基于SIMPACK的高速列车小幅蛇行运动仿真研究
发布时间：2021-07-04 18:38
随着我国高速铁路的蓬勃发展,轨道线路与车流密度不断增加,车辆运行速度不断提升,导致由车辆自身结构与轨道线路激励所引起的列车运行稳定性问题日益增多并随时威胁着行车安全。因此,在列车不断提速的同时,我们也需要更加关注车辆的运行安全问题,对影响列车运行稳定性的影响因素进行探究,以此来保证列车高速、安全的运行。机车蛇行运动稳定性一直以来都是重点关注的问题,它是列车速度进一步提高的主要障碍。蛇行运动不仅破坏机车车辆运行平稳性,而且还会使轨道线路产生变形,运动剧烈时还会引起脱轨事故。现有的蛇行检测标准是在构架横向加速度达到较大的阈值时才会产生蛇行失稳报警,对于未达到标准阈值时的小幅蛇行失稳并不能做出任何反应,虽然此时并未达到标准蛇行失稳,但小幅蛇行失稳会影响乘坐舒适性、加剧轮轨磨耗,且随时可能会变为标准蛇行失稳。对于小幅蛇行运动的实时监测以及研究小幅蛇行运动会在何种因素的影响下演变为标准蛇行失稳可以较早的预警标准蛇行失稳,避免列车出现脱轨风险。对于小幅蛇行运动的实时监测已有大量学者做了相关的研究,本文旨在从车辆系统动力学方面来初步研究高速列车小幅蛇行运动。主要研究内容为:（1）根据国内某高速动车转...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
极限环分岔形式对车辆的横向运动稳定性的影响分析图
西南交通大学硕士研究生学位论文第10页轮对点头转动惯量0.118t*m2轮对摇头转动惯量0.693t*m2图2-1SWTB-400非动力转向架2.1.3整车动力学计算模型在SIMPACK中建模时我们需要将车辆系统抽象化，将所需要加入模型的各部件处理成刚体或柔体，再分析它们之间的联结方式确定铰接型号。然后根据元件之间的铰接形式来确定车辆系统及各部分的拓扑关系。对于本文所建立的车辆系统，需要考虑选择哪些体，每个体的自由度，体之间的力元，力元的种类和非线性因素等。在动力学建模时，将单节拖车视为由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱组成，悬挂部件忽略质量，视为力元。模型考虑的一系悬挂力有轴箱弹簧、垂向减振器和橡胶弹性定位节点，二系悬挂力有空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆以及横向止挡。为了突出所研究问题的重点并尽量与实际相符，便于计算，建模时进行了以下简化：（1）轮对、构架、车体、轴箱均视作刚体。悬挂系统的刚度比轮对、构架、车体的刚度要小很多，因此可以把它们视作刚体。（2）不考虑轨道的弹性变形，只考虑不平顺引起的激扰。（3）轮对在垂向上始终与钢轨保持接触，轮对具有轮缘上述模型作必要简化可以减少复杂车辆系统的建模难度，同时又能保证系统的完整性。根据车辆参数表中的数据参数在SIMPACK软件中搭建动力学系统模型，其基本步骤为轮对—转向架—车体—轨道，拖车转向架动力学模型如图2-2所示，下面对该转向架动力学模型各部分作详细的分析与说明。
西南交通大学硕士研究生学位论文第11页图2.2转向架动力学模型前后两轮对相对于轨道中线建立铰接，采用7号铁路铰接，每一轮对能在x、y、z方向移动以及绕轴转动。每一轮对共有6个自由度，其中独立自由有四个分别为轮对的横移、伸缩、摇头、点头，轮对的浮沉和侧滚自由度与轮轨非线性接触几何关系有关。左右轴箱与轮对进行铰接，采用2号铰接，2号铰接只有一个自由度即绕y方向旋转，所以轴箱只有一个点头自由度。构架铰接点坐标与轮对一致，同样采用7号铰接，每一构架均有6个自由度。构架与轮对之间为一系弹簧悬挂系统，通过弹簧力元来模拟链接轮对与构架，这其中包括轴箱弹簧、垂向减振器和橡胶弹性定位节点，通过输入弹簧三个方向的刚度来确定弹簧的特性。在构架上建立了一个虚车体，用以连接构架与车体，虚车体不设质量质心采用0号铰接没有自由度。构架与车体之间通过二系悬挂连接，包括空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆以及横向止挡等，也用相应的弹簧力元进行模拟，其中考虑了一些弹簧刚度与阻尼的非线性特性。该系统车体、构架、轮对均取6个自由度（浮沉、横移、伸缩、摇头、点头、侧滚），轴箱只取1个点头自由度，系统共计50个自由度（见表2-2）。在SIMPACK中建立的高速列车拖车整车动力学模型如图2-3所示，轴箱定位方式为转臂式。在该模型中需要对轮轨接触非线性和悬挂系统非线性作进一步处理[41]。表2-2系统自由度车辆部件数量横向纵向垂向摇头点头侧滚车体1√√√√√√构架2√√√√√√轮对4√√√√√√轴箱8√
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MEEMD香农熵-LSSVM的高速列车蛇行失稳诊断方法[J]. 叶运广,宁静,种传杰,崔万里,刘棋. 计算机应用研究. 2017(04)
[2]车辆系统的多个蛇行运动[J]. 高学军,李映辉,关庆华. 振动与冲击. 2015(11)
[3]Influences of aerodynamic loads on hunting stability of high-speed railway vehicles and parameter studies[J]. Xiao-Hui Zeng,Han Wu,Jiang Lai,Hong-Zhi Sheng. Acta Mechanica Sinica. 2014(06)
[4]轮轨匹配对高速列车动力学性能的影响[J]. 麦国耀,戴焕云. 计算机辅助工程. 2013(06)
[5]轮轨接触几何非线性特征参数[J]. Oldrich Polach,丛日出. 国外铁道车辆. 2013(02)
[6]考虑非线性轮轨关系的高速客车横向动力学研究[J]. 马彪,丁旺才,李国芳. 动力学与控制学报. 2012(04)
[7]Influence of Vehicle Parameters on Critical Hunting Speed Based on Ruzicka Model[J]. CUI Dabin1,LI Li1,*,JIN Xuesong2,XIAO Xinbiao2,and DING Junjun1 1 School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China 2 State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2012(03)
[8]高速转向架非线性稳定性及安全裕度对策[J]. 朴明伟,梁树林,孔维刚,兆文忠. 振动与冲击. 2011(08)
[9]高速车辆横向稳定性的非线性影响因素研究[J]. 梁树林,朴明伟,张祥杰,兆文忠. 铁道学报. 2009(05)
[10]用于高速车辆动态仿真的轨道谱分析[J]. 王福天,周劲松,任利惠. 铁道学报. 2002(05)
博士论文
[1]高速列车齿轮传动系统动态特性研究[D]. 黄冠华.西南交通大学 2015
[2]铁道车辆运动稳定性及分岔类型研究[D]. 董浩.西南交通大学 2014
[3]高速列车横向运动稳定性和动态脱轨理论分析及评价方法研究[D]. 孙丽霞.中国铁道科学研究院 2014
[4]铁路有砟轨道下沉及高低不平顺发展预测研究[D]. 高建敏.西南交通大学 2008
硕士论文
[1]线路不平顺频域特性对车辆动力学性能的影响[D]. 周晓莉.西南交通大学 2015
[2]高速动车曲线通过动态性能仿真研究[D]. 杨茜茜.中南大学 2013
[3]基于FPGA的高速列车转向架蛇行失稳检测装置[D]. 蔡里军.西南交通大学 2012
本文编号：3265322
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
极限环分岔形式对车辆的横向运动稳定性的影响分析图
西南交通大学硕士研究生学位论文第10页轮对点头转动惯量0.118t*m2轮对摇头转动惯量0.693t*m2图2-1SWTB-400非动力转向架2.1.3整车动力学计算模型在SIMPACK中建模时我们需要将车辆系统抽象化，将所需要加入模型的各部件处理成刚体或柔体，再分析它们之间的联结方式确定铰接型号。然后根据元件之间的铰接形式来确定车辆系统及各部分的拓扑关系。对于本文所建立的车辆系统，需要考虑选择哪些体，每个体的自由度，体之间的力元，力元的种类和非线性因素等。在动力学建模时，将单节拖车视为由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱组成，悬挂部件忽略质量，视为力元。模型考虑的一系悬挂力有轴箱弹簧、垂向减振器和橡胶弹性定位节点，二系悬挂力有空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆以及横向止挡。为了突出所研究问题的重点并尽量与实际相符，便于计算，建模时进行了以下简化：（1）轮对、构架、车体、轴箱均视作刚体。悬挂系统的刚度比轮对、构架、车体的刚度要小很多，因此可以把它们视作刚体。（2）不考虑轨道的弹性变形，只考虑不平顺引起的激扰。（3）轮对在垂向上始终与钢轨保持接触，轮对具有轮缘上述模型作必要简化可以减少复杂车辆系统的建模难度，同时又能保证系统的完整性。根据车辆参数表中的数据参数在SIMPACK软件中搭建动力学系统模型，其基本步骤为轮对—转向架—车体—轨道，拖车转向架动力学模型如图2-2所示，下面对该转向架动力学模型各部分作详细的分析与说明。
西南交通大学硕士研究生学位论文第11页图2.2转向架动力学模型前后两轮对相对于轨道中线建立铰接，采用7号铁路铰接，每一轮对能在x、y、z方向移动以及绕轴转动。每一轮对共有6个自由度，其中独立自由有四个分别为轮对的横移、伸缩、摇头、点头，轮对的浮沉和侧滚自由度与轮轨非线性接触几何关系有关。左右轴箱与轮对进行铰接，采用2号铰接，2号铰接只有一个自由度即绕y方向旋转，所以轴箱只有一个点头自由度。构架铰接点坐标与轮对一致，同样采用7号铰接，每一构架均有6个自由度。构架与轮对之间为一系弹簧悬挂系统，通过弹簧力元来模拟链接轮对与构架，这其中包括轴箱弹簧、垂向减振器和橡胶弹性定位节点，通过输入弹簧三个方向的刚度来确定弹簧的特性。在构架上建立了一个虚车体，用以连接构架与车体，虚车体不设质量质心采用0号铰接没有自由度。构架与车体之间通过二系悬挂连接，包括空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆以及横向止挡等，也用相应的弹簧力元进行模拟，其中考虑了一些弹簧刚度与阻尼的非线性特性。该系统车体、构架、轮对均取6个自由度（浮沉、横移、伸缩、摇头、点头、侧滚），轴箱只取1个点头自由度，系统共计50个自由度（见表2-2）。在SIMPACK中建立的高速列车拖车整车动力学模型如图2-3所示，轴箱定位方式为转臂式。在该模型中需要对轮轨接触非线性和悬挂系统非线性作进一步处理[41]。表2-2系统自由度车辆部件数量横向纵向垂向摇头点头侧滚车体1√√√√√√构架2√√√√√√轮对4√√√√√√轴箱8√
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MEEMD香农熵-LSSVM的高速列车蛇行失稳诊断方法[J]. 叶运广,宁静,种传杰,崔万里,刘棋. 计算机应用研究. 2017(04)
[2]车辆系统的多个蛇行运动[J]. 高学军,李映辉,关庆华. 振动与冲击. 2015(11)
[3]Influences of aerodynamic loads on hunting stability of high-speed railway vehicles and parameter studies[J]. Xiao-Hui Zeng,Han Wu,Jiang Lai,Hong-Zhi Sheng. Acta Mechanica Sinica. 2014(06)
[4]轮轨匹配对高速列车动力学性能的影响[J]. 麦国耀,戴焕云. 计算机辅助工程. 2013(06)
[5]轮轨接触几何非线性特征参数[J]. Oldrich Polach,丛日出. 国外铁道车辆. 2013(02)
[6]考虑非线性轮轨关系的高速客车横向动力学研究[J]. 马彪,丁旺才,李国芳. 动力学与控制学报. 2012(04)
[7]Influence of Vehicle Parameters on Critical Hunting Speed Based on Ruzicka Model[J]. CUI Dabin1,LI Li1,*,JIN Xuesong2,XIAO Xinbiao2,and DING Junjun1 1 School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China 2 State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2012(03)
[8]高速转向架非线性稳定性及安全裕度对策[J]. 朴明伟,梁树林,孔维刚,兆文忠. 振动与冲击. 2011(08)
[9]高速车辆横向稳定性的非线性影响因素研究[J]. 梁树林,朴明伟,张祥杰,兆文忠. 铁道学报. 2009(05)
[10]用于高速车辆动态仿真的轨道谱分析[J]. 王福天,周劲松,任利惠. 铁道学报. 2002(05)
博士论文
[1]高速列车齿轮传动系统动态特性研究[D]. 黄冠华.西南交通大学 2015
[2]铁道车辆运动稳定性及分岔类型研究[D]. 董浩.西南交通大学 2014
[3]高速列车横向运动稳定性和动态脱轨理论分析及评价方法研究[D]. 孙丽霞.中国铁道科学研究院 2014
[4]铁路有砟轨道下沉及高低不平顺发展预测研究[D]. 高建敏.西南交通大学 2008
硕士论文
[1]线路不平顺频域特性对车辆动力学性能的影响[D]. 周晓莉.西南交通大学 2015
[2]高速动车曲线通过动态性能仿真研究[D]. 杨茜茜.中南大学 2013
[3]基于FPGA的高速列车转向架蛇行失稳检测装置[D]. 蔡里军.西南交通大学 2012
本文编号：3265322
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiaotonggongchenglunwen/3265322.html
