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        車體鉸接式跨座式單軌列車運(yùn)行穩(wěn)定性分析

        2021-05-20 02:30:30杜子學(xué)馬川翔
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向架

        杜子學(xué),馬川翔

        (重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074)

        0 引 言

        跨座式單軌交通已經(jīng)成為我國(guó)城市交通發(fā)展的主流[1]。隨著跨座式單軌交通在我國(guó)越來(lái)越多的城市開工建設(shè),基于不同的地形及發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)不同類型跨座式單軌列車的技術(shù)研究越來(lái)越有必要,因此需要設(shè)計(jì)一種新型跨座式單軌滿足當(dāng)前需求。

        鉸接式列車作為近年發(fā)展起來(lái)的新型軌道車輛,因其成熟的技術(shù)及運(yùn)行可靠性,在國(guó)內(nèi)外城市軌道車輛中得到了大量的運(yùn)用。鉸接式列車相比于傳統(tǒng)列車,在結(jié)構(gòu)上減少了轉(zhuǎn)向架的數(shù)量,有效的降低了轉(zhuǎn)向架運(yùn)行產(chǎn)生的噪音,因此具有良好的發(fā)展前景[2-3]。

        為了滿足當(dāng)前跨座式單軌列車輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展要求,筆者設(shè)計(jì)一種三模塊鉸接式跨座式單軌列車,運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)理論建立動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)對(duì)該模型在空載工況下以3種不同速度通過(guò)半徑100 m線路進(jìn)行運(yùn)行穩(wěn)定性能仿真分析,研究車體鉸接式在跨座式單軌列車中的運(yùn)行可行性。

        1 三模塊鉸接式單軌列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        1.1 鉸接裝置設(shè)計(jì)

        鉸接牽引裝置一方面要保證相鄰車體彼此相連,以此保證車體間力的傳遞,另一方面又要保證相鄰車體間能夠進(jìn)行相互平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

        主要設(shè)計(jì)了3種鉸接裝置,即彈性鉸、自由鉸和固定鉸,3種鉸接裝置兩端設(shè)計(jì)均為鑄鋼安裝座,通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)與兩端車體的連接。彈性鉸接裝置中間設(shè)計(jì)為鑄鋼圓柱,通過(guò)螺栓固定,實(shí)現(xiàn)相鄰車體左右連接,保證水平方向運(yùn)動(dòng);自由鉸接裝置中間設(shè)計(jì)為鑄鐵桿,通過(guò)桿子旋轉(zhuǎn)使車體做垂向點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng);固定鉸接裝置中間設(shè)計(jì)為球狀軸承,滿足相鄰車體的平面旋轉(zhuǎn)和小幅度的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)[5]。設(shè)計(jì)的鉸接裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1。

        圖1 鉸接裝置結(jié)構(gòu)形式

        1.2 整車設(shè)計(jì)

        三模塊鉸接式跨座式單軌列車車體的基本尺寸首先要滿足現(xiàn)有的跨座式軌道梁,列車在結(jié)構(gòu)上減少了轉(zhuǎn)向架的數(shù)量,因此受到軸重的限制,筆者設(shè)計(jì)的列車車體尺寸相較傳統(tǒng)跨座式單軌車體要短[6]。轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)參數(shù)主要參照重慶市軌道交通3號(hào)線車輛轉(zhuǎn)向架,轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)為雙軸轉(zhuǎn)向架,列車由4個(gè)轉(zhuǎn)向架承載,動(dòng)拖比為1∶1,因此轉(zhuǎn)向架的參數(shù)相比于傳統(tǒng)跨座式單軌轉(zhuǎn)向架參數(shù)有所變化[7-8]。文中設(shè)計(jì)列車主要尺寸參數(shù)如表1。

        表1 鉸接式跨座式單軌列車主要尺寸參數(shù)

        1.3 整車布置

        車體鉸接式跨座式單軌列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三節(jié)編組,兩端車體為帶司機(jī)室的動(dòng)車,每個(gè)車體由一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架承載,當(dāng)轉(zhuǎn)向架布置在頭車中心位置時(shí),頭車后端同時(shí)受鉸接裝置和轉(zhuǎn)向架作用,前端會(huì)出現(xiàn)向下傾斜的趨勢(shì),不利于列車的穩(wěn)定運(yùn)行,因此轉(zhuǎn)向架布置應(yīng)盡量靠近前端,中間車體由兩個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架承載,布置位置基于傳統(tǒng)跨座式單軌。傳統(tǒng)鉸接結(jié)構(gòu)形式主要有約束式及自由式兩種[9]。基于列車運(yùn)行的安全性及舒適性,筆者所設(shè)計(jì)的列車采用約束式鉸接結(jié)構(gòu),車體一端上部鉸接為彈性鉸,一端為自由鉸,下部鉸接均使用固定鉸,整車結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖2 列車結(jié)構(gòu)形式

        2 三模塊鉸接式單軌車輛動(dòng)力學(xué)建模

        2.1 曲線極限速度的確立

        為了保障列車的穩(wěn)定運(yùn)行,需要定義列車的曲線極限速度,中鐵二院研究結(jié)果表明,單軌車輛的曲線極限速度與超高及最小曲線半徑有關(guān),計(jì)算公式為:

        (1)

        式中:v為通過(guò)曲線的運(yùn)行速度,km/h;R為曲線半徑,m;g為重力加速度,m/s2;hmax為允許最大超高,m;hqy為允許最大欠超高,m。

        結(jié)合日本大阪單軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南及重慶市軌道交通制定的的單軌技術(shù)交通規(guī)范[10],單軌車輛允許的最大超高為0.12 m,允許最大欠超高為0.05 m,允許最大過(guò)超高為0.03 m,因此由式(1)可以得出此時(shí)單軌曲線極限速度公式變?yōu)椋?/p>

        (2)

        重慶軌道集團(tuán)根據(jù)實(shí)際中運(yùn)營(yíng)情況的反饋,對(duì)式(2)做了合理的修正,將極限速度的公式修正為:

        (3)

        設(shè)計(jì)的三模塊鉸接式跨座式單軌列車基本參數(shù)參考重慶軌道交通3號(hào)線,因此采用重慶軌道交通公司所規(guī)定的極限速度計(jì)算公式。由式(3)可得,三模塊鉸接式跨座式單軌列車在最小半徑為100 m的曲線上運(yùn)行時(shí),其曲線極限速度為43 km/h。

        2.2 車組動(dòng)力學(xué)建模

        在單軌車輛系統(tǒng)中,存在很多的彈性元件,這些元件不需要在軟件中直接表示,而是采用相應(yīng)的一些力元進(jìn)行代替,表達(dá)構(gòu)建之間的運(yùn)動(dòng)及連接關(guān)系,三模塊鉸接式跨座式單軌列車仿真模型的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)如表2。

        表2 鉸接式跨座式單軌列車主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)

        在動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程中,用鉸接和約束來(lái)定義車體鉸接裝置[11]。固定鉸接滿足相鄰車體間3個(gè)方向的平面旋轉(zhuǎn),在SIMPACK軟件中,采用10號(hào)鉸接來(lái)定義,彈性鉸接裝置使相鄰兩個(gè)車體之間只有水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),自由鉸接裝置可以實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和點(diǎn)頭等運(yùn)動(dòng),主要限制車體的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)[12],在SIMPACK軟件中,彈性鉸和自由鉸均使用約束Constraints中的自定義鉸接來(lái)定義。建模過(guò)程中引入了虛車體,車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架通過(guò)虛車體采用0號(hào)鉸接連接,轉(zhuǎn)向架與大地之間采用19號(hào)鉸接,整車動(dòng)力學(xué)模型如圖3。

        圖3 整車動(dòng)力學(xué)模型

        3 三模塊鉸接式單軌列車穩(wěn)定性研究

        研究三模塊鉸接式跨座式單軌列車在空載工況下3種不同速度通過(guò)半徑100 m彎道的運(yùn)行穩(wěn)定性能,主要從抗傾覆穩(wěn)定性、抗脫軌穩(wěn)定性兩個(gè)方面對(duì)模型的運(yùn)行穩(wěn)定性能進(jìn)行分析[13]。

        3.1 抗傾覆穩(wěn)定性

        對(duì)于跨座式單軌列車,同一臺(tái)轉(zhuǎn)向架前后各有兩個(gè)走行輪并列騎行在軌道梁表面,如果同一臺(tái)轉(zhuǎn)向架同側(cè)走行輪的垂向力同時(shí)為0,這說(shuō)明列車的整體發(fā)生了很大的偏角,導(dǎo)致導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪均快速上移,此時(shí)可判定為列車開始出現(xiàn)傾覆。

        工況一:列車空載AW0狀態(tài)下,列車以28 km/h通過(guò)軌道半徑R100線路時(shí),動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4及非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上走行輪垂向力仿真結(jié)果如圖4。

        (a)轉(zhuǎn)向架1

        工況二:列車空載AW0狀態(tài)下,列車以36 km/h通過(guò)軌道半徑R100線路時(shí),動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4及非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上走行輪垂向力仿真結(jié)果如圖5。

        (a)轉(zhuǎn)向架1

        工況三:列車空載AW0狀態(tài)下,列車以43 km/h通過(guò)軌道半徑R100線路時(shí),動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4及非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上走行輪垂向力仿真結(jié)果如圖6。

        (a)轉(zhuǎn)向架1

        由上圖可以得出,列車以3種速度通過(guò)直線段時(shí),無(wú)論是動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4還是非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上走行輪垂向力未發(fā)生變化,約等于最初預(yù)緊力。通過(guò)曲線段時(shí)會(huì)出現(xiàn)一側(cè)增載,一側(cè)減載的變化,與列車在直線段運(yùn)行時(shí)走行輪垂向力進(jìn)行對(duì)比,變化相對(duì)較大,由于筆者進(jìn)行列車分析,在車體鉸接裝置的作用下,同一轉(zhuǎn)向架上同側(cè)走行輪垂向力數(shù)值不同,因此無(wú)法采用傾覆系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,為了更好的評(píng)價(jià)抗傾覆穩(wěn)定性,筆者選取輪重減載率對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),輪重減載率計(jì)算公式為:

        (4)

        式中:P為增載側(cè)與減載側(cè)的車輪垂向載荷之和,N;ΔP為增載側(cè)與減載側(cè)的車輪垂向載荷之差,N;P2為增載側(cè)的車輪垂向載荷,N;P1為減載側(cè)的車輪垂向載荷,N。

        將鐵道車輛的車輪垂向載荷由走行輪的垂向載荷代替,為了評(píng)價(jià)抗傾覆穩(wěn)定性,參照GB5599—85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)》規(guī)定的輪重減載率評(píng)價(jià)值,取0.6來(lái)評(píng)價(jià),當(dāng)輪重減載率小于0.6時(shí)可視為列車未發(fā)生傾覆[14]。計(jì)算結(jié)果如表3~表5。

        表3 輪重減載率(28 km/h)

        表4 輪重減載率(36 km/h)

        表5 輪重減載率(43 km/h)

        計(jì)算結(jié)果表明在空載工況下以3種不同速度通過(guò)曲線段時(shí),無(wú)論動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4還是非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3輪上對(duì)輪重減載率均小于0.6,并未出現(xiàn)同側(cè)走行輪的垂向力同時(shí)為0的情況,因此說(shuō)明三模塊鉸接式跨座式單軌列車抗傾覆性良好,但隨著速度的增加,輪重減載率逐漸增大,傾覆可能性變大。

        3.2 抗脫軌穩(wěn)定性分析

        三模塊鉸接式跨座式列車運(yùn)行時(shí)車會(huì)受到各種橫向力的作用。在這些橫向力作用下,各個(gè)輪胎力會(huì)發(fā)生不均勻變化,當(dāng)橫向力增大到某一值時(shí),導(dǎo)向輪可能會(huì)離開軌面。將抗脫軌穩(wěn)定性定義為:在一個(gè)轉(zhuǎn)向架上,同一側(cè)的兩個(gè)導(dǎo)向輪任何條件下都不同時(shí)為0,則視為單軌列車未脫軌。

        導(dǎo)向輪預(yù)壓力對(duì)列車運(yùn)行的穩(wěn)定性有著很大的影響。預(yù)壓力過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行阻力增加,能耗增加;預(yù)壓力過(guò)小,列車運(yùn)行穩(wěn)定性能降低,正常運(yùn)行速度變窄。設(shè)計(jì)參考重慶軌道3號(hào)線,單軌列車導(dǎo)向輪徑向剛度采用980 000 N/m,在嵌入度為5 mm的基礎(chǔ)上,預(yù)壓力取值為4 900 N。

        工況一:列車空載AW0狀態(tài)下,列車以28 km/h通過(guò)軌道半徑R100線路時(shí),預(yù)壓力為4 900 N,動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4及非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上導(dǎo)向輪徑向力如圖7。

        (a)轉(zhuǎn)向架1

        工況二:列車空載AW0狀態(tài)下,列車以36 km/h通過(guò)軌道半徑R100線路時(shí),預(yù)壓力為4 900 N,動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4及非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上導(dǎo)向輪徑向力如圖8。

        (a)轉(zhuǎn)向架1

        工況三:列車空載AW0狀態(tài)下,列車以43 km/h通過(guò)軌道半徑R100線路時(shí),預(yù)壓力為4 900 N,動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1、4及非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2、3上導(dǎo)向輪徑向力如圖9。

        (a)轉(zhuǎn)向架1

        由圖7、圖8可知,三模塊鉸接式跨座式單軌列車無(wú)論以28 km/h還是36 km/h通過(guò)直線段時(shí),轉(zhuǎn)向架上導(dǎo)向輪徑向力約等于最初預(yù)壓力大小,在直線段行駛時(shí),4個(gè)導(dǎo)向輪主要起導(dǎo)向作用。以28 km/h還是36 km/h進(jìn)入曲線段時(shí),導(dǎo)向輪的徑向力發(fā)生較大變化,轉(zhuǎn)向架的前左導(dǎo)向輪和后右導(dǎo)向輪發(fā)生增載,前右導(dǎo)向輪和后左導(dǎo)向輪發(fā)生減載,此時(shí)主要由前左導(dǎo)向輪和后右導(dǎo)向輪起導(dǎo)向作用。4個(gè)轉(zhuǎn)向架上并未出現(xiàn)一側(cè)的兩個(gè)導(dǎo)向輪徑向力同時(shí)減載到0,列車沒有出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象,可初步認(rèn)為走行安全。

        由圖9可知,三模塊鉸接式跨座式單軌列車以曲線極限速度43 km/h通過(guò)直線段時(shí),轉(zhuǎn)向架上導(dǎo)向輪徑向力約等于最初預(yù)壓力大小,在直線段行駛時(shí),4個(gè)導(dǎo)向輪主要起導(dǎo)向作用。以曲線極限速度43 km/h進(jìn)入曲線時(shí),車體鉸接裝置作用明顯,轉(zhuǎn)向架上導(dǎo)向輪徑向力發(fā)生不同波動(dòng),4個(gè)轉(zhuǎn)向架上前左、后左導(dǎo)向輪徑向力發(fā)生增載,前右、后右導(dǎo)向輪徑向力發(fā)生減載,此時(shí)主要由前左導(dǎo)向輪和后左導(dǎo)向輪起導(dǎo)向作用。4個(gè)轉(zhuǎn)向架上并未出現(xiàn)一側(cè)的兩個(gè)導(dǎo)向輪徑向力同時(shí)減載到0,列車沒有出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。但是出現(xiàn)了后右導(dǎo)向輪徑向力為0的情況,這表明導(dǎo)向輪已經(jīng)脫離導(dǎo)向軌面。此時(shí),若出現(xiàn)其他外部如橫風(fēng)、側(cè)向力等因素的影響,列車的穩(wěn)定性會(huì)受到影響,為了安全性考慮,應(yīng)降低列車的運(yùn)行速度。

        綜上所述可得,三模塊鉸接式跨座式單軌列車以3種不同速度通過(guò)半徑100 m彎道時(shí)具有良好的抗脫軌穩(wěn)定性,但列車抗脫軌穩(wěn)定性能隨著列車運(yùn)行速度的增加逐漸變差。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)三模塊鉸接式跨座式單軌列車的建模,并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行穩(wěn)定性能計(jì)算與分析,可以得出結(jié)論:三模塊鉸接式跨座式單軌列車以3種速度通過(guò)最小半徑100 m曲線時(shí),運(yùn)行穩(wěn)定性滿足評(píng)價(jià)指標(biāo),初步認(rèn)為列車運(yùn)行穩(wěn)定性能良好;運(yùn)行速度對(duì)三模塊鉸接式跨座式單軌列車穩(wěn)定性有一定影響,隨著速度的增加,列車的運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸變差。為車體鉸接在跨座式單軌列車中的運(yùn)用提供了一定參考。

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