機車(chē)蛇行運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真報告

第23卷第6期鐵道機車(chē)車(chē)輛2003年12月railWaYLOCOMOtiVE carDec文章編號:1008-7842(2003)06-0024-04機車(chē)蛇行運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真報告王玨,李治西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川成都610031)摘要應用全三維空間耦合的機車(chē)系統動(dòng)力學(xué)仿真軟件,對反對稱(chēng)懸掛結構機車(chē)的直線(xiàn)運動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,揭示了由機車(chē)設計帶來(lái)的機車(chē)自激振動(dòng)。仿真結果的相平面圖表明機車(chē)的轉向架蛇行運動(dòng)得到有效抑制,而車(chē)體蛇行運動(dòng)未能得到很好抑制,是其自激振動(dòng)的主要原因。因此,基于機車(chē)的空間耦合非線(xiàn)性模型,動(dòng)力學(xué)仿真可以深入研究機車(chē)的非線(xiàn)性穩定性。關(guān)鍵詞動(dòng)力學(xué)仿真,蛇行運動(dòng),機車(chē)懸掛結構,相平面圖圖分類(lèi)號:U260.11·2文獻標志碼:A前言機車(chē)模型和輪軌模型1一種方法是在小位移的前提鐵道機車(chē)的性能受到兩個(gè)基本問(wèn)題的限制1,軌下得到線(xiàn)性化的多自由度動(dòng)力學(xué)運動(dòng)方程,使用特征道線(xiàn)路不平順輸入引起的不穩定性和車(chē)輛設計帶來(lái)的值和特征矢量方法判斷線(xiàn)性系統的失穩,從而得到蛇自激不穩定性。線(xiàn)路不平順乃至軌道子系統的動(dòng)力學(xué)行失穩旳臨界速度。另外,動(dòng)力學(xué)仿真旳通常方法是性能無(wú)疑是非常重要的影響因數,在鐵道機車(chē)系統動(dòng)依靠包含部分非線(xiàn)性特性的多自由度動(dòng)力學(xué)運動(dòng)方程力學(xué)仿真中已經(jīng)得到相當細化研究2)但是,由于機給予輪對5mm的橫向擾動(dòng),觀(guān)察車(chē)輛的時(shí)域響應,多車(chē)系統和輪軌接觸的復雜性而對杋車(chē)模型和輪軌模型次實(shí)驗搜尋蛇行失穩的臨界速度。的簡(jiǎn)化,使得動(dòng)力學(xué)仿真計算大多依賴(lài)外部輸入擾動(dòng),由于機車(chē)的復雜性,上述機車(chē)模型基本上是全對常常不能很好地揭示機車(chē)設計帶來(lái)的自激不穩定性。稱(chēng)旳,未能反映通常機車(chē)旳反對稱(chēng)結構,后面將說(shuō)明然而,工程實(shí)踐指岀鐵道杋車(chē)有一種自激蛇行運動(dòng),這對機車(chē)的蛇行運動(dòng)非常關(guān)鍵。特征值和特征矢量方可以肯定其產(chǎn)生原因不是線(xiàn)路不平順3。本文報告了法可以判斷蛇行失穩的臨界速度,但是無(wú)法知道失穩對某型機車(chē)直線(xiàn)運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真結果,應用現代計后機車(chē)蛇行運動(dòng)的發(fā)展情況,機車(chē)的阻尼系統和非線(xiàn)算機技術(shù)的可視化方法和面向對象方法克服了機車(chē)系性的輪軌接觸可以在一定程度抑制蛇行運動(dòng)的發(fā)展統和輪軌接觸旳復雜性,對杋車(chē)模型和輪軌模型進(jìn)行因此該方法會(huì )過(guò)于保守。同時(shí)全對稱(chēng)的機車(chē)模型無(wú)法了細化,在沒(méi)有線(xiàn)路不平順輸入而只是機車(chē)懸掛結構揭示業(yè)已存在的機車(chē)的蛇行運動(dòng),該方法又過(guò)于遲鈍。是反對稱(chēng)的情況下,觀(guān)察到機車(chē)的自激蛇行運動(dòng)。仿全對稱(chēng)機車(chē)模型的動(dòng)力學(xué)仿真也存在同樣的缺點(diǎn),而真結果的相平面圖表明杋車(chē)的轉向架蛇行運動(dòng)得到有且由于車(chē)體的巨大慣性,5mm的橫向階躍擾動(dòng)通常不效抑制,而車(chē)體蛇行運動(dòng)未能得到很好抑制,是其不能激起全對稱(chēng)機車(chē)模型的車(chē)體蛇行運動(dòng)。穩定的主要原因。因此,基于機車(chē)的空間耦合非線(xiàn)性機車(chē)通常是反對稱(chēng)結構的,我們的初步仿真結果模型,動(dòng)力學(xué)仿真可以深λ研究機車(chē)的非線(xiàn)性穩定性。顯示杋車(chē)蛇行運動(dòng)在50~300kmh的速度范圍都存在2機車(chē)蛇行運動(dòng)抗蛇行運動(dòng)減振器可以有效抑制轉向架蛇行運動(dòng),但機車(chē)的蛇行運動(dòng)現象表現為在直線(xiàn)軌道上輪對沿是單節機車(chē)滑行在剛性的軌面上似乎不存在抑制車(chē)體類(lèi)似正弦軌跡前進(jìn),轉向架和車(chē)體伴有橫移和搖頭運蛇行運動(dòng)的機制。動(dòng)。機車(chē)的蛇行可以分為兩種型式,即車(chē)體蛇行和轉3可視化和面向對象的仿真模型向架蛇行,也稱(chēng)一次蛇行和二次蛇行。劇烈的蛇行運圖1是仿真模型的一個(gè)局部快照,三維可視化和動(dòng)對于機車(chē)的穩定性和平穩性是十分不利的,當它發(fā)面向對象(面向部件)的仿真環(huán)境有利于用戶(hù)直觀(guān)方展到依靠輪緣接觸來(lái)限制時(shí),會(huì )加劇機車(chē)部件和軌道便地添中國煤化工數,仿真模型部件以的磨損和破壞。因此避免和減輕機車(chē)的蛇行運動(dòng)是機及模型目CNMHG輛更加一致。面向對車(chē)設計的重要任務(wù)之象(面向部件)的方法,較之于面向系統(面向方程)對機車(chē)蛇行運動(dòng)的研究基本上使用的是線(xiàn)性化的的方法和面向變量(鍵合圖)的方法,在機車(chē)系統動(dòng)王玨(1965戊數據四川樂(lè )山人,博士生(收稿日期:200-06-01)第6期機車(chē)蛇行運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真報告制動(dòng)單元減振器4、驅動(dòng)制動(dòng)單元轉向架減振器4、驅文動(dòng)制動(dòng)單元車(chē)體橫向減振器4、驅動(dòng)制動(dòng)單元車(chē)體懸掛減振器4、車(chē)體轉向架牽引減振器2)仿真模型的剛體部件都是六自由度的,其輸入參數為作用力和力矩,輸出參數為剛體的位置和姿態(tài)以及速度和角速度。仿真模型的柔體部件則相反,輸入參數為兩端的絕對位置或者速度,以及兩端坐標架的轉動(dòng)角度或者角速度,輸出參數為作用力和力矩。每個(gè)柔體部件可以設置6個(gè)方面的特性,即拉壓特性和扭轉特性、兩個(gè)方向剪切特性和兩個(gè)方向彎曲特性。剛體部件只能與柔體部件相連接,一個(gè)柔體部件連接圖1機車(chē)三維仿真模型的一個(gè)局部快照兩個(gè)剛體部件,于是得到三維空間全耦合的機車(chē)系統力學(xué)仿真這樣的專(zhuān)用軟件開(kāi)發(fā)和使用上有明顯的優(yōu)勢。動(dòng)力學(xué)仿真模型。輪對高速旋轉的陀螺效應不用特別機車(chē)仿真模型共由91個(gè)部件組成,其中剛體部件考慮就自然包括進(jìn)動(dòng)力學(xué)仿真中,柔體部件的非線(xiàn)性15個(gè)(車(chē)體1、轉向架2、輪對4、驅制單元4、空心(分段線(xiàn)性)特性也方便地包括于動(dòng)力學(xué)仿真中。軸4),柔體部件76個(gè)(二系彈簧4、一系彈簧8、軌道模型是三維的剛性軌面,暫未考慮軌道子系心軸輪對連接彈簧4、空心軸驅動(dòng)制動(dòng)單元連接彈簧統的振動(dòng)。輪對踏面也是三維的剛性幾何面,因此輪4、驅動(dòng)制動(dòng)單元轉向架懸掛彈簧4、驅動(dòng)制動(dòng)單元車(chē)對和軌道之間必須加入彈性的輪軌模型,它和柔體部體懸掛彈簧8、車(chē)體轉向架牽引彈簧2,二系減振器件一樣輸入位置和姿態(tài),輸岀作用力和力矩,請參見(jiàn)12、一系減振器8、空心軸輪對減振器4、空心軸驅動(dòng)文獻[4010203040010203040時(shí)間時(shí)間/s時(shí)間/s圖250km/h機車(chē)輪對質(zhì)心橫移時(shí)域響應O W3040010203040010203040間時(shí)向/時(shí)問(wèn)/s圖3150km/h機車(chē)輪對質(zhì)心橫移時(shí)域響應0中國煤化工CNMH5030400102030400102030時(shí)間/時(shí)間/時(shí)間/s圖4250kmh機車(chē)輪對質(zhì)心橫移時(shí)域響應鐵道機車(chē)車(chē)輛第23卷可視化和面向對象的仿真環(huán)境為交互式地設置和運動(dòng)尚未發(fā)生,而一二位和三四位輪對橫移相平面圖修改仿真模型提供了方便,可以處理更加復雜的機車(chē)。表明轉向架蛇行運動(dòng)是機車(chē)初始振動(dòng)的主要成分。下根據機車(chē)的懸掛結構,本文使用的仿真模型不是全對面3個(gè)小圖則表明,經(jīng)過(guò)相當的時(shí)間后轉向架蛇行運稱(chēng)的,4個(gè)驅動(dòng)制動(dòng)單元與4個(gè)轉向架的連接在全車(chē)動(dòng)得到有效抑制,而車(chē)體蛇行運動(dòng)得到充分的發(fā)展形成反對稱(chēng)的結構;毎個(gè)空心軸一端連接驅動(dòng)制動(dòng)單仿真模型中不存在抑制車(chē)體蛇行運動(dòng)的機制元,另一端連接輪對,在結構上也是不對稱(chēng)的,4個(gè)圖6是200kmh和300km/h機車(chē)輪對質(zhì)心橫移相空心軸的連接在全車(chē)形成反對稱(chēng)的結構。平面圖(0~40s),上面兩小圖是200km/h的情況,下仿真結果面是300km/h的情況。左邊是一二位輪對橫移相平面圖2、3、4為3種速度(50、150、250km/h)下圖,右邊是一三位輪對橫移相平面圖。從圖中可以得計算機仿真給岀的機車(chē)輪對質(zhì)心橫移的時(shí)域響應,毎岀相同的結論,即由于機車(chē)懸掛結構的反對稱(chēng)(主要圖的左、中、右3個(gè)曲線(xiàn)圖分別為第一、二、三位輪是轉向架中驅動(dòng)制動(dòng)單元和空心軸懸掛的反對稱(chēng)),機對質(zhì)心橫移的時(shí)域響應。曲線(xiàn)圖的縱軸為質(zhì)心相對軌車(chē)橫向振動(dòng)開(kāi)始主要是轉向架蛇行運動(dòng),后來(lái)發(fā)展為道中心線(xiàn)的橫移,曲線(xiàn)圖的橫軸為時(shí)間軸0~40s。計主要是車(chē)體蛇行運動(dòng)。當然,高速時(shí)車(chē)體蛇行運動(dòng)-一算機仿真積分算法使用的是4階龍格_庫塔法,仿真三位輪對橫移有相位差,但是其發(fā)展趨勢是最后一三時(shí)間步長(cháng)為0.0005位輪對橫移完全反相從機車(chē)輪對質(zhì)心橫移的時(shí)域響應曲線(xiàn)可以看出,下面我們順便報告一下對機車(chē)輪軌作用力的仿真初始對中的機車(chē)行駛在平直的軌道上沒(méi)有線(xiàn)路不平順結果。圖7是150km/h和300kmh情況下機車(chē)第一和輸入,機車(chē)仍然發(fā)展岀橫向振動(dòng),并且所有的橫向振第二位輪對毎側輪軌橫向作用力與垂向作用力的相平動(dòng)在相當長(cháng)的時(shí)間里沒(méi)有得到有效衰減。從時(shí)域響應面圖,上面兩小圖是150km/h的情況,下面是曲線(xiàn)可知,輪對的橫向振動(dòng)頻率隨車(chē)輛運行速度提高300kmh的情況。左邊是一位輪對橫向作用力與垂向而增大。下面我們從機車(chē)輪對質(zhì)心橫移的相平面圖看作用力相平面圖,右邊是二位輪對橫向作用力與垂向機車(chē)橫向振動(dòng)的振型構成作用力相平面圖。每個(gè)小圖中同相位(東北西南走向)圖5是100km/h機車(chē)輪對質(zhì)心橫移的相平面圖。的是左側輪軌的情況,反相位(西北東南走向)的是上面3個(gè)小圖是初始0~5s的相平面圖,下面3個(gè)小右側輪軌的情況。輪軌橫向力與垂向力的相平面圖的圖是最后5s即35~40s的相平面圖,左、中、右的相縱橫坐標單位都是牛頓,它以時(shí)間為參變量,反映輪平面圖是分別根據一二位、一三位、三四位的輪對質(zhì)對每側輪軌橫向力與垂向力相互聯(lián)系、相互作用的發(fā)心橫移繪岀。質(zhì)心橫移相平面圖的縱橫坐標單位都是展軌跡?？梢钥磳鐨皞€(gè)輪對受到的軌道作用力在左右毫米,它以時(shí)間為參變量,反映不同輪對質(zhì)心橫移相兩側是不完全對稱(chēng)的。一個(gè)奇怪的現象是在沒(méi)有不平互聯(lián)系、相互作用的發(fā)展軌跡。從相平面圖可以看出,順的理想直線(xiàn)情況下,高速時(shí)輪軌作用力比低速時(shí)的初始時(shí)一三位輪對橫向振動(dòng)具有相同相位,車(chē)體蛇行作用力數值小一些,雖然高速時(shí)輪對質(zhì)心橫移要大20H中國煤化工1CNMHG321012332-10233210123圖5100km/h機車(chē)輪對質(zhì)心橫移相平面圖第6期機車(chē)蛇行運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真報告些。高速時(shí)使情況復雜的是輪軌橫向力與垂向力的相5討論位圖有遲滯現象,振動(dòng)的往復運動(dòng)中輪軌橫向與垂向可視化和面向對象(面向部件)方法可以克服機力的相軌跡不重合,而是一個(gè)遲滯環(huán)。車(chē)系統動(dòng)力學(xué)仿真中面臨的復雜性,在可視交互的仿真環(huán)境中車(chē)輛和軌道的仿真模型與實(shí)際的物理模型更加一致,仿真模型可以更復雜更細致、更好地反映機車(chē)的懸掛結構?？臻g耦合的機車(chē)系統動(dòng)力學(xué)仿真方法的確可以揭示其他簡(jiǎn)化仿真方法無(wú)法識別的現象,比如反對稱(chēng)機0車(chē)的車(chē)體蛇行運動(dòng)。機車(chē)的車(chē)體蛇行運動(dòng)似乎不象般認為的那樣1有速度上界和下界,現有的仿真模型和物理模型中似乎沒(méi)有抑制車(chē)體蛇行運動(dòng)的機制?？臻g耦合非線(xiàn)性的機車(chē)系統動(dòng)力學(xué)仿真可以輸出相當復雜的變量數據,怎樣從這些數據中得出有用的結論,以反饋給車(chē)輛的設計工作,這是一個(gè)需要不斷圖6200km/h和300km/h機車(chē)輪對質(zhì)心探索的問(wèn)題。橫移相平面圖把機車(chē)系統看作一個(gè)非線(xiàn)性的廣義的多變量系統,使用輸出變量數據的相位圖可以認識該多變量系統的發(fā)展軌跡參考文獻I 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