一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型的建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及有轨电车技术领域，尤其涉及一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力 学模型的建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市交通压力的增大，有轨电车由于具有运量大、速度快、安全、准点、环保、 节能等特点，在各城市大力发展。有轨电车的运行安全性、稳定性、乘坐舒适性是保证其快 速发展的核心问题。
[0003] 车辆传统轮对的两个车轮固定压装在同一根车轴上，其左右车轮以相同的转速旋 转。在曲线上运行时，轮对在内外轨上行走的距离不相等，轮轨间将产生较大的滑动，加剧 了轮轨之间的磨耗和噪声。为实现车辆低地板化，现代有轨电车较多地采用独立车轮轮组， 即取消车轴，将左右车轮解耦，使左右车轮可以相互各自独立地绕车轴旋转。由于独立车轮 轮组的左右车轮转速相互独立，在无外界扭矩作用的情况下，独立车轮的旋转速度会分别 调整到使轮轨间不出现纵向蠕滑，因此也不存在与相对速度相反的纵向蠕滑力，有效提高 车辆的曲线通过性能，降低曲线通过时的轮轨磨耗、轮轨噪声。此外，与传统扣件式轨道中 钢轨采用离散点支撑的方式不同，嵌入式轨道中钢轨采用纵向连续支撑，去除了离散支撑 方式引起的轨道不平顺，改变了轨道结构的动力学特性，有利于降低轮轨磨耗、轨道振动及 辐射噪声。
[0004] 因此，车辆-轨道耦合动力学建模中对传统轮对、传统扣件式轨道结构的建模方法 在对有轨电车-嵌入式轨道耦合动力学建模中并不适用。有轨电车-嵌入式轨道耦合动力学 建模中，需考虑独立轮组与传统轮对在运动特性上的差异，其中，独立轮组中的两个独立的 车轮与轴桥共用纵向、横向、垂向、侧滚和摇头5个方向的自由度，而独立车轮的旋转自由度 是独立。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术中没有有轨电车及其嵌入式轨道的耦合动力学模 型的建模方法，本发明公开了一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型的建模方法。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 本发明公开了一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型的建模方法，其具体 包括以下的步骤:步骤一、车辆系统建模:将有轨电车车辆系统建模简化为刚体系统、车辆 悬挂系统和车间连接系统的建模;步骤二、嵌入式轨道系统建模:嵌入式轨道系统建模包括 钢轨、高分子填充材料、轨道板及以下基础的建模;步骤三、车辆和轨道系统的耦合建模:耦 合建模主要包括两个部分：（1)轮轨空间接触关系的确定；（2)车辆系统和轨道系统的耦合， 其具体是指将轨道系统惯性坐标系与车辆结构固结在一起，惯性坐标系和车辆一起运动， 而轨道则以车辆运行速度作反方向移动，从而模拟实际列车在每一个轨枕跨间的移动情 况。
[0008]更进一步地，上述车间连接系统包括车间铰接机构和车间减振器，车间铰接机构 采用动力学约束建模，车间减振器采用空间非线性弹簧阻尼单元模拟。
[0009]更进一步地，上述铰接是指动车和拖车车体间均设有上下连接点，其中2个下连接 点相同，为固定铰，采用球面轴承;2个上连接点不相同，一个为转动铰，采用橡胶圆柱关节， 一个为自由铰，采用横向拉杆连接。
[0010]更进一步地，上述减振器两端为刚性球铰结构。
[0011]更进一步地，上述轨道板采用三维实体有限元单元模拟，钢轨填充材料采用三维 弹性弹簧或阻尼单元模拟，轨道板与路基之间通过与路基刚度等效的弹簧或阻尼单元连 接。
[0012] 更进一步地，上述轮轨空间接触关系由轮轨空间动态接触几何关系和轮轨空间动 态接触力决定，其中轮轨空间动态接触力的计算包括轮轨法向力计算和轮轨蠕滑力计算两 部分。
[0013] 更进一步地，上述轨道及其下方的支撑结构均沿行车相反方向作相对运动，支撑 结构包括钢轨填充材料、轨垫板、轨道板、路基和轮轨表面几何不平顺。
[0014] 更进一步地，上述有轨电车为3节编组的70 %低地板有轨电车。
[0015] 通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是:通过此有轨电车及其嵌入式轨 道耦合动力学模型，可对有轨电车运行安全性、稳定性、乘坐舒适性等动力学特性进行预测 评价分析，便于其他测试的实现，降低了测试的成本，同时其效果直观可见，方便了用户的 使用。传统的计算模型中，若计算在无限长轨道上方运行车辆的动态特性，需要建立很长的 轨道模型才能模拟车辆运行状态下的工况，因此会延长计算时间，而本发明的模型是列车 相对钢轨不作移动，钢轨下方支撑结构沿行车相反方向作相对运动来模拟车辆在无限长轨 道结构上的运行状态，因此只需要建立有限长的模型，因而大大缩短计算时间，因此该模型 还能够实现无限长轨道上列车-轨道耦合动力学的快速计算。
【附图说明】
[0016] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0017] 图1为有轨电车动力学模型的动车端视图。
[0018] 图2为有轨电车动力学模型的拖车端视图。
[0019]图3为有轨电车动力学模型的侧视图。
[0020]图4为有轨电车动力学模型的俯视图。
[0021]图5为有轨电车车间铰接结构。
[0022]图6为有轨电车车间减振连接。
[0023]图7为阻尼特性的车间模型。
[0024]图8为刚度特性的车间模型。
[0025]图9为嵌入式轨道动力学计算模型示意图的正视图。
[0026]图10为嵌入式轨道动力学计算模型示意图的侧视图。
[0027]图11为嵌入式轨道板有限元模型。
[0028] 图12为轮轨空间动态接触几何计算流程图。
[0029] 图13为轮轨法向压缩量与轮轨垂向位移的几何关系图。
[0030] 图14为列车/轨道耦合激励模型。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施例。
[0032] 本发明公开了一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型的建模方法，其具体 包括以下的步骤：
[0033]步骤一:车辆系统建模
[0034] 将有轨电车车辆系统建模简化为刚体系统、车辆悬挂系统和车间连接系统的建 模，所述刚体系统包括车体、转向架构架、摇枕以及传统轮对/轴桥轮组，所述车辆悬挂系统 包括一系、二系悬挂部件(一般，车体与构架用二系悬挂连接，轮对轴箱和构架间用一系悬 挂连接，车体重量通过二系悬挂传递给转向架构架，车体和构架的重量通过一系悬挂传递 给轮对。），考虑悬挂部件的非线性，采用三维弹簧/阻尼单元模拟，所述车间连接统包括车 间铰接机构和车间减振器，车间铰接机构采用动力学约束建模，车间减振器采用空间非线 性弹簧阻尼单元模拟。
[0035] 目前的有轨电车车辆系统建模方法一般只包含刚体系统、车辆悬挂系统这两个部 分，这两个部分的建模，可以利用商业软件进行建模，不需要进行公式推导、编程。但商业软 件建模没有考虑轨道结构型式的差异，由于本发明涉及的轨道结构是嵌入式轨道，它的动 力学特性与普通扣件式轨道结构有显著差异，因此利用一般的商业软件建模嵌入式轨道并 不合适;本发明根据车辆-轨道耦合动力学理论进行公式推导、编程、计算，考虑了嵌入式轨 道结构的特性，给出了一套完整的推导得出的有轨电车-嵌入式轨道耦合动力学建模的公 式表达，可根据公式进行编程、计算。
[0036]步骤二:嵌入式轨道系统建模
[0037]所述嵌入式轨道系统建模包括钢轨、高分子填充材料、轨道板及以下基础，将有轨 电车嵌入式轨道中的钢轨简化为连续弹性支承基础上的Timoshenko梁，轨道板采用三维实 体有限元单元模拟，钢轨填充材料采用三维粘弹性弹簧/阻尼单元模拟，轨道板与路基之间 通过与路基刚度等效的弹簧/阻尼单元连接;刚度等效的的弹簧/阻尼单元目的是为了模拟 路基的弹性、阻尼性能。
[0038]步骤三:车辆和轨道系统耦合建模
[0039] 建立有轨电车/嵌入式轨道耦合动力学模型，须对车辆与钢轨间进行非线性的轮 轨关系耦合建模，建模主要包括两个部分：（1)轮轨空间接触关系，其主要由轮轨空间动态 接触几何关系和轮轨空间动态接触力决定，其中轮轨空间动态接触力的计算包括轮轨法向 力计算和轮轨蠕滑力计算两部分；（2)车辆/轨道耦合界面激励模式，采用移动质量方法，将 系统惯性坐标系与列车结构固结在一起，惯性坐标系和列车一起运动，而轨道则以列车运 行速度作反方向移动，即列车相对钢轨不作移动，钢轨下方支撑结构，包括钢轨填充材料、 轨垫板、轨道板、路基和轮轨表面几何不平顺等，均沿行车相反方向作相对运动，模拟实际 列车在每一个轨枕跨间的移动情况。
[0040] 通过此有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型，可对有轨电车运行安全性、稳 定性、乘坐舒适性等动力学特性进行预测评价分析。
[0041] -种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学模型的建模方法，建模方法包括以下步 骤：
[0042] 步骤一:车辆系统建模
[0043] 比如，将3节编组(本发明的方法也可以同时适用于多种编组的车辆，这里为了便 于描述，采用3节编组进行描述）的70%低地板(70%低地板有轨电车部分（中间转向架)采 用独立轮组形式的转向架，独立轮组取消了传统的车轴，大大降低了车辆地版面的高度，方 便乘客上下车，之所以成为70%低地板是因为没有实现全部地板的低地板化，大约70%的 地板是低的）有轨电车车辆简化为由车体、转向架构架、摇枕及轮对/轮组组成的多刚体系 统，车辆悬挂系统包括一系、二系悬挂部件(车体与构架用二系悬挂连接，轮对轴箱和构架 间用一系悬挂连接，车体重量通过二系悬挂传递给转向架构架，车体和构架的重量通过一 系悬挂传