机车蛇行运动的动力学仿真报告

第23卷第6期铁道机车车辆2003年12月railWaYLOCOMOtiVE carDec文章编号:1008-7842(2003)06-0024-04机车蛇行运动的动力学仿真报告王珏,李治西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)摘要应用全三维空间耦合的机车系统动力学仿真软件,对反对称悬挂结构机车的直线运动进行了动力学仿真,揭示了由机车设计带来的机车自激振动。仿真结果的相平面图表明机车的转向架蛇行运动得到有效抑制,而车体蛇行运动未能得到很好抑制,是其自激振动的主要原因。因此,基于机车的空间耦合非线性模型,动力学仿真可以深入研究机车的非线性稳定性。关键词动力学仿真,蛇行运动,机车悬挂结构,相平面图图分类号:U260.11·2文献标志码:A前言机车模型和轮轨模型1一种方法是在小位移的前提铁道机车的性能受到两个基本问题的限制1,轨下得到线性化的多自由度动力学运动方程,使用特征道线路不平顺输入引起的不稳定性和车辆设计带来的值和特征矢量方法判断线性系统的失稳,从而得到蛇自激不稳定性。线路不平顺乃至轨道子系统的动力学行失稳旳临界速度。另外,动力学仿真旳通常方法是性能无疑是非常重要的影响因数,在铁道机车系统动依靠包含部分非线性特性的多自由度动力学运动方程力学仿真中已经得到相当细化研究2)但是,由于机给予轮对5mm的横向扰动,观察车辆的时域响应,多车系统和轮轨接触的复杂性而对杋车模型和轮轨模型次实验搜寻蛇行失稳的临界速度。的简化,使得动力学仿真计算大多依赖外部输入扰动,由于机车的复杂性,上述机车模型基本上是全对常常不能很好地揭示机车设计带来的自激不稳定性。称旳,未能反映通常机车旳反对称结构,后面将说明然而,工程实践指岀铁道杋车有一种自激蛇行运动,这对机车的蛇行运动非常关键。特征值和特征矢量方可以肯定其产生原因不是线路不平顺3。本文报告了法可以判断蛇行失稳的临界速度,但是无法知道失稳对某型机车直线运动的动力学仿真结果,应用现代计后机车蛇行运动的发展情况,机车的阻尼系统和非线算机技术的可视化方法和面向对象方法克服了机车系性的轮轨接触可以在一定程度抑制蛇行运动的发展统和轮轨接触旳复杂性,对杋车模型和轮轨模型进行因此该方法会过于保守。同时全对称的机车模型无法了细化,在没有线路不平顺输入而只是机车悬挂结构揭示业已存在的机车的蛇行运动,该方法又过于迟钝。是反对称的情况下,观察到机车的自激蛇行运动。仿全对称机车模型的动力学仿真也存在同样的缺点,而真结果的相平面图表明杋车的转向架蛇行运动得到有且由于车体的巨大惯性,5mm的横向阶跃扰动通常不效抑制,而车体蛇行运动未能得到很好抑制,是其不能激起全对称机车模型的车体蛇行运动。稳定的主要原因。因此,基于机车的空间耦合非线性机车通常是反对称结构的,我们的初步仿真结果模型,动力学仿真可以深λ研究机车的非线性稳定性。显示杋车蛇行运动在50~300kmh的速度范围都存在2机车蛇行运动抗蛇行运动减振器可以有效抑制转向架蛇行运动,但机车的蛇行运动现象表现为在直线轨道上轮对沿是单节机车滑行在刚性的轨面上似乎不存在抑制车体类似正弦轨迹前进,转向架和车体伴有横移和摇头运蛇行运动的机制。动。机车的蛇行可以分为两种型式,即车体蛇行和转3可视化和面向对象的仿真模型向架蛇行,也称一次蛇行和二次蛇行。剧烈的蛇行运图1是仿真模型的一个局部快照,三维可视化和动对于机车的稳定性和平稳性是十分不利的,当它发面向对象(面向部件)的仿真环境有利于用户直观方展到依靠轮缘接触来限制时,会加剧机车部件和轨道便地添中国煤化工数,仿真模型部件以的磨损和破坏。因此避免和减轻机车的蛇行运动是机及模型目CNMHG辆更加一致。面向对车设计的重要任务之象(面向部件)的方法,较之于面向系统(面向方程)对机车蛇行运动的研究基本上使用的是线性化的的方法和面向变量(键合图)的方法,在机车系统动王珏(1965戊数据四川乐山人,博士生(收稿日期:200-06-01)第6期机车蛇行运动的动力学仿真报告制动单元减振器4、驱动制动单元转向架减振器4、驱文动制动单元车体横向减振器4、驱动制动单元车体悬挂减振器4、车体转向架牵引减振器2)仿真模型的刚体部件都是六自由度的,其输入参数为作用力和力矩,输出参数为刚体的位置和姿态以及速度和角速度。仿真模型的柔体部件则相反,输入参数为两端的绝对位置或者速度,以及两端坐标架的转动角度或者角速度,输出参数为作用力和力矩。每个柔体部件可以设置6个方面的特性,即拉压特性和扭转特性、两个方向剪切特性和两个方向弯曲特性。刚体部件只能与柔体部件相连接,一个柔体部件连接图1机车三维仿真模型的一个局部快照两个刚体部件,于是得到三维空间全耦合的机车系统力学仿真这样的专用软件开发和使用上有明显的优势。动力学仿真模型。轮对高速旋转的陀螺效应不用特别机车仿真模型共由91个部件组成,其中刚体部件考虑就自然包括进动力学仿真中,柔体部件的非线性15个(车体1、转向架2、轮对4、驱制单元4、空心(分段线性)特性也方便地包括于动力学仿真中。轴4),柔体部件76个(二系弹簧4、一系弹簧8、轨道模型是三维的刚性轨面,暂未考虑轨道子系心轴轮对连接弹簧4、空心轴驱动制动单元连接弹簧统的振动。轮对踏面也是三维的刚性几何面,因此轮4、驱动制动单元转向架悬挂弹簧4、驱动制动单元车对和轨道之间必须加入弹性的轮轨模型,它和柔体部体悬挂弹簧8、车体转向架牵引弹簧2,二系减振器件一样输入位置和姿态,输岀作用力和力矩,请参见12、一系减振器8、空心轴轮对减振器4、空心轴驱动文献[4010203040010203040时间时间/s时间/s图250km/h机车轮对质心横移时域响应O W3040010203040010203040间时向/时问/s图3150km/h机车轮对质心横移时域响应0中国煤化工CNMH5030400102030400102030时间/时间/时间/s图4250kmh机车轮对质心横移时域响应铁道机车车辆第23卷可视化和面向对象的仿真环境为交互式地设置和运动尚未发生,而一二位和三四位轮对横移相平面图修改仿真模型提供了方便,可以处理更加复杂的机车。表明转向架蛇行运动是机车初始振动的主要成分。下根据机车的悬挂结构,本文使用的仿真模型不是全对面3个小图则表明,经过相当的时间后转向架蛇行运称的,4个驱动制动单元与4个转向架的连接在全车动得到有效抑制,而车体蛇行运动得到充分的发展形成反对称的结构;毎个空心轴一端连接驱动制动单仿真模型中不存在抑制车体蛇行运动的机制元,另一端连接轮对,在结构上也是不对称的,4个图6是200kmh和300km/h机车轮对质心横移相空心轴的连接在全车形成反对称的结构。平面图(0~40s),上面两小图是200km/h的情况,下仿真结果面是300km/h的情况。左边是一二位轮对横移相平面图2、3、4为3种速度(50、150、250km/h)下图,右边是一三位轮对横移相平面图。从图中可以得计算机仿真给岀的机车轮对质心横移的时域响应,毎岀相同的结论,即由于机车悬挂结构的反对称(主要图的左、中、右3个曲线图分别为第一、二、三位轮是转向架中驱动制动单元和空心轴悬挂的反对称),机对质心横移的时域响应。曲线图的纵轴为质心相对轨车横向振动开始主要是转向架蛇行运动,后来发展为道中心线的横移,曲线图的横轴为时间轴0~40s。计主要是车体蛇行运动。当然,高速时车体蛇行运动-一算机仿真积分算法使用的是4阶龙格_库塔法,仿真三位轮对横移有相位差,但是其发展趋势是最后一三时间步长为0.0005位轮对横移完全反相从机车轮对质心横移的时域响应曲线可以看出,下面我们顺便报告一下对机车轮轨作用力的仿真初始对中的机车行驶在平直的轨道上没有线路不平顺结果。图7是150km/h和300kmh情况下机车第一和输入,机车仍然发展岀横向振动,并且所有的横向振第二位轮对毎侧轮轨横向作用力与垂向作用力的相平动在相当长的时间里没有得到有效衰减。从时域响应面图,上面两小图是150km/h的情况,下面是曲线可知,轮对的横向振动频率随车辆运行速度提高300kmh的情况。左边是一位轮对横向作用力与垂向而增大。下面我们从机车轮对质心横移的相平面图看作用力相平面图,右边是二位轮对横向作用力与垂向机车横向振动的振型构成作用力相平面图。每个小图中同相位(东北西南走向)图5是100km/h机车轮对质心横移的相平面图。的是左侧轮轨的情况,反相位(西北东南走向)的是上面3个小图是初始0~5s的相平面图,下面3个小右侧轮轨的情况。轮轨横向力与垂向力的相平面图的图是最后5s即35~40s的相平面图,左、中、右的相纵横坐标单位都是牛顿,它以时间为参变量,反映轮平面图是分别根据一二位、一三位、三四位的轮对质对每侧轮轨横向力与垂向力相互联系、相互作用的发心横移绘岀。质心横移相平面图的纵横坐标单位都是展轨迹。可以看岀毎个轮对受到的轨道作用力在左右毫米,它以时间为参变量,反映不同轮对质心横移相两侧是不完全对称的。一个奇怪的现象是在没有不平互联系、相互作用的发展轨迹。从相平面图可以看出,顺的理想直线情况下,高速时轮轨作用力比低速时的初始时一三位轮对橫向振动具有相同相位,车体蛇行作用力数值小一些,虽然高速时轮对质心横移要大20H中国煤化工1CNMHG321012332-10233210123图5100km/h机车轮对质心横移相平面图第6期机车蛇行运动的动力学仿真报告些。高速时使情况复杂的是轮轨横向力与垂向力的相5讨论位图有迟滞现象,振动的往复运动中轮轨横向与垂向可视化和面向对象(面向部件)方法可以克服机力的相轨迹不重合,而是一个迟滞环。车系统动力学仿真中面临的复杂性,在可视交互的仿真环境中车辆和轨道的仿真模型与实际的物理模型更加一致,仿真模型可以更复杂更细致、更好地反映机车的悬挂结构。空间耦合的机车系统动力学仿真方法的确可以揭示其他简化仿真方法无法识别的现象,比如反对称机0车的车体蛇行运动。机车的车体蛇行运动似乎不象般认为的那样1有速度上界和下界,现有的仿真模型和物理模型中似乎没有抑制车体蛇行运动的机制。空间耦合非线性的机车系统动力学仿真可以输出相当复杂的变量数据,怎样从这些数据中得出有用的结论,以反馈给车辆的设计工作,这是一个需要不断图6200km/h和300km/h机车轮对质心探索的问题。横移相平面图把机车系统看作一个非线性的广义的多变量系统,使用输出变量数据的相位图可以认识该多变量系统的发展轨迹参考文献I Garg V.K., Dukkipati R.Ⅴ.、铁道车辆系统动力学[M].沈利横向力/:10°横向力/N人译.成都:西南交通大学出版社,1998.229~2672翟婉明,车辆-轨道耦合动力学(第2版)[M].北京:中国铁道出版社,20023张振淼.城市轨道交通车辆[M].北京铁道出版社4王珏,李治.一种轮轨几何算法[J].西南交通大学学报,横向力/Nx10横向刀Nt02003,38(2):132~137图7150km/h和300km/h机车轮轨橫向与垂向作用力相平面图Dynamics Simulation Report of Snake Motion of a LocomotiveWANG Jue, LI ZhiElectrical Engineering College Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 610031, ChinaAbstract: Using a 3D coupled Vehicle Systems Dynamics Simulation( VSDS )software developed by ourselves according to visual and object-orientedd, dynamics simulation computations are done with respect to the tangent motionnotion is resulted that shows the self-excited vibration due to vehicle design. phasmotion maintains which constitute of the main component ofH中国煤化工 Ion, from which snakeCN MH Gtability can be understooded on 3D coupled nonlinear modelKeywords: dynamics simulation snake motion, locomotive suspension structure, phase graph