陆轨两用车行走系统动力学仿真研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.16MB 81 页 15积分

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...................................................................................................................1

§1.1 研究背景及意义................................................................................................1

§1.1.1 研究背景...................................................................................................1

§1.1.2 研究意义...................................................................................................2

§1.2 城市轨道交通发展概况....................................................................................3

§1.2.1 我国城市轨道交通发展现状...................................................................3

§1.2.2 世界主要城市轨道交通发展现状...........................................................4

§1.3 公铁两用车综述................................................................................................5

§1.3.1 公铁两用车概述.......................................................................................5

§1.3.2 公铁两用车发展历史及现状...................................................................7

§1.4 城市轨道交通供电系统....................................................................................8

§1.4.1 供电系统组成...........................................................................................8

§1.4.2 牵引供电系统...........................................................................................9

§1.5 本文主要研究内容..........................................................................................10

第二章虚拟样机技术及其在车辆工程领域中的应用...............................................11

§2.1 虚拟样机技术..................................................................................................11

§2.1.1 虚拟样机技术产生的背景.....................................................................11

§2.1.2 虚拟样机技术的概念及特点.................................................................11

§2.2 虚拟样机技术在车辆工程领域中的应用......................................................13

§2.3 车辆多体系统动力学研究现状及应用..........................................................15

§2.4 虚拟样机仿真软件Adams的专业模块Adams/rail ........................................ 16

§2.4.1 概述.........................................................................................................16

§2.4.2 建模过程.................................................................................................17

§2.4.3 使用Adams/rail进行分析计算 ...............................................................19

§2.4.4 Adams/rail后处理 .................................................................................... 19

§2.5 小结..................................................................................................................20

第三章陆轨两用车行走系统结构介绍和模型的建立...............................................21

§3.1 陆轨两用车行走系统结构与功能..................................................................21

§3.1.1 陆轨两用车轨道行走系统结构设计.....................................................22

§3.1.2 行走系统驱动机构简介.........................................................................24

§3.1.3 陆轨两用车行走系统的基本作用及要求.............................................26

§3.2 陆轨两用车行走系统实体模型的建立..........................................................26

§3.3 陆轨两用车动力学仿真模型的建立..............................................................27

§3.3.1 建模方法的选择.....................................................................................27

§3.3.2 动力学仿真模型的建立.........................................................................27

§3.3.3 动力学仿真模型的处理.........................................................................30

§3.3.4 模型的自由度.........................................................................................32

§3.3.5 轮轨接触关系.........................................................................................32

§3.3.6 线路设置.................................................................................................34

§3.4 小结..................................................................................................................35

第四章陆轨两用车系统动力学仿真分析基础...........................................................37

§4.1 陆轨两用车动力学分析的内容及评定方法..................................................37

§4.1.1 车辆运行稳定性计算.............................................................................37

§4.1.2 车辆运行平稳性计算.............................................................................38

§4.1.3 车辆曲线通过性能计算.........................................................................39

§4.2 车辆动力学性能评估标准..............................................................................40

§4.2.1 蛇行运动稳定性标准.............................................................................41

§4.2.2 平稳性指数.............................................................................................41

§4.2.3 脱轨系数.................................................................................................42

§4.2.4 倾覆系数.................................................................................................43

§4.2.5 轮重减载率.............................................................................................43

§4.2.6 轮轨间横向力和轮轴横向力.................................................................44

§4.3 小结..................................................................................................................44

第五章陆轨两用车系统动力学性能分析...................................................................46

§5.1 运行稳定性分析..............................................................................................46

§5.1.1 线性稳定性分析.....................................................................................46

§5.1.2 非线性稳定性分析.................................................................................49

§5.2 直线运行时车辆的响应分析..........................................................................51

§5.2.1 Sperling平稳性指数及车体振动加速度 ................................................ 54

§5.2.2 轮轨横向力.............................................................................................58

§5.2.3 脱轨系数.................................................................................................59

§5.3 动态曲线通过性能分析..................................................................................60

§5.3.1 线路工况.................................................................................................60

§5.3.2 曲线通过计算工况.................................................................................61

§5.3.3 轮轨横向力.............................................................................................63

§5.3.4 脱轨系数.................................................................................................65

§5.3.5 轮重减载率.............................................................................................66

§5.4 小结..................................................................................................................68

第六章结论与展望.......................................................................................................70

§6.1 研究结论..........................................................................................................70

§6.2 本文的创新点..................................................................................................71

§6.3 前景展望..........................................................................................................71

参考文献.........................................................................................................................73

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................76

致谢...............................................................................................................................77

摘要

随着城市轨道交通在全国的迅速发展，迫切需要改变原有的对城市轨道交通

供电线路进行检修或抢修的设备，为此，对陆轨两用车的研制将具有非常重要的

社会意义和可观的经济效益。

本文根据市场对城市轨道交通供电线路维修或抢修的需要，首先自行研制了

陆轨两用车的行走系统，该项技术目前在国内尚属技术空白。陆轨两用车的行走

系统实现了车辆在站台和轨道间快速转换的功能；且具有轨道和公路两套行走系

统及一套动力传动系统，实现了车辆在轨道和站台上自带动力分别行驶的需要。

整个行走系统在满足功能的基础上具有设计新颖、结构简单、安全可靠等优点。

为了在后续研究和生产物理样机之前对安装该行走系统的陆轨两用车的动力

学性能进行研究，本文以安装该行走系统的陆轨两用车为研究对象。首先介绍了

陆轨两用车行走系统的总体结构组成，并对本文进行仿真所采用的轨道行走系统

进行了较详细的分析和介绍。其次采用动力学仿真软件Adams/Rail对陆轨两用车建

立了完整的动力学仿真模型。然后以此模型为研究对象，针对不同线路工况下车

辆运行动力学性能进行了大量的时域内的仿真计算，主要包括车辆的蛇行运动稳

定性、车辆在直线运行时的Sperling平稳性指数、脱轨安全性和动态曲线通过性能

等。

通过对在轨道不平顺激励下陆轨两用车在直线及曲线上运行时的各种动力学

性能参数的分析，证明这些参数均符合GB5599-85

《铁道车辆动力学性能评定和试

验鉴定规范》。说明安装该行走系统的陆轨两用车在最高运营速度80Km/h范围内

具有良好的蛇行运行稳定性、乘坐舒适性、抗脱轨安全性和动态曲线通过性。从

而为后续的研究和物理样机的生产提供理论依据和技术参考。

关键词：陆轨两用车行走系统动力学仿真模型仿真计算动力学性

能

Abstract

With the rapid development of urban orbit traffic, it is a matter of great urgency to

improve the equipments used for overhauling and repairing power supply lines for orbit

traffic in case of emergency. Therefore, the research into the roadrailer will have big

practical social and economic values.

Based on the market demand for the equipments of overhauling and emergency

repairing, firstly, the article focuses on the exploration and development of the

roadrailer mobility Systems, the technology of which will help to fill a vacancy in this

field domestically. The Systems enable the vehicles to transform quickly between

running at platform and in orbit. Composed of an orbit and a road mobility system and

also a power driven system, the Systems have allowed the cars with built-in powers to

run both at platform and in orbit respectively. Apart from all the powerful functions, the

Systems also boast of original design, simple structure and reliable safety.

For the sake of the further study of the Systems’ dynamic performance and the

future production of the model machine, the article targets at the research of the

roadrailer equipped with the Systems. In the first place, its structural composition is

introduced, and a simulation of the Systems is analyzed and presented in detail.

Secondly, a dynamic simulation software – Adams/Rail is adopted in modeling an

integrated dynamic simulation. After that, the model being the investigated subject, a

large number of simulation calculations containing all instances of vehicle motion

dynamic performances in certain time domain have been carried out, including

vehicular hunting motion stability, Sperling stationarity index in rectilinear motion,

digression safety and dynamic curve transit performance, etc..

Analyses of all kinds of dynamic performance parameters collected when the

roadrailer, inspired by irregular tracks, is in rectilinear and curvilinear motion arrive at

the sum-up: these parameters are definitely in accord with GB5599-85 Railway Vehicles

—Specification for Evaluation the Dynamic Performance and Accreditation Test.

Through the research comes the conclusion: the roadrailer with mobility systems, at or

below its maximal operation velocity of 80Km/h, are possessed of nicer hunting motion

stability, application comfort, anti-digression security and dynamic curve steering ability.

Therefore, academic basis and technological references have been proposed for the

further study and production of the model machine.

Key words: roadrailer, the running gear system, dynamics simulation

model, simulation calculations, dynamic performance

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.1.1 研究背景

随着城市经济的可持续发展，市区交通日益拥堵，而传统的城市交通发展模

式很难从根本上改变拥挤—缓和—拥挤的恶性循环。重新认识城市发展规律、寻

求城市交通的可持续发展之路，已经普遍成为世界上许多城市所共同关注的问题。

为克服城市交通堵塞、城市污染等“城市病”，必须尽快发展以轨道交通为骨干的

城市客运公共交通，发达国家的经验表明，地铁和轻轨是解决大中城市公共交通

运输的根本途径，对于21世纪实现城市可持续发展具有非常重要的意义[1]。

目前在我国，为解决城市交通存在的问题，全国已有许多城市已经建立或正

在建立城市轨道交通系统。现有6个城市(北京、上海、广州、天津、深圳、南京)

拥有和正在建设地铁，4个城市(北京、上海、武汉、重庆)已建设高架轨道交通系

统，天津、大连两城市建设了市郊铁路，长春市建设了地面轻轨，上海市建成了

高速磁浮系统，北京和广州正在规划建设直线电机系统。

自1998年以来，我国先后开工建设的21个轨道交通项目，线路里程约500公里，

投资规模1700亿元。目前已有13条线路建成通车，完成里程约300公里，完成投资

770亿元。加上北京、上海、广州已运营的线路，我国目前已经开通运营的轨道交

通线路里程已达420公里(未含香港和台湾)。

因此，从长远规划来看，中国城市在城市轨道交通的建设的投入才刚刚开始。

以上海为例，上海现有轨道交通的运营里程为139公里，超越香港和北京成为全国

第一。根据新一轮的城市规划，上海拟建地铁11条，长384公里，轻轨线路10条，

长约186公里，每年平均要建设15～20公里，需要投入资金100亿元，而完成总体

规划则需要投入3000多亿元。从中不难想象中国城市轨道交通市场的总体规模有

多大。

据有关专家估计，在国家宏观政策引导和扶持下，我国在“十一五”期间，

全国城市轨道交通投入运营里程将达到1000公里左右，在2010～2020年期间，又

将会有1000～2000公里左右的城市轨道交通建成并投入运营，我国城市轨道交通

才真正开始进入一个蓬勃发展时期。

城市轨道交通系统的建成，极大的方便了人们的出行，很大程度上缓解了城

市交通中存在的弊端。其具有运量大、快速、正点、低能耗、乘坐舒适方便等优

陆轨两用车行走系统动力学仿真研究

点。但其缺点也相当突出，制约着城市轨道交通的进一步发展。电能是轨道交通

系统必需的能源，几乎所有的轨道交通设备都离不开电力供应，一旦供电中断，

整个轨道交通运输系统将陷入瘫痪状态。因此迫切需要一些地铁和轻轨供电线路

维修车来保证城市轨道交通有一套高度安全、可靠的供电系统。

然而在我国现有的对轨道交通供电线路检修和抢修中，主要是使用轨道接触

网检修车。平时，轨道接触网检修车一般停靠在车辆段内的专用轨道上，在进行

线路检修时，只有在地铁和轻轨车辆停止运行后，才能从车辆段驶往线路检修地

点进行线路检修。而一旦发生电力中断，只能从车辆段开往出事地点，具有速度

慢、运行时间长、无法快速移至抢修点的缺点；而且，一旦失去电力供应的地铁

或轻轨车辆处于轨道检修车和出事地点之间，轨道接触网检修车就无法到达出事

地点，只有等待失去电力供应的地铁或轻轨车辆被轨道车拖挂出去后，才能驶往

出事地点进行电力抢修，严重的造成了抢修周期长、资源浪费的弊端。并且轨道

接触网检修车在每日停止运营后的维护用车，也是以燃气为其动力来源的，有一

定的污染，且维护费用成本也很高。因此，许多城市轨道交通公司均想改善这种

轨道接触网检修车或设计出一种能代替该车功能的另一种运营成本低、快捷、轻

便的线路检修兼抢修车辆。于是产生了研制陆轨两用车的构想。

§1.1.2 研究意义

虽然公铁两用车在我国铁路上有着广泛的应用，但由于我国的城市轨道交通

主要是在近些年才迅速发展，公铁两用车在我国的城市轨道交通中还很少使用，

特别是能够在轨道与站台间快速转换的公铁两用车至今在国内还没有单位研制。

随着建设城市轨道交通的城市的不断增加，城市轨道交通的线路在迅猛增长，在

供电线路检修和抢修中面对的问题不断增多，现有的轨道接触网检修车已远远不

能满足城市轨道交通发展的需要。而目前国内还没有用于城市轨道供电线路检修

和抢修的在轨道与站台间快速转换的陆轨两用车，因此研制陆轨两用车已成为一

项崭新的课题。如前说述，我国已有许多城市已经建立或正在建立城市轨道交通

系统，对于供电线路检修和抢修是城市轨道交通公司在轨道交通设备维护中必不

可缺少的环节，如果在每条线路上每隔一个区间段布置一辆陆轨两用车，则陆轨

两用车的在国内的市场前景将是广阔的和可以预见的。

陆轨两用车是指一种既能在站台上行驶又能在轨道上行驶的能检修供电线路

的特种工程车辆。该车平时停靠在站台上，当轨道交通电力供电线路检修或发生

电力供电系统电力突然中断时，即可从最近的站台下放到轨道上，从而迅速及时

第一章绪论

的开往线路检修或电力中断地点，大大缩短了电力供电系统的检修或抢修时间，

为城市轨道交通系统安全有效的运行提供了强有力的保障。

作者研发的陆轨两用车行走系统，具有很强的技术创新性，且拥有全部自主

知识产权。安装该行走系统的陆轨两用车可以布置在轨道交通的若干站台上，使

轨道交通运营商快速、便捷地处理出现的轨道交通故障，为日益增长的城市轨道

交通的正常运转提供强有力的技术保障。该项目具有非常重要的社会意义和可观

的经济效益。

§1.2 城市轨道交通发展概况

§1.2.1 我国城市轨道交通发展现状[2～4]

§1.2.1.1 我国城市轨道交通发展的历程

我国的城市轨道交通经历了40多年的发展历程。总结发展过程,大致经历以下

几个阶段:

1. 起步阶段

从20世纪50年代，我国开始筹备地铁建设,规划了北京地铁网络。1965～1976

年建设了北京地铁一期工程(54公里)。当时地铁建设的指导思想更注重人防功能。

随后建设了天津地铁(7.1公里,现已拆除重建)、哈尔滨人防隧道等工程。

2. 开始建设阶段

20世纪80年代末至90年代初，由于城市规模限制及道路等基础设施比较薄弱，

北京、上海、广州等特大城市的交通问题非常突出。以上海轨道交通1号线(21公里)、

北京地铁复八线(13.6公里)和地铁一期工程改造、广州地铁1号线(18.5公里)等建设

项目为标志，我国内地真正以城市交通为目的的地铁项目开始建设。台湾省台北

市也于1997年3月开通了第一条地铁线路。

3. 建设高潮开始阶段

进入20世纪90年代，随着上海、广州地铁项目的建设，一批城市包括沈阳、

天津、南京、重庆、武汉、深圳、成都、青岛等开始计划建设轨道交通项目，并

进行了大量的前期工作。

4. 调整阶段

由于各大城市要求建设的地铁项目较多，且在建地铁项目的工程造价较高，

1995年12月国务院发布国办60号文，暂停了地铁项目的审批，并要求做好发展规

划和国产化工作。同时，国家计委开始研究制定城市轨道交通设备国产化政策。

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