低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真

1、收稿日期 :2002-10-08作者简介 :沈 钢 (1963- , 男 , 浙江余姚人 , 教授 , 工学博士 , 博士生导师 . E -mai l:elsgsh163. net低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真沈 钢 1, 顾 江 2(1. 同济大学沪西校区 机车车辆工程系 , 上海 ; 2. 大连机车研究所 , 辽宁 大连 摘要 :针对一实际运行中的低地板面轻轨车辆及其轮轨磨 耗问题 , 采用接触角反 推法设计了 优化的独 立轮踏面 外形 , 并建立了多车体的整列车动态仿真模型及 基于 SIM U LI NK 的计算模块 , 分析了踏面外形及轮对 内侧距对 车辆 动力学性能的影响 .

2、通过实际运用证明了用接触角 设计方法 获得的新踏 面外形 的有效 性 . 在 仿真计 算模型 中对带摩擦旁承的摇枕模型进行了改进 , 以利于 数值处理速度和保证计算精度 . 关键词 :轻轨车辆 ; 踏面外形设计 ; 动力学仿真计算中图分类号 :U 260. 11; T P 391. 9 文献标识码 :A 文章编号 :0253-374X(2003 10-1206-06Study of Dynamic Performances of Low Floor Tramcar with Modified Wheel Profiles DesignedVia Contac-t angle -curve (C

3、AC MethodSH EN Gang 1, G U Jiang 2(1. Department of Locomotive and Car Engineering, Ton gji University West Campu s, Shanghai , China;2. Dalian Research Institute of Locomotives, Dalian , ChinaAbstract :A series of w heel profiles are created via CAC(contact angle curve method for a practical low fl

4、oortramcar suffering from heavy w heel/rail w ear. Validation of these profiles are also undertaken v ia computer simulations w ith a nonlinear dynam ic model based on SIM ULINK for the tram car consisting of three jointed car bodies and three bogies. T he results show both of the effectiveness of C

5、AC m ethod and the updated mode-ling method for bolsters w ith friction side -bearings. Key words :light -rai-l vehicles; design of w heel profile; dynamics simulation低地板面列车在城市轻轨交通中已有大量的运用 , 尤其在西欧国家 1, 在我国则刚刚起步 . 人们在享 受有轨交通带来的快捷低价的同时 , 车辆运行部门也正在承受着因传统转向架结构而带来的负担 , 尤其在 轮轨磨耗及噪声方面 2. 这种低地板面车辆往往都含有带独立轮的

6、低地板面拖车转向架和带有传统刚性 轮对的高地板面动力转向架 . 如图 1所示 . 独立轮和刚性轮在较小半径的曲线上都会出现较大的轮缘磨耗 和踏面磨耗 , 并且独立轮在直线上因无自导向能力 , 会出现贴靠一边的现象 , 因而其轮缘磨耗比刚性轮对 更严重 . 比如法国巴黎的 T1/T2线轻轨车每 1. 52. 0万 km 就因轮缘磨耗到限而旋轮 , 这已经是在润滑 良好的条件下的统计数据 . 图 2所示为一用便携式轮踏面外形测量仪 WRS20003实际测量的独立轮踏面 轮缘磨耗接近限度时的轮廓曲线 , 可见踏面磨耗仅 0. 88mm, 而轮缘磨耗已达 5mm 左右 , 限度为 6mm. 当然采用先

7、进的润滑方式是有效的措施之一 , 但不能从理论上解决这一问题 . 关键问题是如何使独立轮转 向架的设计更趋合理 , 传统转向架如何适应小半径曲线轨道 . 本文就其中的关键因素 踏面外形 , 探讨 了可能的优化设计方法和对铰接式低地板面轻轨车辆动力学性能的影响 .第 31卷第 10期 2003年 10月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol. 31No. 10 Oct. 2003 图 1 铰接式部分低地板面轻轨车辆结构简图Fig. 1 Illustration of a low -floor car图 2 实测的某踏面轮廓 Fig. 2 Me

8、asured worn wheel profile1 踏面外形的设计车轮的踏面外形是轮轨系统的关键因素之一 , 它不仅关系到稳定性也关系到轮轨的磨耗 . 对于具有独立轮的转向架而言 , 虽然不存在临界速度问题 , 可以不考虑稳定性问题 , 但希望踏面具有较高的对 中能力 , 来弥补自导向能力缺乏的问题 . 但这一点往 往被忽视 , 而简单地将动轮转向架的踏面外形用于 独立轮 . 这与踏面外形设计的传统表达方法 4也有 关 , 因为这种方法难以直接与动力学参数相关联 , 导致设计周期长且难以优化 5.本文采用接触角反推法 6设计了一组用离散点表示的踏面外形用于独立轮 , 并通过动力学仿真分 析

9、, 选择了一个具有较好动力学性能的外形 CREAT 6型 , 如图 3所示 . 图中也示出了原踏面外形 LRTW 型 . 图 4和图 5分别为原外形 LRWT 、 新外形 CREAT6与 50kg m -1钢轨匹配时的接触线图 . 由图 4可见 原外形踏面的轮对在轮对横移量小于 4mm 的范围内 , 其接触点主要集中在轮缘根部和轨头小圆角部位 , 可以预见有较大的接触应力 , 实际的观察结果也证明了这一点 . 由于接触点的变化范围小 , 因而左右接触 角的变化范围也小 , 虽然接触角角度值较大 , 但左右接触角的差值不会大 , 因而造成期望的刚度反而低 . 根 据这一分析 , 采用了接触角反推

10、法 6, 即根据原外形 LRTW 与 50kg m -1型钢轨的计算结果 , 如图 6 中的图 3 踏面外形的比较Fig. 3 Comparison of two wheel profiles虚线 , 用人为的方法直接将接触角曲线修正为期望值 , 如图 6中的实线 . 这里定义轮对横移量向右侧为正 , 反 之为负 . 即降低横坐标为负值区段的接触角值 , 甚至为 负值 , 这样可以使右侧的接触点移向钢轨的顶面 , 甚至 移至钢轨的外侧 ; 同时将横坐标 为正值区段的接触角 值增大 , 这样可以使左右侧接触角差增大 . 反推出踏面 外形后再与 50kg m -1型的钢轨进行几何匹配计算 , 图

11、7为求得的左右接触角差随轮对横移量的变化曲线 , 实 线为 CREAT6的 , 曲线为 LRTW 的 . 可见新的踏面外 形的接触角差在轮对横移量 01. 3mm 范围内低于原 来的 , 这样对应的等效斜度也低 , 假如这个踏面也用于 刚性轮对 , 则 有利于稳定性 ; 在轮对横移 量 1. 34. 0mm 范围内 , 接触角差逐步增大 , 这有利于轮对在直道 上的对中和抵御外加横向力的能力 .1207 第 10期 沈 钢 , 等 :低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真 图 4 原外形与钢轨匹配时的接触线图 Fig. 4 Contact graph of the original profil

12、e图 5 新外形与钢轨匹配时的接触线图 Fig. 5 C ontact graph of the modified profile图 6 单侧接触角随轮对横移量的变化Fig. 6 Comparison of contact angle function curves图 7 左右接触角差随轮对横移量的变化Fig. 7 Comparison of contact angle difference curves图 8 动力学计算模型简图Fig. 8 Diagram of the calculation model2 动力学仿真模型的建立为了分析设计踏面外形对车辆动力学性能的影响 , 采用 SIM U

13、LINK 建模工具建立了多自由度的整 列车模型 . 图 8所示为动力学模型的计算简图 . 每节车体有横移、 摇头和侧滚自由度 , 每只构架有横移、 摇 头和侧滚自由度 , 刚性轮对有横移和摇头 , 独立轮对有横移和摇头自由度 , 但纵向蠕滑力为零 . 不计轮子的 1208同 济 大 学 学 报 第 31卷滚动惯量 . 前后动力转向架有摇枕自由度和摩擦旁承 , 电机为架悬式 , 计入构架质量中 . 中间的非动力转向 架无摇枕 , 车体的两根牵引拉杆用一刚度来模拟 . 车间悬挂有 2种 , 第 1辆车与第 2辆车体间有上下 2个联结点 , 计及上下 2个横向刚度和下面一点的回转摩擦阻尼 ; 第 2

14、辆车与第 3辆车体间只有下面 1个联结 点 , 计及 1个横向刚度及回转摩擦阻尼 , 可以模拟不同的轮踏面外形、 不同的轮对内侧距、 不同的车辆载重 和不同的轨道类型 , 如曲线、 直线和道岔等 . 所有干摩擦副的仿真模块采用带有串联刚度的无速度变量方 法 7.3 动力学仿真计算结果分析3. 1 曲线通过的计算结果计算了该轻轨车通过一 96m 半径的曲线轨道时的各项性能指标 . 计算中设定曲线长度分别是 :直线 5m, 入缓和曲线 50m, 圆曲线 60m, 出缓和曲线 50m, 原曲线上的超高设置为 50mm. 恒速通过速度为 40km h -1. 计算中比较了 2种踏面外形 :LRTW 和

15、 CREAT6. 钢轨型号为 50kg m -1, 轨低坡为 1/40. 稳 态的典型计算结果如表 1所示 . 表中 :Y w 为轮对横移量 ; w 为轮对冲角 ; F y 为外轮的横向轮轨作用力 ; W 为外轮的磨耗功 .表 1 圆曲线上的稳态值Tab. 1 Steady -state value on curved track踏面外形 动力转向架导向轮对Y w /mm w /mrad F y /kN W /(J m-1拖车转向架导向轮对Y w /mm w /mrad F y /kN W /(J m -1 LRTW 5. 1814. 6121. 35311. 255. 1314. 5518.

16、 44273. 50CREAT 64. 5813. 6317. 96248. 344. 3113. 4513. 69210. 60减小百分比 /%11. 586. 7115. 8820. 2115. 987. 5625. 7623. 003. 2 对外界干扰力的仿真为了比较这 2种踏面外形的车辆对施加于中间车体的外力的响应 , 分析 2种踏面对列车复原能力的 影响 , 仿真计算了列车在平直道上运行时 , 当中间车体质心处施加半峰值为 1t 的交变正弦波的横向外力 时轮轨间的响应 . 图 9和图 10分别为 2种踏面时的轮对的净横向力 , 可见采用 CREAT 6踏面的独立轮的 净横向力要比 L

17、RTW 的小 35%40%.轮对的横移量要小 1mm 左右 .图 9 独立轮踏面为 LRTW 时各轮对净横向力 Fig. 9 Net lateral forces of each wheelsetsfor LRTW profile图 10 独立轮踏面为 C REAT6时各轮对净横向力Fig. 10 Net lateral f orces of each wheelsetsf or CREAT6profile3. 3 对轨道周期激扰的响应为了分析 2种踏面外形轨道横向周期激扰的影响 , 观察对中能力 . 假设有一单一周期的横向位移激扰 , 横移量峰值为 10mm. 计算结果如图 11和图 12所

18、示 , 分别为独立轮踏面为 LRTW 和 CREA T 6时的各轮对的 横移量 . 可见主要区别在于 CREAT 6踏面轮对的第二波要小于 LRTW 踏面轮独立轮对的 , 并且恢复较快 .1209 第 10期 沈 钢 , 等 :低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真 图 11 独立轮踏面为 LRTW 时各轮对的横移量 (周期激扰 Fig. 11 Lateral displacem ents of each wheelsetsfor LRTW profile (periodical excitation图 12 独立轮踏面为 C REAT6时各轮对的横移量 (周期激扰 Fig. 12 Latera

19、l displacem ents of each wheelsetsfor CREAT6profile (periodical excitation3. 4 通过 19m 半径曲线 (道岔 的响应为了比较 2种踏面对车辆通过很小半径的轨道时动态特性的影响 , 假设了一段由 10m 长的缓和曲 线、 2m 长的 19m 半径的圆曲线、 10m 长的出缓和曲线组成的水平轨道 , 相当于一段道岔的外形 . 通过速度为 20km h -1. 计算结果如图 13和图 14所示 , 分别为 LRTW 踏面和 CREAT 6踏面时的车辆各轮对的 横向位移 , 可见采用 CREAT6踏面的 独立轮的 横移量峰

20、 值要小一 些 . 图 15和图 16分别为 LRTW 和 CREAT6踏面时的车辆各轮对的横向力 , 可见采用 CREAT6踏面的独立轮的横向力峰值要小 25%, 并且 无不稳定现象 .图 13 独立轮踏面为 LRTW 时各轮对的横移量 (19m 半径曲线 Fig. 13 Lateral displacem ents of each wheelsetsfor LRTW profile (19 m图 14 独立轮踏面为 C REAT6时各轮对的横移量 (19m 半径曲线 Fig. 14 Lateral displacem ents of each wheelsetsfor CREAT6prof

21、ile (19m4 踏面运用结果及结论所设计新踏面经过一年多的试用 , 发现轮轨接触区域已按设计期望移向踏面中部 , 原先在踏面根部出 现因高接触应力引起的塑性流动已明显消减 , 表明轮轨接触已趋于合理 . 同时轮缘磨耗经综合治理 (调整 轮对内侧距、 调整踏面外形、 调整材质和设置润滑装置 已大大减小 , 较严重的拖车独立轮的寿命由原先的 小于 2万 km 提高到 6万 km, 已超过了法国同类型车辆的水平 (2. 5万 km . 表明采用合理的踏面外形可 以进一步改善车辆动力学的性能 , 减小轮轨磨耗 . 采用接触角反推法设计出既适用于独立轮又适用于刚性 轮 的踏面外形是可能的 . 这一方

22、法更适合于较大曲线半径上运行的干线铁路车辆的各种踏面外形的设计1210同 济 大 学 学 报 第 31卷第 10 期 沈 钢 , 等 : 低地板车辆的踏面外形设计及动力学仿真 1211 图 15 独立轮踏面 为 LRTW 时各轮对外轮的横向力 Fig. 15 Net lateral forces of each wheelsets for LRTW profile 图 16 独立轮踏面为 CREA T6 时各轮对外轮的横向力 Fig. 16 Net lateral forces of each wheelsets for CREAT6 profile 和优化. 但对于极小半径的城市路面有轨系统

23、而言 , 不可能光靠踏面外形的优化来解决磨耗问题 , 必须配 备性能良好的轮缘润滑装置. 但为了从根本上解决由于轮轨系统固有矛盾带来的轮轨磨耗问题, 必须从系 统工程的角度, 在轻轨项目的初期确定合理的车辆结构、 线路条件和运行模式. 车辆结构上的选择方案也 有多种. 参考文献 : 1 2 3 4 5 6 7 Hondius H. German cities dominate deliveries of novel low and middle -floor cars J . Developing M et ors, 1994, 8: 13- 17. R emington P J. Wheel/ rail rolling noise: What do w e know