跨座式单轨车辆动力学 性能仿真分析研究 重庆交通大学轨道交通研究院 杜子学.

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1 跨座式单轨车辆动力学 性能仿真分析研究 重庆交通大学轨道交通研究院 杜子学

2 构建了38个自由度的单轨车辆动力学模型，建立了走行轨面载荷谱，为单轨车辆设计与分析提供了理论支撑。
载落谱 38自由度车辆动力学模型 车辆动力学性能评价仿真 大编组列车弯道通过性分析 车体轻量化设计 转向架结构分析 道岔通过性分析 揭示了单轨车辆走行、导向和车轨耦合机理，构建了38个自由度的单轨车辆动力学模型，建立了走行轨面载荷谱，这些应用基础研究为单轨车辆动力学性能仿真分析、大编组列车弯道通过性虚拟试验、车体轻量化设计、转向架构架结构强度分析、牵引制动控制分析、道岔通过性分析提供了理论支撑；

3 单轨车辆数字化设计分析方法 形成了完善的单轨车辆数字化设计分析方法，为车辆自主设计和列车系统集成提供了设计分析方法。
集成单轨车辆动力学性能仿真方法、列车运行稳定性虚拟试验方法、车体与转向架结构分析方法、基于GT-DRIVER的传动系参数匹配方法、基于RAMSIS的客室人机设计分析方法、基于PMV-PPD的客室热舒适性评价方法和车辆气动特性优化分析方法，形成了较完善的单轨车辆数字化设计分析方法，为车辆自主设计和列车系统集成提供了设计分析方法。

4 目 录 1 跨座式单轨车辆的动力学性能评定 2 跨座式单轨车辆动力学模型的建立 3 跨座式单轨车辆运行稳定性分析 4
目 录 跨座式单轨车辆的动力学性能评定 1 跨座式单轨车辆动力学模型的建立 2 跨座式单轨车辆运行稳定性分析 3 跨座式单轨车辆曲线通过性仿真分析 4 跨座式单轨车辆运行平稳性研究 5

5 1 跨座式单轨车辆的动力学性能评定

6 跨座式单轨车辆的动力学性能评定 单轨车辆的动力学性能主要包括运行稳定性（安全性）、平稳性以及曲线通过能力等三个方面。按照GB5599－85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，衡量这些性能的主要指标如表所示： 动力性能 稳定性（安全性） 曲线通过能力 平稳性 涉及方面 抗脱轨稳定性 车辆抗倾覆稳定性 车辆曲线通过受力分析 车辆曲线通过侧倾稳定性 乘客乘坐舒适性 评价指标 脱轨系数、抗倾覆系数、车体侧倾角、平稳性指数

7 跨座式单轨车辆的动力学性能评定 倾覆稳定性评价
倾覆系数D用于评定车辆在侧风、离心力、横向振动惯性力等载荷作用下车辆一侧所有车轮是否会减载到腾空而脱离轨道并导致车辆倾覆，倾覆系数定义如下： 式中： Pd—车辆左右两侧车轮的垂向载荷之差 Pst —车辆左右两侧车轮的垂向载荷之和 P2 —增载一侧的车轮垂向载荷 P1 —减载一侧的车轮垂向载荷 倾覆系数应在试验车辆以线路允许的最高速度通过时的运行状态下测试，我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB ）规定车辆倾覆系数为： D<0.8

8 跨座式单轨车辆的动力学性能评定 运行平稳性评价
参照GB5599－85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，进行单轨车辆运行平稳性分析。其中运行平稳性按照平稳性指数W评价，W的计算公式如下： 式中：W—平稳性指数 A —振动加速度， 取 f—振动频率，Hz F（f）—频率修正系数 GB5599—85制定了客车、机车以及货车的平稳性等级评价标准，下表给出了客车的平稳性等级评价标准。

9 2 跨座式单轨车辆动力学模型的建立

10 跨座式单轨车辆动力学模型的建立 动力学仿真模型建立 对单轨模型进行合理的抽象、简化，等效成跨座式单轨车辆系统的物理模型亦即空间动力学模型
确定物理模型中各构件之间的运动学关系及系统自由度数，创建拓扑构型图 按照拓扑构型图建立整车仿真模型——ADAMS/View(前处理模块)里建立跨座式单轨车辆系统的虚拟样机仿真模型。

11 跨座式单轨车辆动力学模型的建立 类型 直道长度 L1（m） 过渡曲线 S1（m） 弯道半径 R(m) 弯道角度C(°) 弯道超高 H（m）
单轨车辆空间动力学模型 单轨车辆拓扑构型 类型 直道长度 L1（m） 过渡曲线 S1（m） 弯道半径 R(m) 弯道角度C(°) 弯道超高 H（m） S2（m） L2（m） R100 100 30 60 0.0408 轨 道 参 数

12 跨座式单轨车辆动力学模型的建立 车辆虚拟样机动力学模型

13 3 跨座式单轨车辆运行稳定性分析

14 跨座式单轨车辆运行稳定性分析 跨座式单轨车辆倾覆稳定性分析 运行工况：中车满载；轨道类型R100；车速36Km/h。仿真结果如下图：
走行轮垂向力 当走行轮在经过圆曲段时，其垂向力会有所变化，但与静载垂向力52KN相比，变化并不是很大。整个曲线运行过程中，左右走行轮垂向力的增减量相等。右走行轮垂向力约为65kN，左走行轮垂向力约为39kN，此时算得的倾覆系数为： 满足GB5599—85规定的机车的容许倾覆系数D＜0.8。说明单轨车辆中车满载工况下即使在小曲率半径下高速行驶，其抗倾覆稳定性也是比较高的。

15 跨座式单轨车辆运行稳定性分析 跨座式单轨车辆抗脱轨稳定性分析
对于单轨车辆来说，由于其特殊的走行结构，在直线上以正常速度运行时，如果没有受到特别大的横向力或者侧翻力矩，单轨车基本上不会发生脱轨现象。而车辆在曲线上运行时，由于超高以及离心力的存在，随着运行速度的增大，导向轮，稳定轮的径向力会发生较大变化，有可能会脱离轨面，会对车辆的安全运行造成一定的影响。 本文认为，车辆通过弯道行驶时，导向轮所受的径向压力变化较大，当前后转向架同侧的两个导向轮有一个所受的径向压力变为了零，而另一个导向轮在1000N左右时，视为脱轨。

16 跨座式单轨车辆运行稳定性分析 运行工况：中车满载；轨道类型R100；车速36Km/h。仿真结果如下图：
导向轮、稳定轮径向力 从计算结果得出：在车速不大于36Km/h时，导向轮有足够的径向力保证车辆运行稳定。

17 跨座式单轨车辆运行稳定性分析 跨座式单轨车辆极限车速通过直线路段受力仿真计算
运行工况：中车满载；轨道类型直道；直线路段极限车速87Km/h 。仿真结果如下图： 导向轮、稳定轮径向力 上图给出了导向轮与稳定轮所受的径向力随运行时间的变化情况。从图中可以看出：当车速为87Km/h时，前后转向架左右导向轮和稳定轮径向力均发生了不规则波动，单轨车辆在直线行驶中出现蛇形运动；直线限速为87Km/h。

18 4 跨座式单轨车辆曲线通过性仿真分析

19 跨座式单轨车辆曲线通过性仿真分析 跨座式单轨车辆极限车速通过曲线路段受力仿真计算
运行工况：中车满载；轨道类型R100；直线路段极限车速34Km/h 。结果如图： 导向轮、稳定轮径向力

20 跨座式单轨车辆曲线通过性仿真分析 当车速为43Km/h时，前转向架前右导向轮、后右导向轮径向力为零，后转向架前右导向轮、后右导向轮径向力为零，与轨面脱离，车辆发生脱轨；曲线限速为43Km/h。 一 在直线段，左右导向轮径向力大小相等，经过16s后车辆驶入曲线段，左右导向轮径向力开始增减。对于前转向架，前左和后右导向轮径向力增加，而前右和后左导向轮径向力减小，由此形成了一个摇头力矩，它是引导车辆通过曲线的主要转动力。对于后转向架，情况正好相反。也就是说，一个转向架上的四个导向轮中，在曲线通过时，实际上只有两个轮胎起到主要的导向作用。 二 稳定轮径向力在曲线通过时也有变化，对于同一转向架，左侧稳定轮径向力减小为零，右侧稳定轮径向力增大。稳定轮的主要作用是抵抗不平衡的倾覆力矩，导向作用较小。 三

21 跨座式单轨车辆曲线通过性仿真分析 跨座式单轨车辆曲线通过车体侧倾分析
运行工况：中车满载；轨道类型R100；车速分别为29Km/h、36Km/h和43Km/h 仿真结果如下图： 三种速度下的车体侧倾角 在直线段，车体侧滚角基本为零，车辆行驶到曲线半径处时，车体开始出现侧滚，当v=29Km/h时，车体侧滚角是0.9°，而v=43Km/h时，车体侧滚角已变为3.7°。这说明随着车速的增加，车体随着速度的增加从而使得离心力的增大，使车体向外倾斜，车体侧滚角逐渐向外侧倾倒。v=43Km/h的车体侧滚角最大，最大侧滚角为3.7°。由于曲线的超高角已经很大，因此会让车中乘客产生倾斜感，会有一些不舒服的感觉。

22 5 跨座式单轨车辆运行平稳性研究

23 跨座式单轨车辆运行平稳性研究 运行工况：中车满载；轨道类型R100；车速36Km/h；路面空间功率谱密度Ge=1e-7 仿真结果如下图：
导向轮、稳定轮径向力 走行轮垂向力

24 跨座式单轨车辆运行平稳性研究 车体质心加速度时域（频域）历程曲线

25 跨座式单轨车辆运行平稳性研究 按照GB5599－85标准评价单轨车辆的运行平稳性，评价结果如表所示。符合车辆运行平稳性的要求。
平稳性评价结果

26 Thank you！