主要振动频率和相应的敏感波长,使用非线性积分方法计算了悬挂式货运单轨车辆在轨道不平顺作用下的动态响应。结果显示:在车速15～30km/h范围内,悬挂式货运单轨车辆横向振动主要受波长在13.44～26.88m范围内的不平顺的影响,垂向振动主要受1.46～3.36m范围内的短波不平顺影响。轮轨导向力随横向不平顺幅值的增大而线性增大,然增幅不明显。车体垂向加速度和轮轨垂向力随垂向不平顺幅值的增大而线性增大,其中短波不平顺的影响最明显,短波不平顺幅值从1mm增加到4mm,车体垂向加速度幅值从0.58m/s2增加到2.1m/s2,在工程实际中,应重点对走行面上的短波不平顺进行监测和控制。     

基于遗传算法的跨座式单轨车辆曲线通过性能研究

跨座式单轨车辆曲线行驶时主要依靠导向轮导向,因此,前后转向架导向轮径向力大小是评价单轨车辆曲线通过性能的重要指标。运用遗传算法和动力学分析软件ADAMS进行联合仿真,对跨座式单轨车辆基于曲线的通过性能进行研究。     

悬挂式单轨道岔梁接口补偿装置设计

悬挂式单轨交通平移道岔梁与轨道梁接口有一定的道岔梁转辙安全间隙,这种间隙的存在使单轨列车走行面不连续,从而影响列车通过时的平稳性及安全性。文章针对此问题专门设计研发了一种接口补偿装置,该装置既满足了道岔转辙的功能需要,又使车辆走行面连续,对接口间隙起到了一定的补偿作用。     

悬挂式单轨列车关键悬挂参数研究

采用大型多体动力学软件Universal Mechanism建立悬挂式单轨列车系统动力学模型,模型中考虑了各减振器、弹簧、止档的非线性特性,以及橡胶轮胎-轨道的非线性作用特性。通过数值积分求解车辆的动态响应,对单轨列车关键悬挂参数进行研究。研究表明:导向轮高度应尽量放低,与轴心高度一致较为合理;导向轮与导向轨应有一定的预压,但不宜过大;横向减振器等效阻尼应取50 k N·s/m以上,以保证车辆横向平稳性的同时,让车辆进出曲线时横向振动能够快速收敛;垂向减振器等效阻尼取30~40 k N·s/m能够保证车辆具有良好的垂向平稳性。     

高速道岔辙叉结构不平顺动力学特性分析

通过分析高速道岔辙叉区测试数据发现,在辙叉区存在明显的轮轨冲击响应,部分情况下减载率瞬时峰值接近安全限值。建立高速道岔辙叉动力学模型,分析高速列车通过辙叉区时的动力学响应。结果表明:轮对通过辙叉区时轮轨接触点在翼轨和心轨之间进行转换,车轮滚动圆半径发生改变,轮对质心垂向位置在轮载过渡区急剧变化,高速行车环境下形成轮轨冲击荷载。通过设置合理的翼轨抬高值,可有效抑制轮对质心垂向位移,降低轮轨动力作用,从而改善辙叉区结构不平顺的动力效应。     

动车组与单节车侧向通过道岔动力学性能比较

根据道岔的实际尺寸和平面布置,在Simpack软件中构建变截面道岔模型,同时建立动车组和各单节车的模型.考虑轮轨之间的多点接触关系,模拟计算了动车组和单节车以80 km/h的速度侧向通过18号可动心轨式单开道岔的动力学响应.结果表明:由于车钩作用,通过转辙器区和辙叉区时,动车组瞬时横向最大冲击和单节车有一些不同;通过道岔的响应波形有较大的差别,尤其是垂向力、减载率和车体加速度.