轮偏心的影响在垂直悬挂单轨车辆的振动:实验和仿真

文摘

探讨轮偏心的影响在垂直振动悬挂单轨车辆基于实验和仿真。两组测试是在中国第一个进行暂停了单轨,分析了测试的加速度和展出。悬挂单轨车辆的多体动力学模型建立了模拟车身兴奋的垂直振动轮偏心。结果表明,有三个因素可能引起异常振动考虑跟踪和车辆系统。轮偏心的影响首先对车身振动分析。模拟车身加速度有一个很好的根据测试。车轮偏心的车身可以激发共振21公里/小时的速度,和垂直加速度将大大增加。减少二次刚度可以有效地减少车轮偏心引起的垂直振动,特别是在共振速度。在二级测试,车身加速度的峰值出现在20公里/小时的速度不是只更新轮子时,加速度是域频率明显减少。进一步确定异常振动是主要由车轮偏心引起的。

1。介绍

现在,中国大部分城市面临交通堵塞的压力。解决这个问题,大量的短途交通系统构建,如地铁、轻轨、快速公交系统(BRT),磁悬浮交通,跨越单轨(1]。现在,一个新的交通发达,暂停单轨。这种新形式的交通研发,和实验阶段已经完成。几个问题的车辆和单轨跟踪被发现和解决在实验阶段,如车轮偏心。

轮偏心度主要是由固定偏差的车轮在制造或维修和车轮不圆度是一种特殊的分类(可怜)2]。车轮在铁路车辆的可怜是一种常见的现象,这可能会导致高频部队之间轮和铁路运行速度的增加(3- - - - - -5]。此外,在某些周期激励下,车辆的运行舒适度是严重威胁6,7]。许多学者一直致力于研究的影响机制和车轮在铁路的可怜。金等。8]研究地铁列车车轮的多边形磨损的机理实验和结构模型试验的基础上,频率和平均通过多边形轮大约是接近第一轮组的弯曲共振频率,多边形磨损的主要原因。超过2000的七种类型的机车广泛用于中国一直测量(9),两种类型的恐惧交通机车遭受严重的多边形磨损问题,和其他类型表现出或多或少地轮偏心。约翰逊和安德森10,11)分析和总结了大量轮测量运动表现在瑞典,车轮粗糙度和铁路粗糙度也比较和调查工具开发的车轮踏面多边形磨损。轮子的可怜的机理提出的用一个简单的模型来解释Brommundt [12]。獾et al。13]研究了磨削力的明显退化,砂轮磨损,和振动引起的车轮偏心,并给出一些建议的检测和确定车轮偏心。吴et al。14)研究的动态应力轮轴轴基于耦合与弹性轮对车辆/轨道动力学模型;共振的结果表明,轮轴轴可以兴奋多边形磨损,从而增加轮轴轴的动态应力。铁路车辆的车轮多边形的增长机理及其破坏跟踪和组件详细综述(2,15,16]。尽管大量的研究已经由世界各地的学者,整个铁路车轮还没有完全解释和解决14]。

在中国第一悬挂单轨车辆,异常垂直振动的汽车的尸体被发现在实验阶段,严重影响运行舒适感。本文的目的是验证车轮偏心是车身的振动异常的根源基于实验和仿真。和车轮偏心的影响机制车身加速度也进行了分析。

2。调查车身垂直振动的第一个测试

在试验运行阶段的第一个悬挂单轨车辆在中国,车身的垂直振动表现出异常的现象。振动的明显的特征是,它显示了一个明确的共振特性,和振动的振幅特别暴力在20公里/小时的速度。乘坐舒适非常异常振动的影响,因此车辆的最大速度是有限的。为探索这个特殊的振动的根本原因,第一个测试。

2.1。第一个测试的描述

测试是在中国第一条悬挂单轨线路进行的,旨在发现异常振动的主要原因。这个测试主要是测量车身垂直加速度,加速度传感器安装在地板上的车体,如图1(一),图1 (b)显示了数据采集。

在该测试中,车的速度设置为10 ~ 30公里/小时,间隔5公里/小时。由于异常振动的原因还不清楚,30公里/小时的最大速度主要是确保运行安全。

2.2。第一个测试的结果和讨论

分析了测量数据的关键手段找到振动的原因。首先,加速度的均方根计算代表的水平垂直振动,及其与速度的变化趋势如图2。可以看出,在20公里/小时的速度,加速度的最大振幅的车体大幅增加,达到峰值1.62 m / s²。试验结果表明一个非常均匀的旅行体验。

为了进一步分析测量数据,测量加速度的频谱图所示3。它可以清楚地发现,每个加速度都有一个特定域的频率。随着速度的增加,相应域频率增加。

众所周知,振动引起的激发,激发产生的主要是车辆本身和跟踪。测量加速度的频率域之间的关系,激发波长,和速度如下: 在哪里表示兴奋的波长,是运行速度,域的频率振动。

根据公式(1),激动的波长在每个速度可以计算,表中列出1。

计算波长表11.60 ~ 1.64米,可以得出结论,主要的激发波长1.60 ~ 1.64米,这是异常振动的主要原因。

2.3。兴奋的可能性

根据测量车身加速度,激励的存在为1.6 ~ 1.64 m波长是异常振动的原因。对于这种类型的激励,有三种可能性考虑跟踪和车辆系统。

(1)车轮偏心。轮的半径是0.27米,车轮周长是1.70米。但它指出,悬挂单轨车辆的车轮是实心轮胎在运行和压缩变形不容忽视,如图4。车辆的轴负载是4 ,静态垂直力大约是20 kN,压缩变形大约6.7毫米。在这种情况下,滚动半径下降到0.263米,滚动周长减少约1.65米,这是伟大的按照域的激发波长。

(2)的固有特征单轨轨道。图5(一个)显示了单轨轨道,为了保证运行安全,加固板用于促进跑道的可靠性。当车辆通过时,轨道刚度的不均匀会导致振动(17,18),如图5 (b)。肋的设计间隔是1.6米,这也是伟大的按照域的激发波长。

(3)跟踪不规则。如果不规则的波长集中在约1.6米,激动的车身的振动将显示测量的特点。

上面的分析,有三个因素可能引起异常振动考虑跟踪和车辆系统。改善平顺性,介绍了三个因素的有效策略。加固板,它的固有特性是跟踪,确保运行安全。肋的影响车身振动是不可避免的,但可以有效地减少车辆匹配的参数。不规则的轨道,磨削表面可以平滑跟踪和改善乘坐舒适性。一般来说,不规则是随机的,因此造成的异常振动不太可能不规则。轮偏心,控制生产和安装的错误可以显著减少对平顺性的影响。

修改钢筋肋和跟踪不规则是困难的操作,特别是在已建成的线。但是车轮的检测和消除偏心是容易的。轮偏心的影响在首先分析了车身的垂直振动。

3所示。多体动力学仿真

在本节中,进行数值模拟,深入了解随之而来的车轮偏心对车辆振动的影响。只在模拟车轮偏心度被认为是。结果与测试日期相比,它可以提供的证据异常振动的原因。

3.1。悬挂单轨车辆的动态模型

为了分析车轮偏心的影响车身振动,已经建立了一个详细的仿真模型采用多体动力学软件SIMPACK,如图6。在这个模型中,车辆被当作一个完整的刚性多体动力学模型,单轨轨道的灵活性并不是考虑。单轨轨道box-sectioned梁底部打开,如图5(一个)。转向架是放置在框梁,可以避免天气的影响。车身悬在转向架;因此它可以在天空中运行。

悬挂单轨车辆包括两个妖怪,每个转向架主要是由一个框架,一个支撑,四个驱动轮,四个导向轮、悬挂装置,悬架系统。转向架的结构可以清楚地看到在图7。

实心橡胶轮胎(驱动轮)是运行在跑道上,作为主要的悬架。每个驱动轮可以旋转转向架,独立。在动态模型、轮胎模型Pacejka魔法公式引用计算之间的交互驱动轮和轨道,和和代表驱动轮胎的垂直阻尼和刚度。

不像铁路车辆的自动控制性能,提供所需要的指导车轮悬挂单轨车辆通过曲线时转向力。引导轮也实心橡胶轮胎,他们沿着指导跟踪正在运行。为了确保车辆的曲线通过性能,指导车轮有一个初始压缩提供一个初始侧向力。在动态模型中,线性力元素被用来模拟指导力,和和代表的阻尼和刚度指导轮。

之间的连接车身和支持是悬挂装置,和点 , , ,和四个旋转关节,可以旋转吗设在。有一个阻尼器与车身之间的悬挂装置,用于降低车体的横向振动,和代表其阻尼。车身和悬挂装置之间的横向塞限制了大型横向旋转角的车身,和代表了制动器的刚度。

两组之间的弹簧阻尼系统安装支撑框架,和代表的阻尼和刚度。

3.2。古怪的单轨轮模型

车轮的可怜是一种很常见的现象在铁路车辆,和大量的调查已经完成针对这种不均匀的问题。轮子的可怜模型,两个主要方法是用来描述多边形磨损的磨损圆周方向铁路,如图8。

第一种方法是改变车轮的可怜到跟踪不规则,车轮表面保持不变。第二种方法是使用车轮半径的谐波偏差描述轮子的可怜。谐波偏差的公式给出如下(19]: 在哪里表示多边形磨损的振幅,轮的半径,多边形磨损的顺序,轮子旋转角度,是实际的车轮半径从中央轴,这是相关的吗。

单轨车辆的轮胎不容忽视的压缩变形是由垂直力。因此,选择第二种方法调查车轮偏心的影响在单轨车辆的垂直振动。

3.3。车身的动态振动轮偏心速度不同

在仿真中,只有车轮偏心的激发。所有驱动车轮配备轮偏心和不存在相位差。切跟踪车辆运行。悬挂单轨车辆的主要参数用于仿真表中列出2。

轮偏心的影响及其对车身的垂直加速度的幅值见图9。它可以观察到,随着偏心率的增加幅度,车身垂直加速度也相应增加。但车身的垂直加速度的变化趋势与速度不受轮偏心的振幅的影响。的速度范围 ,车体的加速度明显增加的速度上升。不过,当速度的范围 ,车身加速度逐渐减少。持续增加的速度,车轮偏心引起的车体的加速度逐渐上升。有一个峰值在21公里/小时的速度,这意味着汽车的垂直振动身体更加明显,这是与实验完全相符。

理解的影响车身的振动轮偏心,时间的历史的车身垂直加速度21公里/小时的速度图所示10。的振幅轮偏心设置为2毫米。轮与偏心率的情况下,车身的最大垂直加速度约为1.45 m / s²。的周期振荡的加速度是大约0.279 s。根据计算结果,激励频率轮偏心的车身加速度21公里/小时的速度大约是3.47赫兹,这接近共振频率的车身垂直运动3.39赫兹。因此,车轮偏心属性车身的垂直共振21公里/小时的速度,使车身的垂直振动大大上升。

图11显示了车身垂直加速度的频谱在不同的速度。可以看出,有一个主要存在的频率频域,车轮偏心引起的。

模拟和实验结果的比较优势频率的车身加速度表中显示3。可以清晰的看到,车身加速度的计算域频率与车轮偏心显示根据实验。这种比较进一步验证车轮偏心可能会引起车身的异常振动。

3.4。二级悬架对汽车车身的振动轮偏心

车轮偏心引起的振动传输到车身,这将严重影响运行舒适感。悬挂单轨车辆的二次悬浮是最重要的组件衰减车身振动,所以其对车身加速度是影响轮偏心激励的计算,这是希望减少车轮偏心对平顺性的影响。车身垂直加速度的情况下有不同的二级刚度和阻尼比较,如图12。轮偏心的振幅也设置为2毫米的模拟。

图12(一个)表明,二级刚度的降低,车身的垂直加速度显著减少。当刚度下降到0.3 MN / m,异常振动不是出现在低速(< 20公里/小时)。当刚度增加到1.5 MN / m,垂直加速度的峰值出现在23千米/时的速度,这是略高于1.0 MN / m的刚度。

比较分析二次阻尼的影响与车轮车身垂直加速度的偏心是显示在图12 (b)。当速度低于25公里/小时,增加二次阻尼可以有效地降低车身加速度由车轮偏心引起的。然而,当速度大于25 km / h,车身加速度上升的指数与二次阻尼的增加。

4所示。调查车身垂直振动的第二次核试验

从上面的分析,计算结果与轮偏心率显示了伟大的按照实验。但是钢筋肋和跟踪模拟不规则不考虑。为了验证异常振动是引起车轮偏心,二级测试进行。新轮没有偏心安装在车辆上,单轨轨道一样第一个测试中,传感器位置和测试方法。

图13出的两个测试结果的对比车身垂直加速度。应该注意的是,第二个测试的最大速度设置为60公里/小时。

它可以观察到,总体趋势车身垂直加速度的增加,车辆速度在第二个测试。第一个测试相比,车体加速度的峰值在20公里/小时的速度不是出现,即车身的垂直共振消失时更新车轮没有偏心。

图14给出了频谱的比较这两个测试结果速度不同。在第二个测试中,车身加速度是域频率明显减少。因此,它可以推断异常振动的主要原因在第一个测试轮偏心。

从比较的两个测试,车身垂直振动异常消失时只有消除车轮偏心。因为跟踪两个测试都是一样的,它可以确定车轮偏心异常振动的主要原因。同时,频率域也可以看到在低频率,这可能主要是导致不规则和钢筋肋现有在单轨轨道,及其影响和优化将在未来进行工作。

5。结论

在这项研究中,车轮偏心的影响悬挂单轨车辆的垂直振动研究和验证,基于大量的实验和仿真。可以得出的主要结论如下:(1)基于垂直加速度的幅频特性在第一个测试中,提出了三种可能的原因,这可能会引起车身的异常振动。(2)模拟加速度兴奋只能由轮偏心显示大根据第一个测试的结果。加速度的变化趋势是不受轮偏心的振幅的影响。垂直振动诱导轮离心率可以激发的车身共振21公里/小时的速度。(3)减少二次刚度可以显著降低车身的垂直振动轮偏心引起的,特别是在共振速度。二次阻尼,提高二次阻尼可以有效地降低车身加速度引起的轮低速离心率(< 25公里/小时)。然而,车身加速度上升指数与二次阻尼的增加速度较高。(4)在第二个测试新轮的情况下,车身加速度的峰值速度21公里/小时不出现,和车身加速度是域频率明显减少。进一步确定异常振动是主要由车轮偏心引起的。

应该注意的是,单轨轨道的灵活性并不认为在这项研究中。然而,在现实条件的轨道不是刚性;因此,有必要考虑跟踪灵活性的影响在未来工作。与此同时,车辆的曲线通过性能轮偏心应该调查在未来工作。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达自己的感激之情的牵引动力国家重点实验室为这个项目提供设备和材料和中国空中列车有限公司有限公司的合作和支持。作者感谢提供的金融支持国家自然科学重点基金(批准号合同下51735012)和四川省的科技项目(批准号2017 gz0082)。

引用

1. w .翟和c .赵“前沿和挑战的科学和技术在现代铁路工程,“西南交通大学学报/西南交通大学学报,51卷,不。2、209 - 226年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. j·c·o·尼尔森和a·约翰逊”失圆的铁路wheels-a文献调查,“美国机械工程师学会学报》上,F部分:《铁路和快速运输,卷214,不。2、79 - 91年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. w·翟Vehicle-Track耦合动力学[M],科学出版社,第四版,2015年版。
4. s . Iwnicki手册的铁路车辆动力学[M],CRC出版社,2006年。视图:出版商的网站
5. b说,“扩大失圆的轮子高速列车上的个人资料,”杂志的声音和振动,卷227,不。5,965 - 978年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. w . k . Wang翟,k . Lv和z . Chen”数值调查轮轨动态振动兴奋通过铁路在高速铁路剥落,”冲击和振动卷,2016篇文章ID 9108780, 11页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 刘贤,p . f . Liu w . m .翟c .黄李振国Chen和j·m·高,“轮轨动态相互作用由于励磁高速铁路铁路起皱的,”中国科学技术科学,卷。58岁的没有。2、226 - 235年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j . x, l . Wu方,s .钟和l .凌”调查地铁车轮多边形磨损的机理及其影响轮轨系统的动态行为,”车辆系统动力学,50卷,不。12日,第1834 - 1817页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. z . g . t l . Wang,关,和十斤,“失圆的电力机车车轮的测量和评估”,美国机械工程师学会学报》上,F部分:《铁路和快速运输。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. a·约翰逊,“失圆的铁路wheels-assessment车轮踏面不规则火车交通,“杂志的声音和振动,卷293,不。3 - 5,795 - 806年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. a·约翰逊和c·安德森,”失圆的铁路wheels-a研究轮polygonalization通过模拟三维的轮轨相互作用和穿,”车辆系统动力学,43卷,不。8,539 - 559年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 大肠Brommundt”,一种简单的机制为铁路车轮polygonalization穿”力学研究通讯,24卷,不。4、435 - 442年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j .獾,s·墨菲,g . Odonnell”轮偏心和跳动的影响磨削力,波浪状,车轮磨损和喋喋不休,“机床和制造的国际期刊,51卷,不。年级,766 - 774年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 吴x、m . Chi和p .吴”的铁路车轮多边形磨损的影响轮轴轴压力,”车辆系统动力学,53卷,不。11日,第1554 - 1535页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. d . w . Barke和w·k·赵”,回顾失圆的轮子的效果跟踪和汽车组件,”美国机械工程师学会学报》上,F部分:《铁路和快速运输,卷219,不。3、151 - 175年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. k . l . Knothe和总裁s . l . Grassie”造型的铁路轨道和车辆/轨道相互作用在高频段,”车辆系统动力学,22卷,不。3 - 4、209 - 262年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. w .翟,h·夏,c . Cai et al .,“高速train-track-bridge动态interactions-part我:理论模型和数值模拟,”国际铁路运输杂志》上,1卷,不。1 - 2,3-24,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. w .翟,s . Wang n . Zhang et al .,“高速train-track-bridge动态interactions-part II:实验验证和工程应用,”国际铁路运输杂志》上,1卷,不。1 - 2,25-41,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. r·罗j .曾P.-B。吴,H.-Y。戴”,模拟和分析高速列车的车轮不圆度穿,”Tiedao学报/中国铁道学会杂志》上,32卷,不。5 - 35,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2017彩排Lv等。这是一个开放的分布式下条知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。