CN114491821B - 一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，该方法能够实现不同线路条件下悬挂式单轨车辆动力学性能的评估与优化，解决了车辆系统和线路系统在动力学性能设计上相互适应、相互匹配的难题，涉及轨道交通技术领域。一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，包括将悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型计算得到的V‑S曲线作为基本输入参数，引入建立的悬挂式单轨车‑线‑桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车‑线‑桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，建立着眼于车‑轨动力响应评价方法、线路线形舒适度评价方法、桥梁动力特性评价方法的线路技术参数与评价指标体系之间的关系数据库。本发明可以提高设计效率。

Description

一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法。
背景技术
我国铁路线路平纵断面设计参数通常采用行驶动力学方法进行研究确定。该方法不考虑车体实际的运行情况，即将列车看作一单纯的质点或刚体沿刚性轨道上运动，根据质点受力和运动学分析，对曲线条件下的欠超高、过超高、超高顺坡率、超高时变率、欠超高时变率等舒适度指标进行评价，从而推导确定线路平纵断面各项参数取值。由于未考虑车辆、线路结构及其相互之间的耦合作用，该方法不能较为准确的反应出车辆在曲线上运行时的振动特性，与实际行车条件下的动态运行安全性和旅客舒适性存在偏差，线路参数对于各项评判指标的具体影响会有一定误差，同时忽略了在线路纵向方向上不同线形之间的连贯性，不能对整体的线路线形设计方案进行综合评价。因此，该方法存在一定的弊端。现有的基于车-线系统动力学的线路线形研究主要集中于动力学模型的建立和优化，对于线形的具体评价与优化涉及较少。
悬挂式单轨车辆车体悬挂于轨道梁下方行驶，可以有效提高城市空间利用率，并根据地形情况灵活多变，可弥补城市立体交通的不足，与城市高架桥等规划融为一体。悬挂式单轨系统与其他轨道交通制式最大的区别在于车辆与轨道结构之间的相互作用；钢轮钢轨、磁浮、跨座式单轨等交通制式均是轨道在下、车辆在上，而悬挂式单轨则将这种常规结构翻转过来，形成轨道在上、车辆在下的结构形式。同时，由于转向架结构存在较大不同，悬挂式单轨车辆在曲线条件下的运行机理与其他制式有本质差异，且车-轨横向作用关系相比其他制式更加突出。
现有轨道交通制式无需设计桥梁线形，对于轮轨铁路、中低速磁浮等具有独立轨道结构的轨道交通制式而言，桥梁上部有轨道结构，不存在线形设计，桥梁均采用以直代曲进行拟合。而悬挂式单轨系统无单独的轨道结构，轨道梁-桥结构一体化，线路线形即体现为桥梁线形，因此，悬挂式单轨线路线形具有一定的特殊性。悬挂式单轨车辆导向轮胎直接接触运行于轨道梁侧向导向轨面，为保证车辆运行的横向平稳性和横向稳定性，对于轨道梁线形的实现提出了更高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，该方法能够实现不同线路条件下悬挂式单轨车辆动力学性能的评估与优化，解决了车辆系统和线路系统在动力学性能设计上相互适应、相互匹配的难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，包括如下步骤：
建立悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型；
建立悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型，并基于列车采用的牵引控制策略，计算得到列车通过线路线形设计方案时的速度-距离(V-S)曲线；
将悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型计算得到的V-S曲线作为基本输入参数，引入建立的悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，以用于数值重现列车在轨道梁内的真实走行行为；
结合悬挂式单轨车辆与线路之间的匹配关系及轨道梁-桥一体化结构特性，构建面向线路线形设计方案的且涵盖车辆评价指标、线路评价指标和轨道梁桥评价指标的综合评价指标体系；
基于搭建的牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，模拟计算列车通过不同线路平面、纵断面及平纵组合设计方案时，综合评价指标体系中各项评价指标的变化规律，建立着眼于车-轨动力响应评价方法、线路线形舒适度评价方法、桥梁动力特性评价方法的线路技术参数与评价指标体系之间的关系数据库；
考虑轨道梁走行轨面和导向轨面不平顺样本，仿真模拟计算列车通过实际设置的线路线形设计方案时，综合评价指标体系中各项评价指标的变化情况，统计各项评价指标的最大有效值；
结合建立的线路技术参数与评价指标之间的关系数据库，根据各项指标的最大有效值判断是满足各项指标对应的限值，当各项指标的最大有效值满足要求时，程序结束；当存在不满足限值要求的评价指标时，判断与之紧密相关的线路参数要素，确定对该指标影响度大的具体线路设计参数，并给出线路技术参数的调整排序建议。
进一步地，所述将悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型计算得到的V-S曲线作为基本输入参数，引入建立的悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统步骤中，悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型和悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中的线路里程数据、平面参数、纵断面参数保持同步，应用悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型求解振动响应时采用的时间计算步长与悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型保持一致，进而在各个运行时间或里程区段内按照时间计算步长完成动力学仿真计算。
进一步地，所述关系数据库包括：
平面圆曲线半径与车体横向平稳性、车体横向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、导向轮导向力、车体横向偏角、车体未被平衡离心加速度、桥梁横向振动加速度以及桥梁梁端折角指标之间的关系数据库；
缓和曲线长度与车体横向平稳性、车体横向振动加速度、导向轮导向力、车体横向偏角时变率以及车体未被平衡离心加速度时变率指标之间的关系数据库；
夹直线和圆曲线长度与车体横向振动特性之间的关系数据库；
线路纵坡与列车牵引、制动性能之间的关系数据库；
竖曲线半径与车体垂向平稳性指标、车体垂向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、桥梁竖向振动加速度、车体竖向离心加速度、桥梁竖向位移以及桥梁梁端折角指标之间的关系数据库；
纵向坡段长度与车体竖向振动特性之间的关系数据库；以及
平竖曲线重叠与车体横向和垂向平稳性指标、车体横向和垂向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、走行轮侧偏角、导向轮导向力、车体侧偏角、桥梁横向和竖向振动加速度、桥梁竖向位移以及桥梁梁端折角之间的关系数据库。
进一步地，，所述车辆评价指标包括车辆运行平稳性指标、运行安全性指标及车-轨动态作用性能指标；
所述线路评价指标包括曲线线形舒适度指标和振动衰减特性指标；
所述轨道梁桥评价指包括桥梁结构动力性能指标。
进一步地，所述悬挂式单轨列车牵引计算模型采用多质点模型。
本发明的有益效果是：本发明针对悬挂式单轨系统特点，将列车的V-S曲线叠加进车-线-桥耦合动力学仿真分析系统中，搭建完整的列车运行仿真分析平台，对区段线路平纵断面设计方案进行全程模拟运行，整体评估全线设计的线路线形方案的动态动力学性能，仿真计算输出关键动力学性能指标数值，并以此为评判指标和优化目标，对线路线形设计方案进行综合评价与优化设计，为悬挂式单轨车辆参数和线路线形参数优化提供了重要的分析手段，实现线路平纵断面设计参数对于车辆系统和线路-轨道梁桥系统的相互适应和匹配，可用于指导悬挂式单轨系统线路工程设计方案合理性评估与优化，可以提高设计效率。
附图说明
图1是悬挂式单轨车辆-轨道梁桥系统的结构图；
图2是悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型图；
图3是线路平面及纵断面组合示意图。
图4是本发明的优化方法的流程图。
图中所示：车体1，轨道梁2，转向架3，走行轮4，导向轮5，中心销6，摇摆减振器7，垂向减振器8，空气弹簧9。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图4所示，本发明的一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，包括如下步骤：
步骤一、根据车辆基本参数、各部件质量参数和转动惯量参数、悬挂系统参数、箱型轨道梁参数及线形特征参数，以车-线耦合动力学理论、质点运动学理论及列车运行理论为基础，建立悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型；
步骤二、根据悬挂式单轨列车的牵引特性曲线、制动特性曲线、基本运行阻力曲线，结合实际的线路平纵断面线形设计方案、车站分布、分相设置、停站要求等因素，同时考虑各项附加阻力，包括曲线阻力、坡道阻力等，建立悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型，牵引计算方法可参考《动车组牵引计算与仿真系统》，并基于列车采用的牵引控制策略，计算得到列车通过线路线形设计方案时的速度-距离(V-S)曲线；
步骤三、将悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型计算得到的V-S曲线作为基本输入参数，引入建立的悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，以用于数值重现列车在轨道梁内的真实走行行为；
步骤四、结合悬挂式单轨车辆与线路之间的匹配关系及轨道梁-桥一体化结构特性，构建面向线路线形设计方案的且涵盖车辆评价指标、线路评价指标和轨道梁桥评价指标的综合评价指标体系；
步骤五、基于搭建的牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，模拟计算列车通过不同线路平面、纵断面及平纵组合设计方案时，综合评价指标体系中各项评价指标的变化规律，建立着眼于车-轨动力响应评价方法、线路线形舒适度评价方法、桥梁动力特性评价方法的线路技术参数与评价指标体系之间的关系数据库；
步骤六、考虑轨道梁走行轨面和导向轨面不平顺样本，仿真模拟计算列车通过实际设置的线路线形设计方案时，综合评价指标体系中各项评价指标的变化情况，统计各项评价指标的最大有效值；
步骤七、结合建立的线路技术参数与评价指标之间的关系数据库，根据各项指标的最大有效值判断是满足各项指标对应的限值，当各项指标的最大有效值满足要求时，程序结束；当存在不满足限值要求的评价指标时，判断与之紧密相关的线路参数要素，确定对该指标影响度大的具体线路设计参数，并按对该指标影响度大小给出线路技术参数的调整排序建议。
步骤八、最后可根据线路技术参数调整排序建议，进一步对实际线路线形设计方案中的平面、纵断面参数取值进行优化，重新通过悬挂式单轨列车运行仿真分析平台进行实时动态仿真计算，再次统计得到各项评价指标的最大有效值，检查各项评价指标是否满足规范限值要求，若不满足，则继续调整优化线路参数，直到各项评价指标满足限值要求，达到线路线形设计方案的最优化目的。
悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型包括车辆和轨道梁结构两个子系统，二者之间以橡胶轮胎-轨道梁动态相互作用关系为联系纽带。如图1所示，车辆模型采用现有常规模型，包括车体1、转向架3、电机、齿轮箱、走行轮4和导向轮5等部件及摇摆减振器7、横向减振器、垂向减振器8、空气弹簧9等弹性元件。构架是整个转向架的承重机构，置于下部开口的轨道梁内，构架下端通过中心销6与摇枕连接，中心销两侧安装有一个摇摆减振器，摇枕两侧与车体之间安装有空气弹簧，同时还配置有横向减振器、垂向减振器、牵引拉杆，电机吊挂于构架两端，通过传动轴与齿轮箱相连，齿轮箱与构架之间利用弹性节点和一系弹性橡胶块连接，走行轮和导向轮安装在齿轮箱两侧。车辆基本参数包括车辆定距、转向架轴距、轮胎横向跨距、轮胎半径、列车编组等；质量参数和转动惯量参数包括车辆模型中涵盖的各部件；悬挂系统参数包括车辆模型中涵盖的各弹性元件；箱型轨道梁参数包括梁的长度、宽度、高度、厚度、下端开口宽度等。采用黏弹性力元模拟空气弹簧和牵引拉杆的线性力学特性，其刚度和阻尼均为常数；采用Maxwell模型模拟横向减振器、垂向减振器和摇摆减振器的非线性力学特征，其阻尼力等于阻尼系数乘以车辆运行速度。轨道梁结构模型包括梁体、支座、桥墩等，并考虑线形参数以及结构特性的影响。走行轮和导向轮与轨道梁之间的相互作用关系采用实心橡胶轮胎模型模拟，轮胎的数学模型可根据实际情况设置，考虑到轮胎走行过程中与轨道梁之间可能会产生间隙，采用分段线性函数来模拟轮胎与轨道梁之间的径向力，径向力Fz的表达式为：
Figure BDA0003538974770000051
式中，kz为轮胎径向刚度，Δr为轮胎径向挠度，dz为轮胎径向阻尼，VΔr为轮胎径向变形率。
由此在常用的多体动力学软件中可建立得到悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型，并可根据实际线路动力学性能试验测试获得的振动加速度、偏角、位移等结果，对模型进行修正。
本发明将列车的V-S曲线叠加进车-线-桥耦合动力学仿真分析系统中，搭建完整的列车运行仿真分析平台，对区段线路平纵断面设计方案进行全程模拟运行，整体评估全线设计的线路线形方案的动态动力学性能，仿真计算输出关键动力学性能指标数值，并以此为评判指标和优化目标，对线路线形设计方案进行综合评价与优化设计，为悬挂式单轨车辆参数和线路线形参数优化提供了重要的分析手段，实现线路平纵断面设计参数对于车辆系统和线路-轨道梁桥系统的相互适应和匹配，可用于指导悬挂式单轨系统线路工程设计方案合理性评估与优化，可以提高设计效率。
步骤二中，为保证牵引计算结果尽可能与列车实际运行状态相吻合，列车牵引计算模型优选采用采用多质点模型。根据沿线车站分布、电分相设置、停站要求等，列车牵引计算过程分为起动加速阶段、中间过程阶段、进站制动阶段。列车牵引计算策略采用综合考虑列车运行速度和能耗的混合优化策略。根据列车牵引仿真计算模型得出的速度V随距离S不断发生变化。
步骤三中，具体的，根据V-S曲线可以得到列车实时的运行里程、时间、速度、加速度等，可利用这部分结果与车-线-桥耦合仿真分析模型进行接口关系衔接，以此引入建立的悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统。为了保证列车牵引仿真计算模型和车-线-桥耦合动力仿真分析模型的有效衔接，提高计算结果的一致性和准确性，在车-线-桥耦合动力仿真分析模型和牵引计算模型中采用相同的线路线形设计方案，利用车-线-桥耦合动力仿真分析模型进行仿真计算时，采用V-S曲线中的实际运行速度V替换常规的按匀速仿真计算的方式，以贴近列车实际运行工况。本发明步骤三中，优选地，列车牵引计算模型和车-线-桥耦合仿真分析模型中的线路里程数据、平面参数、纵断面参数保持同步；应用车-线-桥耦合仿真分析模型求解振动响应时采用的时间计算步长与列车牵引计算模型保持一致，进而在各个运行时间或里程区段内按照时间计算步长完成动力学仿真计算。
基于大量的试验和仿真数据，建立线路技术参数与评价指标之间的有效关系数据库，关系数据库可以根据线路技术参数对评价指标体系中评价指标的影响大小选择性建立，针对悬挂式单轨系统，为了更全面的反应线路技术参数与评价指标体系之间的关系，优选地，本发明中的关系数据库包括：
平面圆曲线半径与车体横向平稳性、车体横向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、导向轮导向力、车体横向偏角、车体未被平衡离心加速度、桥梁横向振动加速度以及桥梁梁端折角指标之间的关系数据库；
缓和曲线长度与车体横向平稳性、车体横向振动加速度、导向轮导向力、车体横向偏角时变率以及车体未被平衡离心加速度时变率指标之间的关系数据库；
夹直线和圆曲线长度与车体横向振动特性之间的关系数据库；
线路纵坡与列车牵引、制动性能之间的关系数据库；
竖曲线半径与车体垂向平稳性指标、车体垂向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、桥梁竖向振动加速度、车体竖向离心加速度、桥梁竖向位移以及桥梁梁端折角指标之间的关系数据库；
纵向坡段长度与车体竖向振动特性之间的关系数据库；以及
平竖曲线重叠与车体横向和垂向平稳性指标、车体横向和垂向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、走行轮侧偏角、导向轮导向力、车体侧偏角、桥梁横向和竖向振动加速度、桥梁竖向位移以及桥梁梁端折角之间的关系数据库。
车体横向和垂向平稳性、车体横向和垂向振动加速度、轮重减载率取值可参照GB/T5599-2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》中的相关规定；走行轮垂向力和导向轮导向力一般不大于70kN；车体横向偏角不大于6.843°。
车体横向偏角时变率取值一般不大于1.5°/s；车体未被平衡离心加速度取值控制在0.4m/s2～0.8m/s2范围；车体未被平衡离心加速度时变率取值不大于0.3m/s3；车体竖向离心加速度取值控制在0.1m/s2～0.2m/s2范围；车体横向和垂向振动衰减周期及周期数需结合车辆振动特性而定。
桥梁横向和竖向振动加速度分别不小于2.0m/s2和3.5m/s2；桥梁竖向位移容许值为L/800；桥梁梁端折角限值约为2‰。
步骤七中，若车体横向偏角、车体未被平衡离心加速度超过限值，则认为与之影响度最大的具体线路设计参数为平面圆曲线半径；若车体横向平稳性、车体横向振动加速度超过限值，则认为与之影响度大的具体线路设计参数依次为平面圆曲线半径、缓和曲线长度；若车体偏角时变率、车体未被平衡离心加速度时变率超过限值，则认为与之影响度最大的具体线路设计参数为缓和曲线长度；若车体竖向离心加速度超过限值，则认为与之影响度最大的具体线路设计参数为竖曲线半径。
本发明实施例中，车辆评价指标包括车辆运行平稳性指标、运行安全性指标及车-轨动态作用性能指标；所述线路评价指标包括曲线线形舒适度指标和振动衰减特性指标；所述轨道梁桥评价指包括桥梁结构动力性能指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型；
建立悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型，并基于列车采用的牵引控制策略，计算得到列车通过线路线形设计方案时的速度-距离(V-S)曲线；
将悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型计算得到的V-S曲线作为基本输入参数，引入建立的悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，以用于数值重现列车在轨道梁内的真实走行行为；
结合悬挂式单轨车辆与线路之间的匹配关系及轨道梁-桥一体化结构特性，构建面向线路线形设计方案的且涵盖车辆评价指标、线路评价指标和轨道梁桥评价指标的综合评价指标体系；
基于搭建的牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统，模拟计算列车通过不同线路平面、纵断面及平纵组合设计方案时，综合评价指标体系中各项评价指标的变化规律，建立着眼于车-轨动力响应评价方法、线路线形舒适度评价方法、桥梁动力特性评价方法的线路技术参数与评价指标体系之间的关系数据库；
考虑轨道梁走行轨面和导向轨面不平顺样本，仿真模拟计算列车通过实际设置的线路线形设计方案时，综合评价指标体系中各项评价指标的变化情况，统计各项评价指标的最大有效值；
结合建立的线路技术参数与评价指标之间的关系数据库，根据各项指标的最大有效值判断是满足各项指标对应的限值，当各项指标的最大有效值满足要求时，程序结束；当存在不满足限值要求的评价指标时，判断与之紧密相关的线路参数要素，确定对该指标影响度大的具体线路设计参数，并给出线路技术参数的调整排序建议。
2.如权利要求1所述的一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，其特征在于：所述将悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型计算得到的V-S曲线作为基本输入参数，引入建立的悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中，构建牵引、制动与车-线-桥动力性能于一体的列车运行仿真分析系统步骤中，悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型和悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型中的线路里程数据、平面参数、纵断面参数保持同步，应用悬挂式单轨车-线-桥耦合动力仿真分析模型求解振动响应时采用的时间计算步长与悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型保持一致，进而在各个运行时间或里程区段内按照时间计算步长完成动力学仿真计算。
3.如权利要求1所述的一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，其特征在于：所述关系数据库包括：
平面圆曲线半径与车体横向平稳性、车体横向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、导向轮导向力、车体横向偏角、车体未被平衡离心加速度、桥梁横向振动加速度以及桥梁梁端折角指标之间的关系数据库；
缓和曲线长度与车体横向平稳性、车体横向振动加速度、导向轮导向力、车体横向偏角时变率以及车体未被平衡离心加速度时变率指标之间的关系数据库；
夹直线和圆曲线长度与车体横向振动特性之间的关系数据库；
线路纵坡与列车牵引、制动性能之间的关系数据库；
竖曲线半径与车体垂向平稳性指标、车体垂向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、桥梁竖向振动加速度、车体竖向离心加速度、桥梁竖向位移以及桥梁梁端折角指标之间的关系数据库；
纵向坡段长度与车体竖向振动特性之间的关系数据库；以及
平竖曲线重叠与车体横向和垂向平稳性指标、车体横向和垂向振动加速度、走行轮轮重减载率、走行轮垂向力、走行轮侧偏角、导向轮导向力、车体侧偏角、桥梁横向和竖向振动加速度、桥梁竖向位移以及桥梁梁端折角之间的关系数据库。
4.如权利要求1所述的一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，其特征在于：所述车辆评价指标包括车辆运行平稳性指标、运行安全性指标及车-轨动态作用性能指标；
所述线路评价指标包括曲线线形舒适度指标和振动衰减特性指标；
所述轨道梁桥评价指包括桥梁结构动力性能指标。
5.如权利要求1所述的一种悬挂式单轨线路平纵断面线形参数优化方法，其特征在于：所述悬挂式单轨列车牵引仿真计算模型采用多质点模型。
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