CN117932969A - 一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通运输领域，具体涉及一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，包括S1：构建车辆‑牵引传动‑制动系统动态耦合关系模型；其中建立齿轮传动系统扭转振动模型，建立考虑闸瓦‑车轮踏面间界面摩擦的制动模型；S2：构建机车与货车动力学模型；其中构建机车动力学模型包括机车车体、构架、轮对及牵引传动系统的动力学关系；构建货车动力学模型包括货车车体、构架、轮对及制动系统的动力学关系；S3：采用循环变量法构建可考虑机车与货车分布、车辆参数演变的长大编组列车动力学模型；实现列车任意编组与分布的纵向动力学的模型建立。能够反映重载列车全工况条件下机车及货车振动状态及相互作用关系，实现精确评估。

Description

一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法

技术领域

本发明涉及交通运输领域，具体涉及一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法。

背景技术

重载铁路运输作为一种环境友好型和资源节约型的交通运输方式，因其具有运输能力强、运输效率高、运输成本低、低碳环保等优势而被国际社会公认为铁路货运的发展方向。然而，随着列车的编组扩大、运营速度提高、轴重增加、牵引力和制动力加大、制动波传递时间加长，列车的动态特性，特别是车辆牵引及制动过程中的纵向冲动特性变得异常复杂。由此带来一系列的重载列车关键部件失效问题，如车钩与钩尾框出现裂纹、缓冲器破损严重等。而且，在垂向与横向载荷共同作用的极端条件下还会发生脱钩、断钩，甚至脱轨等安全事故。危险情况下，将直接导致严重的人员财产伤亡事故。因此，如何实现包括牵引、制动与惰行等全工况下的重载列车动力学快速建模与仿真，并实现其动态行为评估对保障列车安全运行尤为重要。

目前，由于算力限制，在长大编组列车建模、纵向动力学研究方面，当前列车动力学研究或模型中往往将车辆模型大量简化，仅考虑关注车辆详细结构及运动，其他车辆则采用单质点模型建立长大编组列车动力学模型探究列车纵向动力学行为。或者建立小编组车辆-轨道耦合动力学模型，以探究轮轨动态相互作用行为。然而，现有方法和技术受到编组数量的限制，且无法综合考虑列车运行时牵引传动系统、制动系统和线路条件的影响。因此，现有方法主要适用于具体的研究对象和某个单一的工程问题，无法实现重载列车全工况模拟仿真。然而，在列车实际服役过程中，随着列车编组增大、轴重增加以及服役工况更加恶劣，重载列车的动力学行为将变得更加复杂和不可忽略。现有重载列车因编组数量的限制，通常都采用建立单质点模型且仅考虑其纵向运动的方式，无法全面反映列车的服役状态；而现有的商业软件因重载列车的自由度过于庞大，无法进行长大编组列车的仿真计算，不能对重载列车运行时的纵向动力学行为进行更加深入的探究。此外，现有的重载列车动力学模型中没有全面考虑牵引传动系统、制动系统以及线路条件带来的影响，忽略了这些子系统与列车的耦合作用，因而不能反应重载列车全工况运行条件下的纵向动力学行为。

因此，现有方法很难综合反映出重载列车全工况运行下的纵向动力学行为，而不能实现重载列车服役行为的精确评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，能够反映重载列车全工况条件下机车及货车振动状态及相互作用关系，实现重载列车服役行为的精确评估。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，包括以下步骤：

S1：构建车辆-牵引传动-制动系统动态耦合关系模型；其中建立齿轮传动系统扭转振动模型，建立考虑闸瓦-车轮踏面间界面摩擦的制动模型；

S2：构建机车与货车动力学模型；其中构建机车动力学模型包括机车车体、构架、轮对及牵引传动系统的动力学关系；构建货车动力学模型包括货车车体、构架、轮对及制动系统的动力学关系；

S3：采用循环变量法构建可考虑机车与货车分布、车辆参数演变的长大编组列车动力学模型；实现列车任意编组与分布的纵向动力学的模型建立。

进一步地，所述S1包括：列车齿轮传动系统的扭转振动模型为：

式中，θ_p和θ_g表示小齿轮、大齿轮角位移；和/>分别表示小齿轮、大齿轮角速度；和/>分别表示小齿轮、大齿轮角加速度；R_p和R_g分别表示小齿轮、大齿轮基圆半径；T_p和T_g分别表示作用在小齿轮和大齿轮的扭矩；k_m和c_m分别表示综合啮合刚度和阻尼；

所述制动系统采用闸瓦制动方式，轮对产生的闸瓦摩擦力为其中∑K为闸瓦总压力，K为一块闸瓦的压力，/>为车轮踏面与闸瓦的摩擦系数。

进一步地，S2包括：所述机车与货车动力学模型为：

其中，M为车辆质量矩阵，C为车辆阻尼矩阵，K为车辆刚度矩阵，F为车辆所受的外力矩阵，q为车辆自由度向量，为车辆自由度向量一阶导数；/>为车辆自由度向量二阶导数。

进一步地，所述S3包括：所述列车动力学模型为：

其中，[m_i]为第i辆车的质量矩阵，[c_i]为第i辆车的阻尼矩阵，[k_i]为第i辆车的刚度矩阵，y_i为第i辆车的所有自由度的集合，{p_i}为作用在第i辆车的外部作用力，{f_i}为车辆之间的相互作用力；，为第i辆车的所有自由度的集合一阶导数；/>为第i辆车的所有自由度的集合二阶导数；

将列车的每一辆车均作为一个基本积分单元，带入所述列车动力学模型运动方程表达式分别进行计算；每辆车计算完成后都把计算结果存入中间变量；再释放自由度变量用以进行下一辆车计算，直到列车中所有的车辆都完成计算后，再进入下一步积分；下一步积分仍按上一步积分的模式进行，直到完成预先设定的计算时间。

一种重载列车全工况模拟仿真方法，采用所述的重载列车全工况模拟仿真模型，还包括：

利用重载列车全工况模拟仿真模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。

进一步地，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：

对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、提供一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，通过参数化方法考虑不同线路状态、不同车辆状态和编组形式，并采用数值积分即可获得全列车动力学响应；

2、采用“循环变量法”实现重载列车动力学快速建模及仿真，突破重载列车高效快速建模及计算难题，能够更加准确揭示服役过程中列车纵向动力学行为；

3、构建考虑牵引、制动系统的列车全工况动力学分析体系，有效建立牵引传动、制动系统与重载列车动态关联，可准确揭示服役过程中全工况下重载列车纵向动态特性，为面向不同线路的重载列车安全运行提供理论支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明的齿轮传动系统扭转振动模型图；

图2为本发明的闸瓦制动力矩图；

图3为本发明的机车车辆模型图；

图4为本发明的货车车辆模型图；

图5为本发明的重载列车纵向模型图。

其中，θ_p和θ_g表示小齿轮、大齿轮角位移；R_p和R_g分别表示小齿轮、大齿轮基圆半径；T_p和T_g分别表示作用在小齿轮和大齿轮的扭矩；k_m和c_m分别表示综合啮合刚度和阻尼；∑K为闸瓦压力，为实算摩擦系数，∑B为制动力，∑B'为蠕滑力，Q为轮对中心；v为车辆前进方向，J_c为车体转动惯量，M_c为车体质量，β_c为车体点头角，X_c为车体纵向位移，Z_c为车体垂向位移，K_sz为二系悬挂垂向刚度，C_sz为二系悬挂垂向阻尼，K_sx二系悬挂纵向刚度，C_sx为二系悬挂纵向阻尼，J_t为构架转动惯量，M_t为构架质量，β_t为构架点头角，X_t为构架纵向位移，Z_t为构架垂向位移，K_pz为一系悬挂垂向刚度，C_pz为一系悬挂垂向阻尼，K_cx为一系悬挂纵向刚度，C_px为一系悬挂纵向阻尼，M_w为轮对质量，J_w为轮对转动惯量，θ_w为轮对旋转角，F_creep为蠕滑力，P为轮轨垂向力，T_w为制动力矩，X_w为轮对纵向位移，Z_w为轮对垂向位移，lsx、lsz分别为车体-构架牵引杆车体端作用点距离车体质心纵向、垂向距离，lpsx、lpsz分别为车体-构架牵引杆构架端作用点距离构架质心纵向、垂向距离，lpx、lpz分别为构架-轮对牵引杆构架端距离构架质心纵向、垂向距离，α_sr为车体-构架牵引杆纵向倾斜角，α_pr为构架-轮对牵引杆纵向倾斜角；β_w为轮对旋转角，F_p为闸瓦压力。

具体实施方式

下面通过具体实施例对该发明作进一步说明：

参阅图1-5，一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：构建车辆-牵引传动-制动系统动态耦合关系模型；其中建立齿轮传动系统扭转振动模型，建立考虑闸瓦-车轮踏面间界面摩擦的制动模型；

S2：构建机车与货车动力学模型；其中构建机车动力学模型包括机车车体、构架、轮对及牵引传动系统的动力学关系；构建货车动力学模型包括货车车体、构架、轮对及制动系统的动力学关系；

S3：采用循环变量法构建可考虑机车与货车分布、车辆参数演变的长大编组列车动力学模型；实现列车任意编组与分布的纵向动力学的模型建立。

对于牵引传动系统，目前机车车辆采用单级齿轮传动的方式，主要包括小齿轮、大齿轮和齿轮箱等部件。牵引过程中，牵引电机的驱动力矩通过柔性联轴节传递至小齿轮，然后通过齿轮啮合传递到大齿轮，最后作用于轮对并驱动车辆前进。建模过程中，齿轮传动系统采用扭转振动模型来模拟，并考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙和传动误差等非线性特性。同时，牵引电机形成的驱动力矩通过函数表达式的方式模拟，进而实现列车服役过程中牵引电机到轮对的动力传递过程。将力矩按牵引特性曲线施加在小齿轮上模拟电机驱动作用，其函数表达式为：

根据齿轮传动系统的受力特性及运动关系，S1包括：列车齿轮传动系统的扭转振动模型运动微分方程为：

式中，θ_p和θ_g表示小齿轮、大齿轮角位移；和/>分别表示小齿轮、大齿轮角速度；和/>分别表示小齿轮、大齿轮角加速度；R_p和R_g分别表示小齿轮、大齿轮基圆半径；T_p和T_g分别表示作用在小齿轮和大齿轮的扭矩；k_m和c_m分别表示综合啮合刚度和阻尼；

如图1所示，对于制动系统，重载列车主要采用摩擦制动中的闸瓦制动方式。制动过程中，通过空气制动机将闸瓦压紧车轮踏面，进而在闸瓦和车轮接触界面产生摩擦作用而形成制动力。假设一块闸瓦的压力为K，车轮踏面与闸瓦的摩擦系数为。施行制动时，列车以速度v匀速运行，轮对以角速度转动。以轮对为隔离体，且不考虑其他力的影响，则轮对在闸瓦总压力∑K的作用下，产生的闸瓦摩擦力为

如图3-4所示，重载列车动力学模型主要包括车辆系统、轮轨关系以及牵引传动系统与制动系统。

所建立的车辆动力学模型分为机车模型和货车模型两种。

货车模型由车体、转向架侧架、摇枕、轴箱和轮对构成。货车车体通过摇枕下的二系悬挂支撑于转向架侧架，转向架侧架则通过一系悬挂支撑于两个轮对之上。轴箱通过轴箱轴承安装于轮对端部。每个刚体最多包含三个自由度，即纵向、垂向和点头运动。车辆间不同部件的动态相互作用通过弹簧阻尼单元模拟。同时，通过刚度、阻尼等参数随速度与位移的非线性函数考虑二系悬挂摩擦减震器的非线性特性。

机车模型与客车模型在结构上的最大区别之处在于前者于转向架包含牵引电机。机车动力学模型中采用轴悬式电机模型，由车体、转向架构架、轮对、电机以及齿轮传动系统组成。机车车体通过二系悬挂支撑于转向架构架，转向架构架则通过一系悬挂支撑于两个轮对之上。轴箱通过轴箱轴承安装于轮对端部。牵引电机一端通过轴承与轮轴相连，一端弹性悬挂于构架底部。齿轮传动系统的小齿轮和大齿轮分别与电机转子和轮轴相连。机车模型中，每个部件最多包含三个自由度，即纵向、垂向和点头运动。电机仅考虑纵向和点头自由度，车辆间不同部件的动态相互作用通过弹簧阻尼单元模拟。

轮轨关系是连接车辆系统和轨道系统的核心，轮轨动态耦合通过轮轨载荷向上作用于车辆系统，向下作用于轨道系统。应用Hertz非线弹性接触理论，可以确定轮轨间的垂向作用力：

式中，G为轮轨接触常数，δZ(t)为轮轨间弹性压缩量。

轮轨间弹性压缩量包括车轮静压量在内，可由轮轨接触点处车轮和钢轨的位移直接确定

δZ＝Z_wi(t)-Z_r(x_wi,t) (j＝1～4)

式中，Z_wi(t)为t时刻第i位车轮的位移；Z_r(x_wi,t)位t时刻第i位车轮下钢轨的位移。

特别地，当δZ<0时，表面轮轨相互脱离，此时轮轨力为0。

当轮轨界面存在位移不平顺Z₀(t)输入时，轮轨力表达式为

对于轮轨蠕滑力，其可以用如下公式表示

F_creep＝Q·μ

式中，Q是轮轨法向接触力，μ为轮轨接触面的摩擦系数，由许多复杂的因素决定，例如钢轨表面状况、钢轨表面不平顺度、列车运行速度和天气状况等。在该模型中，钢轨设置为刚性轨道，即钢轨变形量为0。

制动系统采用闸瓦制动方式模拟，轮对产生的闸瓦摩擦力为其中∑K为闸瓦总压力，K为一块闸瓦的压力，/>为车轮踏面与闸瓦的摩擦系数。

S2包括：所述机车与货车动力学模型动力学方程表达式为：

其中，M为车辆质量矩阵，C为车辆阻尼矩阵，K为车辆刚度矩阵，F为车辆所受的外力矩阵，q为车辆自由度向量，为车辆自由度向量一阶导数；/>为车辆自由度向量二阶导数。

基于循环变量法的列车建模方式，以大大提高建模与计算效率。

如果1列车包含n辆车，而每辆车有m个自由度，则整列车就有m×n个自由度，最后得到列车系统的运动方程表达式为：

式中，[M]为列车系统的质量矩阵，[C]为列车系统的阻尼矩阵，[K]为列车系统的刚度矩阵，Y为列车系统的自由度变量，{P}为列车的外部作用力，{F}为车辆之间的相互作用力，为列车系统的自由度变量一阶导数；/>为列车系统的自由度变量二阶导数。

将上述方程做以下拆分处理：S3包括：所述列车动力学模型运动方程表达式为：

其中，[m_i]为第i辆车的质量矩阵，[c_i]为第i辆车的阻尼矩阵，[k_i]为第i辆车的刚度矩阵，y_i为第i辆车的所有自由度的集合，{p_i}为作用在第i辆车的外部作用力，{f_i}为车辆之间的相互作用力，为第i辆车的所有自由度的集合一阶导数；/>为第i辆车的所有自由度的集合二阶导数；

将列车的每一辆车均作为一个基本积分单元，带入所述列车动力学模型运动方程表达式分别进行计算；每辆车计算完成后都把计算结果存入中间变量；再释放自由度变量用以进行下一辆车计算，直到列车中所有的车辆都完成计算后，再进入下一步积分；下一步积分仍按上一步积分的模式进行，直到完成预先设定的计算时间。

进一步，根据重载列车的结构特点建立一个机车车辆模型库和货车车辆模型库，库中可以包含不同类型的机车车辆与货车车辆动力学模型。在进行重载列车的动态仿真计算时，可根据列车的编组情况调用不同的车辆动力学模型，实现列车的自由编组。当列车编组发生改变时，不需要重新建模和修改程序，只需修改编组的定义，从而极大地简化了混编列车的建模。

一种重载列车全工况模拟仿真方法，包括所述的重载列车全工况模拟仿真模型，还包括：

利用重载列车全工况模拟仿真模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。

对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：

对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。

仿真方法基于重载列车动力学数学模型，列车不同服役条件、不同线路条件等工况作为边界条件输入数学模型中，通过数值积分方法进行求解计算，获取列车动力学响应。

Claims (6)

1.一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：构建车辆-牵引传动-制动系统动态耦合关系模型；其中建立齿轮传动系统扭转振动模型，建立考虑闸瓦-车轮踏面间界面摩擦的制动模型；

S2：构建机车与货车动力学模型；其中构建机车动力学模型包括机车车体、构架、轮对及牵引传动系统的动力学关系；构建货车动力学模型包括货车车体、构架、轮对及制动系统的动力学关系；

S3：采用循环变量法构建可考虑机车与货车分布、车辆参数演变的长大编组列车动力学模型；实现列车任意编组与分布的纵向动力学的模型建立。

2.根据权利要求1所述的一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：所述S1包括：列车齿轮传动系统的扭转振动模型为：

其中，θ_p和θ_g表示小齿轮、大齿轮角位移；和/>分别表示小齿轮、大齿轮角速度；/>和分别表示小齿轮、大齿轮角加速度；R_p和R_g分别表示小齿轮、大齿轮基圆半径；T_p和T_g分别表示作用在小齿轮和大齿轮的扭矩；k_m和c_m分别表示综合啮合刚度和阻尼；

所述制动系统采用闸瓦制动方式，轮对产生的闸瓦摩擦力为其中∑K为闸瓦总压力，K为一块闸瓦的压力，/>为车轮踏面与闸瓦的摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：S2包括：所述机车与货车动力学模型为：

其中，M为车辆质量矩阵，C为车辆阻尼矩阵，K为车辆刚度矩阵，F为车辆所受的外力矩阵，q为车辆自由度向量，为车辆自由度向量一阶导数；/>为车辆自由度向量二阶导数。

4.根据权利要求1所述的一种重载列车全工况模拟仿真的快速建模方法，其特征在于：所述S3包括：所述列车动力学模型为：

其中，[m_i]为第i辆车的质量矩阵，[c_i]为第i辆车的阻尼矩阵，[k_i]为第i辆车的刚度矩阵，y_i为第i辆车的所有自由度的集合，{p_i}为作用在第i辆车的外部作用力，{f_i}为车辆之间的相互作用力，为第i辆车的所有自由度的集合一阶导数；/>为第i辆车的所有自由度的集合二阶导数；

将列车的每一辆车均作为一个基本积分单元，带入所述列车动力学模型运动方程表达式分别进行计算；每辆车计算完成后都把计算结果存入中间变量；再释放自由度变量用以进行下一辆车计算，直到列车中所有的车辆都完成计算后，再进入下一步积分；下一步积分仍按上一步积分的模式进行，直到完成预先设定的计算时间。

5.一种重载列车全工况模拟仿真方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的重载列车全工况模拟仿真模型，还包括：

利用重载列车全工况模拟仿真模型对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真。

6.根据权利要求5所述的重载列车全工况模拟仿真方法，其特征在于，对车辆的动力学性能和/或悬挂设备的动态载荷环境进行仿真，包括：

对车辆和/或悬挂设备的变量进行仿真，变量包括位移、速度、加速度和力。