一種有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及有軌電車技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力 學(xué)模型的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市交通壓力的增大，有軌電車由于具有運量大、速度快、安全、準(zhǔn)點、環(huán)保、 節(jié)能等特點，在各城市大力發(fā)展。有軌電車的運行安全性、穩(wěn)定性、乘坐舒適性是保證其快 速發(fā)展的核心問題。
[0003] 車輛傳統(tǒng)輪對的兩個車輪固定壓裝在同一根車軸上，其左右車輪以相同的轉(zhuǎn)速旋 轉(zhuǎn)。在曲線上運行時，輪對在內(nèi)外軌上行走的距離不相等，輪軌間將產(chǎn)生較大的滑動，加劇 了輪軌之間的磨耗和噪聲。為實現(xiàn)車輛低地板化，現(xiàn)代有軌電車較多地采用獨立車輪輪組， 即取消車軸，將左右車輪解耦，使左右車輪可以相互各自獨立地繞車軸旋轉(zhuǎn)。由于獨立車輪 輪組的左右車輪轉(zhuǎn)速相互獨立，在無外界扭矩作用的情況下，獨立車輪的旋轉(zhuǎn)速度會分別 調(diào)整到使輪軌間不出現(xiàn)縱向蠕滑，因此也不存在與相對速度相反的縱向蠕滑力，有效提高 車輛的曲線通過性能，降低曲線通過時的輪軌磨耗、輪軌噪聲。此外，與傳統(tǒng)扣件式軌道中 鋼軌采用離散點支撐的方式不同，嵌入式軌道中鋼軌采用縱向連續(xù)支撐，去除了離散支撐 方式引起的軌道不平順，改變了軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，有利于降低輪軌磨耗、軌道振動及 輻射噪聲。
[0004] 因此，車輛-軌道耦合動力學(xué)建模中對傳統(tǒng)輪對、傳統(tǒng)扣件式軌道結(jié)構(gòu)的建模方法 在對有軌電車-嵌入式軌道耦合動力學(xué)建模中并不適用。有軌電車-嵌入式軌道耦合動力學(xué) 建模中，需考慮獨立輪組與傳統(tǒng)輪對在運動特性上的差異，其中，獨立輪組中的兩個獨立的 車輪與軸橋共用縱向、橫向、垂向、側(cè)滾和搖頭5個方向的自由度，而獨立車輪的旋轉(zhuǎn)自由度 是獨立。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中沒有有軌電車及其嵌入式軌道的耦合動力學(xué)模 型的建模方法，本發(fā)明公開了一種有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型的建模方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 本發(fā)明公開了一種有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型的建模方法，其具體 包括以下的步驟:步驟一、車輛系統(tǒng)建模:將有軌電車車輛系統(tǒng)建模簡化為剛體系統(tǒng)、車輛 懸掛系統(tǒng)和車間連接系統(tǒng)的建模;步驟二、嵌入式軌道系統(tǒng)建模:嵌入式軌道系統(tǒng)建模包括 鋼軌、高分子填充材料、軌道板及以下基礎(chǔ)的建模;步驟三、車輛和軌道系統(tǒng)的耦合建模:耦 合建模主要包括兩個部分：（1)輪軌空間接觸關(guān)系的確定；（2)車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)的耦合， 其具體是指將軌道系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系與車輛結(jié)構(gòu)固結(jié)在一起，慣性坐標(biāo)系和車輛一起運動， 而軌道則以車輛運行速度作反方向移動，從而模擬實際列車在每一個軌枕跨間的移動情 況。
[0008]更進(jìn)一步地，上述車間連接系統(tǒng)包括車間鉸接機(jī)構(gòu)和車間減振器，車間鉸接機(jī)構(gòu) 采用動力學(xué)約束建模，車間減振器采用空間非線性彈簧阻尼單元模擬。
[0009]更進(jìn)一步地，上述鉸接是指動車和拖車車體間均設(shè)有上下連接點，其中2個下連接 點相同，為固定鉸，采用球面軸承;2個上連接點不相同，一個為轉(zhuǎn)動鉸，采用橡膠圓柱關(guān)節(jié)， 一個為自由鉸，采用橫向拉桿連接。
[0010]更進(jìn)一步地，上述減振器兩端為剛性球鉸結(jié)構(gòu)。
[0011]更進(jìn)一步地，上述軌道板采用三維實體有限元單元模擬，鋼軌填充材料采用三維 彈性彈簧或阻尼單元模擬，軌道板與路基之間通過與路基剛度等效的彈簧或阻尼單元連 接。
[0012] 更進(jìn)一步地，上述輪軌空間接觸關(guān)系由輪軌空間動態(tài)接觸幾何關(guān)系和輪軌空間動 態(tài)接觸力決定，其中輪軌空間動態(tài)接觸力的計算包括輪軌法向力計算和輪軌蠕滑力計算兩 部分。
[0013] 更進(jìn)一步地，上述軌道及其下方的支撐結(jié)構(gòu)均沿行車相反方向作相對運動，支撐 結(jié)構(gòu)包括鋼軌填充材料、軌墊板、軌道板、路基和輪軌表面幾何不平順。
[0014] 更進(jìn)一步地，上述有軌電車為3節(jié)編組的70 %低地板有軌電車。
[0015] 通過采用以上的技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:通過此有軌電車及其嵌入式軌 道耦合動力學(xué)模型，可對有軌電車運行安全性、穩(wěn)定性、乘坐舒適性等動力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測 評價分析，便于其他測試的實現(xiàn)，降低了測試的成本，同時其效果直觀可見，方便了用戶的 使用。傳統(tǒng)的計算模型中，若計算在無限長軌道上方運行車輛的動態(tài)特性，需要建立很長的 軌道模型才能模擬車輛運行狀態(tài)下的工況，因此會延長計算時間，而本發(fā)明的模型是列車 相對鋼軌不作移動，鋼軌下方支撐結(jié)構(gòu)沿行車相反方向作相對運動來模擬車輛在無限長軌 道結(jié)構(gòu)上的運行狀態(tài)，因此只需要建立有限長的模型，因而大大縮短計算時間，因此該模型 還能夠?qū)崿F(xiàn)無限長軌道上列車-軌道耦合動力學(xué)的快速計算。
【附圖說明】
[0016] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0017] 圖1為有軌電車動力學(xué)模型的動車端視圖。
[0018] 圖2為有軌電車動力學(xué)模型的拖車端視圖。
[0019]圖3為有軌電車動力學(xué)模型的側(cè)視圖。
[0020]圖4為有軌電車動力學(xué)模型的俯視圖。
[0021]圖5為有軌電車車間鉸接結(jié)構(gòu)。
[0022]圖6為有軌電車車間減振連接。
[0023]圖7為阻尼特性的車間模型。
[0024]圖8為剛度特性的車間模型。
[0025]圖9為嵌入式軌道動力學(xué)計算模型示意圖的正視圖。
[0026]圖10為嵌入式軌道動力學(xué)計算模型示意圖的側(cè)視圖。
[0027]圖11為嵌入式軌道板有限元模型。
[0028] 圖12為輪軌空間動態(tài)接觸幾何計算流程圖。
[0029] 圖13為輪軌法向壓縮量與輪軌垂向位移的幾何關(guān)系圖。
[0030] 圖14為列車/軌道耦合激勵模型。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合說明書附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施例。
[0032] 本發(fā)明公開了一種有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型的建模方法，其具體 包括以下的步驟：
[0033]步驟一:車輛系統(tǒng)建模
[0034] 將有軌電車車輛系統(tǒng)建模簡化為剛體系統(tǒng)、車輛懸掛系統(tǒng)和車間連接系統(tǒng)的建 模，所述剛體系統(tǒng)包括車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕以及傳統(tǒng)輪對/軸橋輪組，所述車輛懸掛系統(tǒng) 包括一系、二系懸掛部件(一般，車體與構(gòu)架用二系懸掛連接，輪對軸箱和構(gòu)架間用一系懸 掛連接，車體重量通過二系懸掛傳遞給轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，車體和構(gòu)架的重量通過一系懸掛傳遞 給輪對。），考慮懸掛部件的非線性，采用三維彈簧/阻尼單元模擬，所述車間連接統(tǒng)包括車 間鉸接機(jī)構(gòu)和車間減振器，車間鉸接機(jī)構(gòu)采用動力學(xué)約束建模，車間減振器采用空間非線 性彈簧阻尼單元模擬。
[0035] 目前的有軌電車車輛系統(tǒng)建模方法一般只包含剛體系統(tǒng)、車輛懸掛系統(tǒng)這兩個部 分，這兩個部分的建模，可以利用商業(yè)軟件進(jìn)行建模，不需要進(jìn)行公式推導(dǎo)、編程。但商業(yè)軟 件建模沒有考慮軌道結(jié)構(gòu)型式的差異，由于本發(fā)明涉及的軌道結(jié)構(gòu)是嵌入式軌道，它的動 力學(xué)特性與普通扣件式軌道結(jié)構(gòu)有顯著差異，因此利用一般的商業(yè)軟件建模嵌入式軌道并 不合適;本發(fā)明根據(jù)車輛-軌道耦合動力學(xué)理論進(jìn)行公式推導(dǎo)、編程、計算，考慮了嵌入式軌 道結(jié)構(gòu)的特性，給出了一套完整的推導(dǎo)得出的有軌電車-嵌入式軌道耦合動力學(xué)建模的公 式表達(dá)，可根據(jù)公式進(jìn)行編程、計算。
[0036]步驟二:嵌入式軌道系統(tǒng)建模
[0037]所述嵌入式軌道系統(tǒng)建模包括鋼軌、高分子填充材料、軌道板及以下基礎(chǔ)，將有軌 電車嵌入式軌道中的鋼軌簡化為連續(xù)彈性支承基礎(chǔ)上的Timoshenko梁，軌道板采用三維實 體有限元單元模擬，鋼軌填充材料采用三維粘彈性彈簧/阻尼單元模擬，軌道板與路基之間 通過與路基剛度等效的彈簧/阻尼單元連接;剛度等效的的彈簧/阻尼單元目的是為了模擬 路基的彈性、阻尼性能。
[0038]步驟三:車輛和軌道系統(tǒng)耦合建模
[0039] 建立有軌電車/嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型，須對車輛與鋼軌間進(jìn)行非線性的輪 軌關(guān)系耦合建模，建模主要包括兩個部分：（1)輪軌空間接觸關(guān)系，其主要由輪軌空間動態(tài) 接觸幾何關(guān)系和輪軌空間動態(tài)接觸力決定，其中輪軌空間動態(tài)接觸力的計算包括輪軌法向 力計算和輪軌蠕滑力計算兩部分；（2)車輛/軌道耦合界面激勵模式，采用移動質(zhì)量方法，將 系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系與列車結(jié)構(gòu)固結(jié)在一起，慣性坐標(biāo)系和列車一起運動，而軌道則以列車運 行速度作反方向移動，即列車相對鋼軌不作移動，鋼軌下方支撐結(jié)構(gòu)，包括鋼軌填充材料、 軌墊板、軌道板、路基和輪軌表面幾何不平順等，均沿行車相反方向作相對運動，模擬實際 列車在每一個軌枕跨間的移動情況。
[0040] 通過此有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型，可對有軌電車運行安全性、穩(wěn) 定性、乘坐舒適性等動力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測評價分析。
[0041] -種有軌電車及其嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型的建模方法，建模方法包括以下步 驟：
[0042] 步驟一:車輛系統(tǒng)建模
[0043] 比如，將3節(jié)編組(本發(fā)明的方法也可以同時適用于多種編組的車輛，這里為了便 于描述，采用3節(jié)編組進(jìn)行描述）的70%低地板(70%低地板有軌電車部分（中間轉(zhuǎn)向架)采 用獨立輪組形式的轉(zhuǎn)向架，獨立輪組取消了傳統(tǒng)的車軸，大大降低了車輛地版面的高度，方 便乘客上下車，之所以成為70%低地板是因為沒有實現(xiàn)全部地板的低地板化，大約70%的 地板是低的）有軌電車車輛簡化為由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及輪對/輪組組成的多剛體系 統(tǒng)，車輛懸掛系統(tǒng)包括一系、二系懸掛部件(車體與構(gòu)架用二系懸掛連接，輪對軸箱和構(gòu)架 間用一系懸掛連接，車體重量通過二系懸掛傳遞給轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，車體和構(gòu)架的重量通過一 系懸掛傳