基于SIMPACK的城市轨道车辆脱轨安全性分析_陈龙.pdfVIP

城市轨道交通研究 年 上海市教育委员会重点学科建设项目 上海市教育委员会科研创新项目 基于 的城市轨道车辆脱轨安全性分析 陈 龙 方 宇 潘以成 杨子墨 上海工程技术大学城市轨道交通学院 上海 杭州电子科技大学计算机学院 杭州 第一作者 硕士研究生 摘 要 运用 的轮轨模块 建立城市轨道车辆的 多体动力学模型 对车辆在不同速度和不同轨道不平顺激励 条件下的脱轨安全性进行分析 仿真结果表明 城市轨道车 辆在运行过程中 垂向的长波不平顺对车辆的扰动较大 容 易造成车辆的安全事故 现有的城市轨道车辆脱轨安全标准 比较保守 在分析车辆的脱轨安全性时 可以采用欧洲 规范对脱轨系数以每 平均处理 避免脱轨系数峰值的影 响 或者利用 准则进行辅助评判 关键词 城市轨道交通 车辆 脱轨系数 安全性 中图分类号 是机械系统运动学及动力学仿真分 析软件 能辅助工程师对所设计的各种复杂机械系 统进行动力学性能仿真分析 软件采用 相对坐标系下完全递归算法 可以快速建立机械系 统的动力学模型 包含关节 约束 各种外力或相互 作用力 并且自动形成动力学方程 然后利用各种求 解方 式 如 时 域 积 分 得 到 系 统 的 动 态 特 性 中的轮轨模块是德国宇航中心集合 多年轮轨接触模拟的经验和现代先进的模拟技术及 常用模拟工具于一体的技术结晶 也是当前铁路车 辆动力学仿真软件的先驱之一 本文 以 城 市 轨 道 交 通 拖 车 为 研 究 对 象 在 中建立该拖车的多体动力学模型 在不 同的轨道不平顺的激励下 计算拖车以不同的速度 通过曲线时的脱轨系数和轮重减载率 分析各种脱 轨安全性的评判标准 车辆脱轨安全性及评价标准 车辆脱 轨 根 据 过 程 不 同 大 体 可 分 为 爬 轨 脱 轨 跳轨脱轨 掉道脱轨等 其中 爬轨脱轨是随 着车轮的转动 车轮轮缘逐渐爬上轨头而引起的 脱轨 它是车辆运行中较常见的脱轨形式 也是各 国学者研究的重点 目前 我国车辆部门主要采 用脱轨系数和轮重减载率两项指标来评判车辆的 脱轨安全性 脱轨系数 国内外评判车辆脱轨的基本指标是脱轨系数 即轮轨横向力 与垂向力 之比 该比值最 初由法国科学家 提出 也称为 公式 爬轨脱轨时 左侧车轮轮缘与钢轨的接触状态 如图 所示 轮轨横向力 轮轨垂向力 所以 脱轨系数如式 所示 式中 钢轨对车轮的法向反力 钢轨对车轮的切向反力 车轮轮缘角 图 轮轨间的作用力 轮重减载率 我国在评判车辆运行安全性时除采用脱轨系数 这一重要指标外 还采用了轮重减载率指标 轮重 减载率为评定车辆在轮轨横向力为零或接近于零的 条件下 因一侧车轮严重减载而脱轨的安全性指标 其计算式如式 所示 式中 减载侧的轮重值 增载侧的轮重值 减载侧和增载侧的平均轮重值 根据城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规 则 车辆的脱轨安全性评判标准如表 所示 表 城市轨道交通车辆脱轨安全性评判标准 指标脱轨系数轮重减载率 标 准 城市轨道车辆的多体动力学模型 城市轨道车辆是一个十分复杂的系统 包含大 量的实体 比如车厢 车轴 车轮 转向架等 建立模 型时 应该忽略一些对系统无影响或影响很小的因 素 通过对城市轨道车辆各结构之间连接关系的分 析 可以用铰接形式 约束形式以及力元形式表示不 同结构之间的连接关系 即城市轨道车辆动力学拓 扑图 见图 图 城市轨道车辆动力学拓扑图 车辆的前转向架和后转向架是完全相同 建模 时将转向架和两个轮对封装成一个子结构 虚车体 和虚轮对在实际车辆中是不存在的 这只是为了方 便建立子结构 对于车辆的动力学完全没有影响 轮对与虚轮对之间采用 号铰接 表示两者固接为 一个整体 车体和虚车体也作同样的处理 坐 标系默认为轨道 轮对通过虚轮对与轨道之间的耦 合关系用 号约束 号铰接以及 号力元表 示 转向架与 坐标系之间默认用 号铰接 轨道线路为上海轨道交通 号线某一段线路 其详细参数如表 所示 表 轨道线路参数 位置长度 曲率半径 超高 直线段 缓和曲线段 圆曲线段 缓和曲线段 直线段 城市轨道车辆运行安全性分析 以车速 为例 在无轨道不平顺的情况 下 利用 仿真计算车辆过弯时的脱轨系 数和轮重减载率 结果如图 和图 所示 图 脱轨系数 第 期 研究报告 城市轨道交通研究 年 图 轮重减载率 车辆过曲线段时 脱轨系数和轮重减载率沿着 缓和曲线逐渐增大 过圆曲线时达到最大值 并且外 侧的脱轨系数远大于内侧的脱轨系数 车速和轨道不平顺对安全性的影响 考虑轨道不平顺 一般轨道不平顺可以分为长 波激励和短波激励 如图 和图 所示 图 短波不平顺激励 图 长波不平顺激励 考虑轨道不平顺的两个方向 垂向不平顺和横 向不平顺 一共有 种不平顺组合 如表 所示 表 轨道不平顺组合 不平顺组合横向不平顺垂向不平顺 长波长波 短波长波 长波短波 短波短波 根据城市轨道车辆的实际情况 车速取 脱轨系数和轮重减载率为每个速度下的瞬时最 大值 由于横向力的方向造成了外侧轮脱轨系数为 负值 作图时取其绝对值 其结果如图 图 所示 图 组合 图 组合 图 组合 图 组合 两侧的脱轨系数随速度的变化不大 虽然内侧 轮的脱轨系数远小于标准 但是外侧轮的最大 脱轨系数都超过了标准 轮重减载率随着速度 的增加而增加 速度达到 种组合的轮重 减载率都超过了标准 为了直观的分析轨道不平顺对脱轨系数和轮重 减载率的影响 给出不平顺组合相对于无轨道不平 顺的变化百分比 结果如表 及表 所示 表 外侧轮脱轨系数变化百分比 车速 组合 组合 组合 组合 表 轮重减载率变化百分比 车速 组合 组合 组合 组合 观察组合 与组合 组合 与组合 可以 看出轨道垂向长波不平顺对脱轨系数和轮重减载率 有非常大的影响 轨道横向长波不平顺的影响则小 得多 具体分析造成短波和长波不平顺的原因 短波 不平顺一般由轨面擦伤和踏面擦伤造成 轻微的变 化并不会影响行车安全 长波不平顺可能由于路基 道床不均匀沉降 导致轨道发生高低不平顺 轨距不 平顺 考虑到上海的地质结构 出现路基 道床不均 匀沉降的可能性较大 对此应该予以重视 改进的安全性评价方法 为 了 避 免 瞬 时 最 大 值 的 影 响 根 据 欧 洲 规范 取每 内的脱轨系数和轮重减载 率的平均值 组合 和组合 的变化最大 其结果 为图 图 所示 图 组合 脱轨系数 通过对比发现 每 平均之后的脱轨系数和 轮重减载率比原先的要小 虽然每个速度下的脱轨 系数还是大于标准值 但是轮重减载率都小于 标准值 图 组合 脱轨系数 图 组合 轮重减载率 图 组合 轮重减载率 针对 脱轨系数超过标准值的问题 引入 准则 此标准于 年由美国国家 运输中心 博士提出 脱轨并不仅仅决 定于轮缘贴靠侧车轮的力平衡关系 综合考虑轮缘 贴靠轮和非贴靠轮上的横向力与垂向力之比 可以更好地判断脱轨是否发生 该准则是 整轴两 轮脱轨系数之和不超过 临界值 轮缘贴靠侧 车轮 与轮轨摩擦系数 非轮缘贴靠侧车轮 之和 即 内侧脱轨系数 外侧脱轨系数 限 度 为轮轨摩擦系数 仿真计算中轮轨摩擦系数设为 限度即标准值 则 安全值为 以组合 为例 计算两侧的脱轨系数之和 结 果如图 所示 图 两侧的脱轨系数之和 下转第 页 第 期 研究报告 系统紧急制动 速度计算 列车性能 和信号供货商安全制动模型参数如下 车载检测到超 速容许量超速至牵引切除时间为 列车在最 大牵引力情况下的加速度为 最大坡度产 生的加速度为 列车施加电动动态制动响 应时间为 系统设定的超速容许量为 车载检测到超速容许量超速至牵引 切除速度增加为 列车施加电动制动相应时间内速度增加 按 列车位于最大坡度处 为 总的超速计算为 取整按 计 考虑转速计精度 轮径 列车打滑等因素 信号系统在列车速度 时测速误差一般为 在 时 测 速 误 差 一 般 为 列车失控后牵引力产生的速度按列车位于 最大坡度处计 其中列车失控牵引力产生的加速度 为 最大坡度产生的加速度为 终止失控牵引力的时间为 则列车失控 后牵引力产生的速度为 综上所述 若正常运营时列车最高运行速 度达到 在最不利情况下列车可能达到的 速度为 取 整按 计 综合考虑到车辆的构造速度 为 因此相关各专业需统一按 的速度进行设计 涉及到的相关专业有车辆 限界 轨道 信号 接触网等 若按设计原则中最不利情况下列车最高运行速 度不超过 的要求 列车正常运营速度为 取 整按 计 结论与建议 综上所述 号线及知识城支线信号系统是基 于 快慢车运营模式 型运营交路 和 列车高速 运行 等运营需求 且针对线路工程特点提出的设备 优化配置方案 快慢车运行策略 正线降级运行模式 轨旁设备方案及列车最高运行速度的分析方案进行 设计的 建议现阶段要充分调研潜在的系统供货商 在列车高速运行以及快慢车运营模式等方面的能 力 为系统实施打下良好的基础 参考文献 广州地铁设计研究院有限公司 广州市轨道交通 号线一期 及知识城支线工程信号系统初步设计说明书 广州 广州 地铁设计研究院有限公司 广州地铁设计研究院有限公司 广州市轨道交通 号线一期 及知识城支线工程行车组织与运营管理初步设计说明书 广州 广州地铁设计研究院有限公司 收稿日期 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 上接第 页 从图 可以看出 每个速度下两侧的脱轨系数 之和都没有超过 安全值 城市轨道 交通车辆组装后的检查与试验规则只考虑了单侧轮 的脱轨系数 与 标准相比有所欠缺 与我 国铁路车辆的安全标准第二限度 相比 城市轨 道车辆的脱轨安全标准更加保守 结语 城市轨道车辆在运行过程中 垂向的长波不平 顺对车辆的扰动较大 容易造成车辆的安全事故 现 有的城市轨道车辆脱轨安全标准比较保守 在分析 车辆的脱轨安全性