一种新型柔性转向架横向稳定性分析

一种新型柔性转向架横向稳定性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 0Ql掏I市i轫叠交通翼 一 种新型柔性转向架横向稳定性分析 尹荣旭沈钢 (同济大学铁道与城市轨道交通研究院,2I)1804,上海/第一作者,硕士研究生) 摘要分析了一种新型柔性转向架的横向稳定性,运用线 性分析方法研究其构架菱形刚度,扭转刚度,一系悬挂刚度 以及踏面等效锥度等参数对蛇形临界速度的影响.将该新 型转向架横向稳定性与普通地铁车辆转向架做了对比:该新 型转向架临界速度相对较小,但仍能满足 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要求,具有较 好的稳定性.用非线性程宁对横向稳定性研究的正确性和 可靠性进行了验证. 关键词柔性转向架;横向稳定性;菱形刚度;扭转刚度; 临界速度 中图分类号U260.331 AnalysisontheLateralStabilityofANewFlexibleBogie YinRongxu,ShenGang AbstractThelateralstabilityofanewflexiblebogieisan— alyzedinthispaper.Theeffectsofthefollowingparame— tersoncriticalvelocityarestudiedbyusinglinearanalysis model,including..thestiffnessofwarp,thestiffnessoftor— sion,thestiffnessoftheprimarysuspensionandtheequiva— lentconicity.Atthesametime,thelateralstabilityofthe newbogieiscomparedwiththebogieofnormalmetrove— hicles.Theconclusionisvalidatedbyasimulationprogram withanon—linearmode1. Keywordsflexiblebogie;lateralstability;stiffnessof warp;stiffnessoftorsion;criticalvelocity First-author’SaddressInstituteofRailway&UrbanMass TransitResearch,TongjiUniversity,201804,Shanghai,China 多年来,客车转向架一直是以刚性的H型构架 为主流.这种转向架固然有其结构简单,容易保证 横向稳定性设计等优点,但也存在着不合理的方面. 如:顺服线路不平顺能力差,构架受力比较复杂等, 只能依靠一系悬挂垂向弹簧的柔性来勉强达标.尤 其对于运行于复杂地形的地铁车辆,这种要求更高. 而货车转向架长期被三大件式的转向架所主导,固 然有其成本低,结构简单的特点,还有就是顺服线路 的能力强,但横向稳定性能力较差,难以高速运行. 随着地铁建设的发展,这种H构架式转向架固有 ? (1? 的弱点逐渐被人们发现和认识,随之各种新概念的 转向架被提出,如单轴耦合式转向架,安装永磁同步 电机的关节式转向架等.研究一种结构更合理,性 能也优异的转向架是本文的目的.本文提出的一种 柔性构架的设想,吸收了三大件转向架的设计理念, 又根据地铁客车运行速度较高,运行线路级别较低 的这一特点,提出了两侧架柔性连接的设计概念;并 对将这种新型转向架的各项柔性连接刚度参数对横 向稳定性的影响给予了重点研究. 1数学模型 柔性转向架大体组成为:前后两个轮对,轴箱 (外置),一系悬挂,两侧独立的侧架,侧架之间的柔 性构件,二系悬挂,单元制动缸,侧向牵引拉杆机构 等(如图1所示).其中:一系悬挂装置由一系弹簧 和垂向横向减震器组成,二系悬挂直接由空气弹簧 构成.柔性构件具有很好的柔性,可在垂直平面内 发生相对扭转运动,从而使得两边侧架在点头方向 上可以相互独立.与一般的转向架结构相比,区别 在于该新型转向架两侧架之间采用柔性构件代替了 横梁,去除了摇枕,其左右侧架在点头方向上可相对 独立,从而更好地适应路面不平顺. 通常蛇形运动按振动模态的不同区分为车体蛇 形和转向架蛇形.车体蛇形亦称一次蛇形,它以车 体剧烈的横移与偏转振动为特征.但若系统具有足 够的阻尼,车体蛇形失稳可以避免.在研究稳定性 的时候,由于该车辆系统具有了足够的阻尼,同时当 研究是在超越车体蛇形的更高速度下进行时,车体 几乎不动,故本文忽略一次蛇形的影响,仅研究转向 架蛇形失稳这一情况. 1.1横向稳定性模型自由度的确定 通过对该新型转向架结构的分析和抽象,简化 出其数学模型(见图2).根据横向稳定性的研究重 点和构架新型结构的特殊性,进行自由度的选取. 考虑到柔性结构横向刚度很大,可以认为左右侧架 第i期 在横移时耦合,剔出与横向运动不耦合的自由度后, 需要计及的自由度如下所示. 轮对:横移(YY)和摇头(); 构架:两侧架的摇头(相互独立),两侧架 的反向浮沉(即侧滚),两侧架横移Y,两侧架菱形 错动变形. 图1新型转向架结构示意图 图2新型转向架模型简图 1.2转向架主要参数 参照某地铁车辆有关数据,确定该新型转向架 各构件的参数(见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1). 1.3模型动力学矩阵的确定 在研究转向架横向稳定性的时候,需要列出转 向架的运动方程.方程的普遍形式如下所示[: /厂], [M]{)+{[c]+}{日}+【J {LK]+LK}{q}=0(1) 通过人工写出的变换矩阵l1],经过计算机对变 换矩阵进行演算,以分别形成矩阵[M],[c],[K]; 再由计算机将这些矩阵连同蠕滑矩阵[c], 蟹l_溱溶 EK综合成运动方程式(1). 表1新型转向架主要参数 参数数值 一 系纵向刚度k/MN/m ? 系横向刚度k/(MN/m) 一 系乖刚度k/(MN/m) =系纵J,uj网0度k/(MN/m) 二系横向刚度k/(MN/m) ?系垂向刚度k/(MN/m) 构架菱形刚度kf/(MNm/rad) 构架扭转刚度k/(MNm/rad) 一 系垂向刚度C/(N?s/m) 二系横向阻尼c/(N?s/m) :系垂向阻尼C/(N?s/m) 轮对质量m/kg 轮对摇头惯量,/kin?lrl 构架质量m,/kg 单侧架点头惯量,/kin?m 构架的侧滚转动惯量,/kin?m 单侧构架菱形错动惯量,/kin?Ill I轮半径r/m 转向架轴距之半a/m 一 系刚度横向跨距之半b/m 二系悬挂间距之半d/m 9 5 1.()8 0.23 0.29 (J.43 5.() 1.0 1()()() 2840() 3()()()【1 1723 726 3461 2()(】() 1794 144() lJ,42 0.8 ().955 1.() 为方便计算,通过引入新变量Y=[,q],由方 程式(1)可变换到方程 {j=,}=l_A]{Y}(2) 并且多自由度系统的动力学矩阵 :[嘲+]] L[,] [一[M?[斛+_Kwr]]]l(3) I 在得到该转向架多自由度系统的动力学矩阵 ]后,按横向稳定性研究的需要,需求解出方程式 (2)的根.根据线性代数中Cayley--Hamilton定 理[1:一个矩阵满足它自己的特征方程,也即是常量 矩阵[A]的特征值就是它的特征方程的根.故此处 求解方程式(2)的根时,可归结为求[A]矩阵的”特 征值问题”. 1.4计算程序 综合上述理论基础,以矩阵组装法…为手段,采 用临界速度线性分析方法l1编写计算程序;通过程 ? 31? 潮f澍轿叠交酒舞?ll000毒曩0?叠0 序求得各振型在不同速度下所对应的特征值和特征 向量,进一步求得各振型所对应的固有频率和阻 尼比. 基于以上所求得的各振型在不同运行速度下所 对应的阻尼比,以阻尼比由正值逐渐变小并且当其 趋于零点处所对应的速度即是临界速度为原则,逐 渐增大速度,取一定的步长,直至找到该点.此点对 应的速度就是转向架的临界速度.另外,程序还实 现了在计算不同的输入变量(如构架菱形刚度,扭转 刚度,踏面等效锥度,一系悬挂刚度等)条件下所对 应的临界速度,同时可以绘制出不同变量对临界速 度的影响曲线.上述程序已在PC机中成功运行. 2计算分析 2.1不同工况(等效锥度和蠕滑状态)对临界速 度的影响 选取三种不同的蠕滑状态(全蠕滑,1/2蠕滑, 1/4蠕滑),在不同的等效锥度下,经过程序计算 得到临界速度.据此做出不同蠕滑状态下临界速度 随等效锥度的变化曲线,如图3所示. 互 \ 基 邑 皿 图3临界速度随等效锥度的变化 由图3可以发现,随着踏面等效锥度的增 大,转向架蛇形临界速度迅速减小;另外,在同一 等效锥度下,随着值的不断减小,临界速度增加. 当等效锥度等于0.4(全蠕滑状态)时,临界速度最 低,为最不利工况. 2.2菱形刚度对临界速度的影响 菱形刚度定义一柔性构架在两侧架前后菱形 错动单位角度下引起的弯矩. 在等效锥度等于0.4(1/2蠕滑)的工况下,一系 刚度为k等于5MN/m,等于9MN/m.选取 不同的菱形刚度,求其对应的临界速度,做出其对应 的曲线,如图4所示. ?,? 从图4中可以发现,转向架的临界速度随着构 架菱形刚度的增加而增加;当菱形刚度大于等于3 , 5MN/m时,可得到较高的临界速度,从而可以 保证车辆较好的横向稳定性. 暑 \ 删 磐 图4菱形刚度对临界速度的影响 2.3扭转刚度对临界速度的影响 扭转刚度定义——柔性构架在两侧架垂直平面 内错开单位角度而引起的扭矩. 选取前面相同工况进行计算,一系刚度足等 于5MN/m,k等于9MN/m,得到结果如图5所 示.可见,构架扭转刚度k对转向架的临界速度 几乎没有影响. 123456 扭转刚度/(MN/m) 图5扭转刚度对临界速度的影响 2.4一系悬挂刚度对临界速度的影响 2.4.1一系横向刚度良对临界速度的影响 如图6所示,在一系横向刚度值k小于1.2 MN/m时,临界速度随着刚度值的增加而增加;当 k为1.2MN/m左右时,转向架稳定性达到最佳; 当k继续增大,临界速度反而下降,但下降幅度逐 渐减小;当k达到4MN/m后,临界速度几乎 不变. 2.4.2一系纵向刚度足对临界速度的影响 如图7所示,临界速度随着纵向刚度良的增 加而增加,当良达到5MN/m后,临界速度的增长 阳?如如加m??舳如?如?叩舳 一L1/?睬 _第期_.: 幅度逐渐变小. 兰 憾 呔 一 系横向刚度MN/m) 图6横向稳定性足一v变化曲线 董 蠢 图7横向稳定性k变化曲线 2.5与普通地铁车辆比较 选取两种不同工况,通过程序计算,得到新型转 向架和普通H型构架地铁车辆转向架的临界速度, 如表2所示. 通常磨耗状态:等效斜度取().3,1/2蠕滑条件; 极端磨耗状态:等效斜度取0.4,1/1蠕滑条件. 经比较发现,新型转向架的临界速度相对普通 地铁车辆较小,但是相对于1()()km/h的设计构造 速度仍有足够余量,因此该新型转向架的横向稳定 性符合设计要求. 表2不同转向架临界速度对比 转向架类型—— 通常磨耗极端磨耗 3非线性模型的校核 为验证前面线性程序计算结果的可信度,本文 又建立了该新型转向架横向稳定性的非线性计算程 序(考虑了轮轨接触几何学非线性,轮轨接触力的非 线性等因素,采用整车模型,除了线形模型考虑的构 架自由度外,还考虑了左右侧架的点头,垂向浮沉自 叠00叠赣j黎!溶 由度),以便能模拟柔性刚度对有轨道激励下横向稳 定性的影响. 假设车辆在直线轨道上运行,在一定的初始路 面激励下,运行程序,逐渐增加速度,观察轮对横移 量随时间变化的收敛性.当发现轮对横移量呈等幅 度振荡或逐渐增大趋势时,此时对应的速度即为临 界速度.如图8所示,在某一确定条件下,经过计算 确定其临界状态,临界速度为125km/h. 曼 g \ ? 叵 靛 1 垛 时I司/s 图8轮对横移量随时问变化曲线 通过以上方法,经程序计算发现,线性分析所得 的结果与非线性程序的计算结果基本符合,主要结 果如下. 3.1校核菱形刚度对临界速度的影响 在k等于9MN/m,k等于5MN/m条件 下,非线性程序计算所得的菱形刚度对临界速度的 变化曲线如图9所示.与前面线性分析结果比较发 现,两者变化趋势相同. 三 互 昧 图9临界速度随菱形刚度变化曲线 3.2校核一系刚度对临界速度的影响 在菱形刚度足fI等于5MN/m条件下,用非线 性程序分别计算出一系横向刚度和纵向刚度对临界 速度的影响,由图10和图11分析发现,其变化趋势 与线性程序计算结果相同. ? 33? Q蕊轨霉交嗣爨薯00ll.曩000.-一曩0曩000?000ll黜濞 ? 宣 , l80 60 40 2O OO 80 0510152.O253O3.540455.0 一 系横向刚度/(MN/m) 图10k=9MN/m时横向刚度影响的校核 暑 瑙 噍 (3)随着踏面等效锥度的增大,转向架蛇形临 界速度迅速减小;在同一等效锥度下,随着摩擦系数 值的不断减小,临界速度增加;经计算发现,当等 效斜度等于().4(1/1蠕滑状态)时,为最不利工况. (4)对于一系横向刚度,应取值在3,5MN/m 范围内较为合适.此时临界速度比较稳定且数值符 合要求.对于一系纵向刚度,转向架的临界速度随 着其增加而增加;一般取5MN/m以上,可以得到 较高的临界速度. (5)与普通地铁转向架相比,该新型转向架的临 界速度相对较小,但是仍能满足设计要求,且具有较 好的横向稳定性能.另外,通过非线性程序的计算, 验证了该横向稳定性研究的正确性和可靠性. 参考文献 [1]张定贤.机车车辆轨道系统动力学[M].中国铁道出版 社,1996. [2]严隽耄.车辆 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 [M].中国铁道出版社,2006. r3]金学松.轮轨蠕滑理论及其试验研究[M1.成都:西南交通大学 图11足MN/m时纵向刚度影响的校核E4]轨道车辆结构与设计[M]. 中国铁道出版社,2【)【19. [5]朴明伟,樊令举,梁树林,等.基于轮轨匹配的车辆横向稳定性 4结语分析].机械工程学报,2008(3):22. ()对于该新型柔性转向架,在所有振型中,构[62舌机车句稳定 架菱形变形振型最易失稳,因此构架菱形刚度应慎[7]罗仁,曾京. 列车系统蛇形运动稳定性分析及其与单车模型的 重考虑.经计算发现,转向架的临界速度随着菱形比较[J_.机械工程学报,20O8(8):62. 刚度的增加而增加;当菱形刚度大于等于3,5[8]王开云,翟婉明,蔡成标.轮轨结构参数对列车运动稳定性的 MN/m,可以使得临界速度满足设计要求.影响[J]坤国铁道科学,2003():.? (2)构架的扭转刚度对转向架临界速度几乎没(收稿日期:20’’9—12-10) 有影响,故在研究转向架横向稳定性的时候,可以不 考虑构架扭转刚度的影响. (上接第29页) 业务的可用带宽,对隧道环境的传输机制适应,毫米ServiceRadioCommunicationforMAGLEVandTrain 波器件模块的商用程度,毫米波与光器件集成(如光ystems[c]//’’’眦mionc.”...”Mgnetically 载无线电RoF),适应不同列车运行路段或环境的[]:evi.tatPed,System.n”:.m 分段接入系统(如包括泄漏电缆方式),以及与电信F:aturesf0rFut.Application[c3//2004Inte嘲tional 网络的融合等.ConferencesonMagnetica11yLevitatedSystemsandLinear Drives.China:2()()4:734. 参考文献[4]杜伟. 上海磁浮示范运营线无线电系统浅析_J].城市轨道交通 PIattnerA.AMillimeterwaveCommunicationSvstemfor研究,20(‘7(5):6l】_ MagievApplicationEc3//1994IEEEMTT—SDigest.USA:[5]汤丹?浅析38G无线电系统在上海磁浮示范运营线中的应用 1994:745._J]?城市轨道交通研究,2006(10):69? [21EgnerP,BrfihlL,DangelmevrJ,SchienbeinM.Mu1ti(qk稿日期:2010—08—25) ? 34?