悬挂式单轨车辆导向力矩优化研究

从车辆设计及系统动力学参数优化的角度出发探索优化悬挂式单轨车辆导向性能的方法。首先对悬挂式单轨车辆结构进行分析,在此基础之上建立悬挂式单轨车辆拓扑构型关系和基于多体动力学的动力学仿真模型;然后对悬挂式单轨车辆系统动力学参数进行灵敏度分析,筛选出对悬挂式单轨车辆导向力矩影响显著的参数;最后以影响显著的系统动力学参数作为优化设计变量,以车辆曲线通过性能和平稳性作为优化约束条件,采用NSGA-Ⅱ遗传算法作为优化算法,运用多体动力学软件(ADAMS)与多目标优化软件(modeFRONTIER)联合对悬挂式单轨车辆导向力矩进行优化分析,并对优化结果的有效性和可行性进行验证。优化结果表明:在满足给定约束条件下,当空气弹簧垂向刚度、空气弹簧横向刚度、走行轮垂向刚度、走行轮侧偏刚度、导向轮径向刚度达到最优解时,悬挂式单轨车辆的导向力矩降低了26.57%～38.57%,悬挂式单轨车辆的导向性能得到了有效提高。     

走行轮垂向刚度对跨座式单轨车辆曲线通过性能的影响

考虑到跨座式单轨车辆通过曲线时主要靠导向轮来导向,导向轮径向力大小是评价单轨车辆曲线通过性能的一个重要指标。运用多体动力学仿真分析软件ADAMS建立单轨车辆仿真模型。在轨道半径和超高都不变的情况下,车辆以恒定的速度运行,通过改变走行轮垂向刚度的大小来分析导向轮所受径向力情况以及对车辆曲线通过性能的影响。单轨车辆仿真分析研究表明,走行轮垂向刚度的大小对车辆的曲线通过性能有很大影响。     

悬挂式单轨车特殊工况对运行性能的影响

悬挂式单轨车近年来在我国发展迅速,其造价低、空间利用率高、爬坡能力强、运量大等优点较传统城市交通优势明显。针对悬挂式单轨车在运营过程中可能遇上的侧风和空气弹簧失效等特殊工况,通过多体系统动力学软件SIMPACK进行建模和仿真分析。结果表明:特殊运营工况对车辆运行平稳性影响较大,但都满足要求;在侧风曲线通过工况下,车体偏转较大并长时间作用在偏转止挡位置,因此为安全考虑应当减速运行;空气弹簧失效和斜置减振器失效工况下,车辆曲线通过性能变化不大,可以以原运行速度安全运行到车站检修。     

基于降低悬挂式单轨车辆侧滚的结构参数优化研究

根据悬挂式单轨车辆的结构特点,通过多体动力学软件ADAMS建立悬挂式单轨车辆动力学模型。以车辆走行轮、导向轮、吊架、空气弹簧、中心销、横向拉杆、横向减振器等结构参数作为设计变量,结合多目标优化软件Mode FRONTIER和单因素敏感性分析方法,探索了影响悬挂式单轨车辆侧滚的因素,并甄别出影响悬挂式单轨车辆侧滚的主要因素;针对影响车辆侧滚的主要因素,确立将车辆具有良好的曲线通过性和运行稳定性作为约束条件,建立了以车辆侧滚为目标的优化数学模型,采用第二代非劣排序遗传算法为优化方法,进行了以车辆侧滚最优为目的的优化研究。优化结果表明:在满足给定的约束条件下,当单轨车辆各参数达到最优解时,车辆侧滚角减小了6.3%～11.4%。     

水平轮垂向刚度对跨坐式单轨车辆曲线通过性能影响的仿真分析

基于多体动力学理论,利用UM建立了跨坐式单轨车辆动力学模型.在轨道参数和车辆运行速度不变的情况下,仿真分析了不同水平轮垂向刚度下的单轨车辆曲线通过性能评价指标.仿真计算结果表明:在水平轮垂向刚度变化范围内,车体振动加速度和平稳性指标均满足国家相关标准要求,且评定等级均达优;随着水平轮垂向刚度的增大,车辆的曲线通过性能明显转好,但车辆的平稳性指标和振动加速度却逐渐增大,使乘客乘坐舒适度有所下降;当水平轮垂向刚度增大到一定程度时,车辆的曲线通过性能受其影响变小.     

带差速机构的跨坐式单轨车辆性能研究

借鉴轨道交通车辆差速控制技术,在跨坐式单轨车辆走行系统上增设差速机构,可使左、右走行轮以不同转速通过曲线,从而达到改善车辆动力学性能、降低走行轮磨损的目的。建立了带差速机构的跨坐式单轨车辆耦合动力学模型。与常规单轨车辆相比,带差速机构跨坐式单轨车辆在曲线工况下走行轮的纵向力、回正力矩降幅明显,车辆动力学性能更优,车辆走行轮磨损也得到有效控制。     

稳定轮失效对跨坐式单轨车辆运行安全性及舒适性的影响

通过Simpack建立稳定轮失效而安全轮正常工作的跨坐式单轨车辆动力学模型,根据安全性及舒适性评价指标,研究在横风作用下稳定轮失效对车辆的安全性及乘客舒适性的影响。结果表明,在横向风条件下,稳定轮失效的单轨车辆仍具有一定的安全运行能力,通过曲线时不会发生倾覆;但抗倾覆稳定性变差,在直线或曲线时乘客舒适性恶化。建议稳定轮失效后车辆应减速行驶,尽快到邻近站点疏散乘客。     

悬挂式单轨车辆曲线通过性能分析

分析悬挂式单轨车辆的转向架结构及组成,建立相应的SIMPACK动力学仿真模型,总结悬挂式单轨车辆通过曲线时的受力分布和力矩平衡公式。应用控制变量法分别研究曲线通过速度、导向轮轮轨间隙和导向轮径向刚度对车辆曲线通过性能的影响。仿真结果表明,导向轮径向载荷随曲线通过速度和导向轮轮轨间隙的增大而增大,随导向轮径向刚度的增大而减小。其中,导向轮轮轨间隙对构架的横向加速度影响较大,对车体横向加速度影响较小。     

跨坐式单轨车导向轮稳定轮预压力研究

介绍了跨坐式单轨车转向架的工作原理,并依据浮心理论及动力学仿真分析得出跨坐式单轨车导向轮、稳定轮的预压力对保证单轨车的运行安全性、稳定性具有十分重要的作用。通过仿真研究了车辆在通过不同曲线半径时预压力的大小对车辆运行性能的影响,提出了确定导向轮和稳定轮预压力大小的方法。     

基于SIMPACK/ISIGHT的跨座式单轨列车走行轮偏磨研究与优化

跨座式单轨列车走行轮侧向力、侧偏角和侧倾角是影响走行轮偏磨的主要因素。文章对走行轮偏磨进行了优化,利用多参数多目标优化软件ISIGHT与动力学仿真软件SIMPACK联合仿真,得出一组单轨车辆最优的轮胎参数和悬挂参数,对减少轮胎偏磨具有一定的指导意义。     

风荷载作用下大跨度桥梁的动力响应及行车安全性分析

根据桥梁结构动力学、车辆动力学、轮轨相互作用以及结构风振的基本原理，研究风、列车、桥梁构成的动力相互作用系统的振动机理。结合实桥的动力研究，建立风荷载作用下的列车和大跨度桥梁系统动力相互作用分析模型，研究桥梁在脉动风荷载和列车荷载同时作用下的振动特性，以及桥上列车受风荷载作用下运行的安全性和平稳性，从而得出风速、车速、桥型等多种因素对风-车-桥动力系统振动特性等影响的研究结论。主要研究内容如下。     

悬挂式单轨空、重车线路动力学响应分析

基于多体动力学软件Universal Mechanism建立60自由度的悬挂式单轨车辆系统动力学模型,主要基于乘客舒适度评价指标,探讨空、重车以80 km/h速度通过平竖曲线时动力学响应的异同。结果表明,结构的特殊性使得悬挂式单轨驶过缓圆点和缓直点后车体横向摆动幅度明显,车体横向偏角时变率、未被平衡离心加速度及其时变率结果均会产生一个较大的跃变现象,且重车工况下变化量更大。由于重车惯性更大的缘故,导致振动衰减过程中车体横向低频晃动更剧烈,同一平面线路工况下,重车比空车要多3个振动衰减周期;竖曲线条件下空、重车的振动衰减周期基本一致,但重车的最大垂向加速度更大。因此,鉴于空、重车在平竖曲线处动力特性差异的事实,有必要综合考虑两者用以后期悬挂式单轨列车线路参数的确定。     

普通轨与槽型轨对现代有轨电车小半径曲线通过能力的影响

为研究不同类型钢轨上有轨电车的小半径曲线通过能力,基于多体动力学理论,建立了四模块低地板现代有轨电车仿真模型。在模型中考虑CHN60钢轨与60R2槽型轨的影响,并依据规范设置了3条小半径曲线线路,最后以车辆脱轨系数和轮重减载率为评价指标,对有轨电车小半径曲线通过能力进行评价分析。结果表明:两种钢轨上的有轨电车非线性临界速度均能满足车辆运行要求,且运行在CHN60轨上的车辆具有更好的非线性运动稳定性;在小半径曲线线路上运行时,60R2槽型轨上的车辆具有更好的稳定性,且槽型轨断面具有一定的护轨功能,因而在有轨电车钢轨选型上,建议使用槽型钢轨。     

跨坐式单轨车辆的临界横向力与曲线限速

在离心力的作用下,跨坐式单轨车辆走行部一侧的稳定轮减载。根据稳定轮刚刚脱离轨面这一临界状态,定义此时车体离心力为临界横向力。采用达朗贝尔原理将跨坐式单轨车辆通过曲线的动力学问题转换为静力学问题,推导出临界横向力和稳定轮预压力之间的关系公式,并利用多体动力学软件UM验证了公式的准确性。依据临界横向力公式,从舒适度角度计算稳定轮预压力的合理取值,得到曲线最高限制速度和最低限制速度与稳定轮预压力、轨道梁超高率以及曲线半径之间的关系。结果表明:临界横向力与稳定轮和导向轮的预压力成线性关系;考虑运行安全性和舒适度要求,本文中车辆的稳定轮和导向轮预压力设置为7kN时,轨道梁最大超高率设置为6%比较合适。     

跨座式单轨铁路的特点及其应用前景

跨座式单轨交通系统由线路、车辆系统、机电设备、车辆段及综合维修基地等部分组成,其单轨铁路轨道梁既是承重的桥梁结构,又是支承和导向的轨道;车辆采用橡胶轮胎,通过安装在转向架两侧的导向轮和稳定轮来导向和稳定车体。构造上的特点使得其走行机理、轮轨关系都与常规地铁、轻轨有很大差别。技术上的特点主要体现在车辆的转向架、轨道梁和线路道岔三方面,走行机理完全不同于钢轮———钢轨系统,轨道梁承受较大的扭转荷载。就性能而言,跨座式单轨铁路具有占用空间少,适应地形好,舒适环保等特点。     

踏面形状对地铁车辆动力学性能的影响

不同的车轮踏面形状与同一钢轨匹配时具有不同的轮轨接触几何关系,影响车辆的动力学性能.分析比较了我国LM磨耗型踏面和德国DIN5573踏面对地铁车辆动力学性能的影响.结果表明,采用DIN5573踏面时车辆的运行稳定性优于LM磨耗型踏面,而曲线通过性能则相对较差.     

基于乘客舒适度的悬挂式单轨平面圆曲线参数研究

由于车辆结构的差别,悬挂式单轨平面圆曲线参数与传统轮轨相差较大。为研究合理的圆曲线参数取值,本文运用行驶动力学理论,从乘客舒适度角度,对最小平面曲线半径和最小圆曲线长度等参数进行了计算研究,提出了相应的取值建议。当车辆最大偏转角不大于6. 843°,最大未被平衡离心加速度不大于0. 8 m/s~2,车速为80km/h时,最小平面曲线半径应不小于250 m。由于悬挂式单轨车辆的悬挂结构和参数与传统轮轨车辆存在较大区别,其最小圆曲线长度应不小于2V,是传统轮轨铁路的4倍。后续可在此研究成果基础上,利用车线耦合动力学理论,对乘坐舒适性、车线动力响应、车辆性能与线路参数之间的匹配关系等进行进一步研究,并综合考虑建设成本、运营维修等因素,合理确定各项参数。     

我国首条悬挂式单轨试验线 建设实践

悬挂式单轨采用胶轮走行系统,具有爬坡能力强、振动噪声小、转弯半径小、乘坐舒适、观景效果好、可防冰雪、适合在低温气候条件下使用等特点。悬挂式单轨属中小运量系统,是城市轨道交通多制式协调发展的补充,适合城市轨道交通辅助线或旅游观光线采用。详细介绍悬挂式单轨的技术优势,并对中唐试验线的建设概况、轨道梁桥、道岔系统、车辆、电池技术、信号控制系统等进行重点阐述,指出悬挂式单轨交通系统广阔的应用前景。     

悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。