跨座式單軌車輛動力學原理概述

跨座式單軌車輛動力學原理概述第一頁，共25頁。構(gòu)建了38個自由度的單軌車輛動力學模型，建立了走行軌面載荷譜，為單軌車輛設(shè)計與分析提供了理論支撐。車輛動力學性能評價仿真大編組列車彎道通過性分析車體輕量化設(shè)計轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析道岔通過性分析載落譜38自由度車輛動力學模型第二頁，共25頁。形成了完善的單軌車輛數(shù)字化設(shè)計分析方法，為車輛自主設(shè)計和列車系統(tǒng)集成提供了設(shè)計分析方法。單軌車輛數(shù)字化設(shè)計分析方法第三頁，共25頁。目錄第四頁，共25頁。1跨座式單軌車輛的動力學性能評定

第五頁，共25頁。跨座式單軌車輛的動力學性能評定

單軌車輛的動力學性能主要包括運行穩(wěn)定性（安全性）、平穩(wěn)性以及曲線通過能力等三個方面。按照GB5599－85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，衡量這些性能的主要指標如表所示：動力性能穩(wěn)定性（安全性）曲線通過能力平穩(wěn)性涉及方面抗脫軌穩(wěn)定性車輛抗傾覆穩(wěn)定性車輛曲線通過受力分析車輛曲線通過側(cè)傾穩(wěn)定性乘客乘坐舒適性評價指標脫軌系數(shù)、抗傾覆系數(shù)、車體側(cè)傾角、平穩(wěn)性指數(shù)第六頁，共25頁。式中：

Pd—車輛左右兩側(cè)車輪的垂向載荷之差Pst—車輛左右兩側(cè)車輪的垂向載荷之和P2—增載一側(cè)的車輪垂向載荷P1—減載一側(cè)的車輪垂向載荷傾覆系數(shù)應在試驗車輛以線路允許的最高速度通過時的運行狀態(tài)下測試，我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》（GB5599-85）規(guī)定車輛傾覆系數(shù)為：D<0.8傾覆穩(wěn)定性評價

傾覆系數(shù)D用于評定車輛在側(cè)風、離心力、橫向振動慣性力等載荷作用下車輛一側(cè)所有車輪是否會減載到騰空而脫離軌道并導致車輛傾覆，傾覆系數(shù)定義如下：跨座式單軌車輛的動力學性能評定第七頁，共25頁。式中：W—平穩(wěn)性指數(shù)A—振動加速度，

取

f—振動頻率，HzF（f）—頻率修正系數(shù)GB5599—85制定了客車、機車以及貨車的平穩(wěn)性等級評價標準，下表給出了客車的平穩(wěn)性等級評價標準。運行平穩(wěn)性評價參照GB5599－85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，進行單軌車輛運行平穩(wěn)性分析。其中運行平穩(wěn)性按照平穩(wěn)性指數(shù)W評價，W的計算公式如下：跨座式單軌車輛的動力學性能評定第八頁，共25頁。2跨座式單軌車輛動力學模型的建立第九頁，共25頁。動力學仿真模型建立對單軌模型進行合理的抽象、簡化，等效成跨座式單軌車輛系統(tǒng)的物理模型亦即空間動力學模型確定物理模型中各構(gòu)件之間的運動學關(guān)系及系統(tǒng)自由度數(shù)，創(chuàng)建拓撲構(gòu)型圖按照拓撲構(gòu)型圖建立整車仿真模型——ADAMS/View(前處理模塊)里建立跨座式單軌車輛系統(tǒng)的虛擬樣機仿真模型?？缱絾诬壾囕v動力學模型的建立第十頁，共25頁。單軌車輛空間動力學模型單軌車輛拓撲構(gòu)型跨座式單軌車輛動力學模型的建立類型直道長度

L1（m）過渡曲線

S1（m）彎道半徑R(m)彎道角度C(°)彎道超高

H（m）過渡曲線

S2（m）直道長度

L2（m）R10010030100600.040830100軌道參數(shù)第十一頁，共25頁。車輛虛擬樣機動力學模型跨座式單軌車輛動力學模型的建立第十二頁，共25頁。3跨座式單軌車輛運行穩(wěn)定性分析

第十三頁，共25頁。運行工況：中車滿載；軌道類型R100；車速36Km/h。仿真結(jié)果如下圖：走行輪垂向力跨座式單軌車輛運行穩(wěn)定性分析跨座式單軌車輛傾覆穩(wěn)定性分析

當走行輪在經(jīng)過圓曲段時，其垂向力會有所變化，但與靜載垂向力52KN相比，變化并不是很大。整個曲線運行過程中，左右走行輪垂向力的增減量相等。右走行輪垂向力約為65kN，左走行輪垂向力約為39kN，此時算得的傾覆系數(shù)為：

滿足GB5599—85規(guī)定的機車的容許傾覆系數(shù)D＜0.8。說明單軌車輛中車滿載工況下即使在小曲率半徑下高速行駛，其抗傾覆穩(wěn)定性也是比較高的。第十四頁，共25頁?？缱絾诬壾囕v抗脫軌穩(wěn)定性分析

對于單軌車輛來說，由于其特殊的走行結(jié)構(gòu)，在直線上以正常速度運行時，如果沒有受到特別大的橫向力或者側(cè)翻力矩，單軌車基本上不會發(fā)生脫軌現(xiàn)象。而車輛在曲線上運行時，由于超高以及離心力的存在，隨著運行速度的增大，導向輪，穩(wěn)定輪的徑向力會發(fā)生較大變化，有可能會脫離軌面，會對車輛的安全運行造成一定的影響。本文認為，車輛通過彎道行駛時，導向輪所受的徑向壓力變化較大，當前后轉(zhuǎn)向架同側(cè)的兩個導向輪有一個所受的徑向壓力變?yōu)榱肆?，而另一個導向輪在1000N左右時，視為脫軌。跨座式單軌車輛運行穩(wěn)定性分析第十五頁，共25頁。導向輪、穩(wěn)定輪徑向力

從計算結(jié)果得出：在車速不大于36Km/h時，導向輪有足夠的徑向力保證車輛運行穩(wěn)定。運行工況：中車滿載；軌道類型R100；車速36Km/h。仿真結(jié)果如下圖：跨座式單軌車輛運行穩(wěn)定性分析第十六頁，共25頁。運行工況：中車滿載；軌道類型直道；直線路段極限車速87Km/h。仿真結(jié)果如下圖：導向輪、穩(wěn)定輪徑向力跨座式單軌車輛運行穩(wěn)定性分析跨座式單軌車輛極限車速通過直線路段受力仿真計算

上圖給出了導向輪與穩(wěn)定輪所受的徑向力隨運行時間的變化情況。從圖中可以看出：當車速為87Km/h時，前后轉(zhuǎn)向架左右導向輪和穩(wěn)定輪徑向力均發(fā)生了不規(guī)則波動，單軌車輛在直線行駛中出現(xiàn)蛇形運動；直線限速為87Km/h。第十七頁，共25頁。4跨座式單軌車輛曲線通過性仿真分析

第十八頁，共25頁?？缱絾诬壾囕v極限車速通過曲線路段受力仿真計算跨座式單軌車輛曲線通過性仿真分析運行工況：中車滿載；軌道類型R100；直線路段極限車速34Km/h。結(jié)果如圖：導向輪、穩(wěn)定輪徑向力第十九頁，共25頁?？缱絾诬壾囕v曲線通過性仿真分析當車速為43Km/h時，前轉(zhuǎn)向架前右導向輪、后右導向輪徑向力為零，后轉(zhuǎn)向架前右導向輪、后右導向輪徑向力為零，與軌面脫離，車輛發(fā)生脫軌；曲線限速為43Km/h。一在直線段，左右導向輪徑向力大小相等，經(jīng)過16s后車輛駛?cè)肭€段，左右導向輪徑向力開始增減。對于前轉(zhuǎn)向架，前左和后右導向輪徑向力增加，而前右和后左導向輪徑向力減小，由此形成了一個搖頭力矩，它是引導車輛通過曲線的主要轉(zhuǎn)動力。對于后轉(zhuǎn)向架，情況正好相反。也就是說，一個轉(zhuǎn)向架上的四個導向輪中，在曲線通過時，實際上只有兩個輪胎起到主要的導向作用。二穩(wěn)定輪徑向力在曲線通過時也有變化，對于同一轉(zhuǎn)向架，左側(cè)穩(wěn)定輪徑向力減小為零，右側(cè)穩(wěn)定輪徑向力增大。穩(wěn)定輪的主要作用是抵抗不平衡的傾覆力矩，導向作用較小。三第二十頁，共25頁?？缱絾诬壾囕v曲線通過車體側(cè)傾分析跨座式單軌車輛曲線通過性仿真分析運行工況：中車滿載；軌道類型R100；車速分別為29Km/h、36Km/h和43Km/h仿真結(jié)果如下圖：三種速度下的車體側(cè)傾角

在直線段，車體側(cè)滾角基本為零，車輛行駛到曲線半徑處時，車體開始出現(xiàn)側(cè)滾，當v=29Km/h時，車體側(cè)滾角是0.9°，而v=43Km/h時，車體側(cè)滾角已變?yōu)?.7°。這說明隨著車速的增加，車體隨著速度的增加從而使得離心力的增大，使車體向外傾斜，車體側(cè)滾角逐漸向外側(cè)傾倒。v=43Km/h的車體側(cè)滾角最大，最大側(cè)滾角為3.7°。由于曲線的超高角已經(jīng)很大，因此會讓車中乘客產(chǎn)生傾斜感，會有一些不舒服的感覺。第二十一頁，共25頁。5跨座式單軌車輛運行平穩(wěn)性研究第二十二頁，共