工程列车运输（共5篇）
工程列车运输 篇1
新线施工时, 由于受现场施工进度、设备、人员及技术水平等方面的限制, 工程运输列车运行中极易发生脱轨事故。参考轨道维护的有关资料, 轨道不平顺是造成脱轨的主要原因[1]。脱轨后, 机车乘务员及作业人员很难及时发现, 脱轨车辆在机车牵引下继续行驶, 造成车辆、货物、轨枕、路基及道旁设备严重损坏甚至引发更多车辆脱轨和颠覆, 从而扩大脱轨事故, 造成巨大的经济损失。
如何及时发现工程运输列车脱轨, 对保证铁路新线铺架工程运输的行车安全、防止事故扩大、减少经济损失具有重要意义。设计了一种列车脱轨自动报警装置, 能及时发现脱轨并向列车乘务员报警, 可以避免列车脱轨后事故进一步扩大。
1 机构设计及其动作原理[2]
1.1 机构设计
每组安装机构由吊环、吊杆 (两个) 、横梁、扁铁座、开关、弹簧组成, 如图1所示。扁铁座上加工开关安装孔、吊杆定位孔 (两个) , 上部焊弹簧挂钩, 开关安装在扁铁座上。安装时将吊环和扁铁座焊在车辆中梁一侧、车轴上方两侧, 水平距离约360mm, 然后将长吊杆挂在吊环内, 弹簧一端挂扁铁座上挂钩内, 一端挂吊杆, 吊杆环套在开关扳钮上, 并用铁丝通过定位孔将吊竖向杆定位, 吊杆自然下垂, 将横梁安装在吊杆上, 用螺母固定并定位。
动作机构每车轴安装一套, 如图2所示。
1.2 动作原理
车辆脱轨后报警装置的原理根据货车脱轨自动制动装置原理, 在车辆上加装机械动作报警开关, 在机车上利用机车电源, 加装自锁电路和报警设备, 形成整套的脱轨后的报警装置。该装置采用机械作用开关, 蜂鸣、灯光报警, 继电器自锁方式, 结构简单、实用性强, 特别适合固定编组的工程列车。当列车中有车辆脱轨后, 安装在车辆底部的可拉伸的机械传动机构与车轴碰撞, 造成短吊杆端部拉环拨动开关手柄使回路连通并自锁, 使机车上的报警装置即时发生报警, 在车辆脱轨后能第一时间通知司机采取措施, 有效避免脱轨事故扩大。
1.3 横梁距车轴底部距离调整
横梁距车轴底部距离示意图及横梁距车轴底部距离数值表如表1所示, 实际安装时的距离按空车△y1调整, 装车后重车距离不做调整。
2 电路原理及电路布置
2.1 电路原理
图4为电路原理图, 利用机车110V直流电源, 接入中间继电器及脱扣开关。当车辆脱轨时, 车轴下落造成扳钮开关K闭合, 电路连通, 中间继电器得电, ZJ闭合形成自锁回路, 机车报警电路工作, 蜂鸣器和指示灯进行声光报警。此时, 断开扳钮开关K, 由于机车报警电路自锁, 报警电路继续工作。当同时断开K和脱扣开关方能使报警电路停止工作。
图5为机车报警电路图, 当扳钮开关K (K1, K2, …, Kn) 闭合后, 中间继电器得电, 自锁开关闭合, 机车报警电路形成单独回路, 指示灯和蜂鸣器同时工作, 进行声光报警。
2.2 电路布置
每辆车沿车体侧梁布置10mm2多股双芯护套线主线路一条, 一端接插座, 另一端接插头并预留1m长度方便与后一辆车电路连接, 用1.5mm2单股多芯铜线接通主线路与动作开关。机车上报警回路接中间继电器一个, 在中间继电器与车辆动作回路间接自锁脱扣开关一个, 指示灯和蜂鸣器安装在操纵端司机室, 与车辆连挂端接插座 (或插头) 一个。
3 试验过程
3.1 灵敏性试验
该装置在空车时横梁与车轴间垂直距离为△y1, 重车时为△y2, 由于重车时报警装置横梁随车体下降, △y1大于△y1, 根据报警装置设计原理, 报警装置灵敏性空车明显优于重车, 所以报警装置如果在重车脱轨情况下能够报警, 空车脱轨时必将能够报警。
试验车号及编组顺序从机次依次为N17AK5064502 (隔离车) 、N17GK5050156 (重车) 和NX17K5270798 (重车、脱轨试验车) 。装载货物重约120t, 25m轨排 (钢轨50kg/m、新Ⅱ型轨枕) 7片, 装载方式为两车跨装。其脱轨方式为脱轨器脱轨, 脱轨车轴数为3轴, 脱轨车轴△y2取55mm, 试验机车车号为DF4B3754。
试验前△y1取值及△y2测量值对照, 见表2。
试验前调试报警电路, 扳钮开关闭合时发生报警, 断开后由于机车报警电路自锁, 警报不能自动解除, 通过机车报警电路解锁 (即将机车报警脱扣开关断开再闭合) , 警报解除, 满足试验要求。
在NX17K5270798平车3位轴6位车轮前方安装脱轨器, 由机车牵引试验车组运行, NX17K5270798平车3位轴脱轨, 3位轴动作机构拉伸弹簧拉伸距离约70mm, 开关扳钮扳至闭合位并折断, 机车报警蜂鸣器产生报警音响信号。此时, 由于脱轨车轴扳钮开关在常闭位且扳钮损坏, 机车报警电路无法解除报警, 达到报警并自锁的要求。
3.2 安定性试验
牵引车辆数为15辆, 其中试验平车4辆 (空车) , K13风动卸碴车11辆。
试验车辆车号按机次依次为N17AK5064502、N17GK5050156、NX17T5266125、NX17T5265278。△y1取值为20mm。试验机车车号为DF4B3754。
机车牵引试验车组及卸碴列车, 由基地钉联站始发, 运行约1.5km机车报警蜂鸣器报警, 经停车检查, 发现试验车组各轴均未脱轨, 车组末位车轴扳钮开关处于闭合位, 动作机构正常未见损坏, 认定为误动作, 恢复后列车继续运行, 途中进行卸碴作业, 一直运行至过袁家庄车站外约3km停车, 检查各车轴动作机构无误后返回。返回运行至距钉联站约1.5km处机车报警电路发生报警, 停车检查发现还是同一车轴处发生误动作, 此时该动作机构横梁与车轴距离△y1实际不足15mm, 恢复后运行至站内。
4 数据分析
4.1 重车灵敏性
重车装车前△y1全部调为25mm, 装车后△y2部分数据变化较大, 原因有两点:一是主要集中在轨排跨装中间位置, 各转向架负重不均衡, 二是钉联站线路不平顺导致误差较大。经过分析, 车辆载重60t左右时, 摇枕弹簧的压缩量为30mm左右。试验时△y2采用55mm一次试验成功。
4.2 空车安定性
空车安定性试验过程中, △y1取值20mm, 两次报警为同一地段同一车轴, 经分析报警原因有三点:一是该地段只经过人工拨道而未进行整道, 线路起伏较大, 其它地段经过人工整道, 二是试验前此车轴处△y1值调节时由于线路原因造成误差, 三是此次试验弹簧强度较小, 轻微碰撞即可发生误动作。两次误报警均系车辆运行过程中发生颠簸造成。
5 结论
根据试验数据采集及分析, 工程运输列车脱轨自动报警装置在空车时△y1值调整为25mm, 装载货物后重车△y2值约55mm, 既能满足工程线路运输时报警装置安定性, 也可以满足重车灵敏性要求, 达到列车脱轨后报警的要求。
摘要：针对铁路轨道工程施工中由于线路技术状态不良导致工程运输列车脱轨并造成巨大损失的问题, 设计了一种列车脱轨自动报警装置并进行了装车试验。试验结果表明, 装置可以实现列车脱轨后的快速报警和自锁功能, 可有效避免列车脱轨后事故进一步扩大。
关键词：车辆工程,列车,脱轨,报警
参考文献
[1]Alexander L.Lisitsyn.俄罗斯铁路货车空车脱轨研究[J].国外铁道车辆, 2006, 43 (5) :21-23.
[2]陈雷, 张志坚.70t级铁路货车及新型零部件[M].北京:中国铁道出版社, 2006.
工程列车运输 篇2
雷达半挂汽车列车机动运输设计中的若干性能参数分析
针对半挂汽车列车的.动力性、机动性、通性、稳定性、制动性等涉及的相关参数进行定性或定量的分析,并在假设牵引车、半挂车绕同一转向中心转向且为纯滚动的条件下,通过几何关系式,推导出半挂汽车列车转弯半径、通道宽度等计算公式.另外结合地面雷达车的运载特点和国、军标的相应要求,提出了在具体工程设计中应注意的事项.
作 者：张增太 房景仕 ZHANG Zeng-tai FANG Jing-shi 作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽,合肥,230031刊 名：电子机械工程英文刊名：ELECTRO-MECHANICAL ENGINEERING年，卷(期)：200925(3)分类号：U469.54关键词：比功率 最大爬坡角 最小转弯半径 通道宽度 横向稳定性 制动性
长轨运输列车安全车偏载改造方案 篇3
关键词：安全,偏载,配重
铁路运输生产是国民经济的大动脉, 是联系社会生产、分配、交换、消费的纽带, 它承担了全国旅客周转量的60%左右和货物周转量的70%以上。安全生产是铁路运输的生命线, 它贯穿于运输生产的全过程, 是铁路运输生产的主题, 为确保安全, 铁路部门对于铁路车辆的运输及装车等事项也制定了详细的规定和要求。
兰州工务机械段承担着西北地区长钢轨焊接及运输的任务, 因此车辆运行的安全是本单位生产任务的重中之重。运输焊接后的长钢轨采用的是T11BK系列长钢轨专用平车, 在实际生产中, 长钢轨运输车列在装满钢轨后, 安全车一端承担钢轨重量, 整个车辆出现重心偏移的现象, 从而造成车辆偏载, 影响列车运行安全。铁路运输对偏载现象要求如下:货物总重心的投影应位于货车纵、横中心线的交叉点上, 必须偏离时, 横向偏离量不得超过100mm, 纵向偏离时, 每个车辆转向架所承受的货物重量不得超过货车容许载重量的二分之一, 且两转向架承受重量之差不得大于10t[1]。因此, 该车的设计缺陷出现的问题一直制约着本单位长钢轨运输任务的顺利实施与完成。
为解决此不安全因素, 有效提高长轨运输车辆的利用率, 本单位联合其他科技单位, 结合实际应用中出现偏载的问题进行认真仔细地调研, 并通过大量的力学与强度计算分析, 对此安全车进行配重改造。
1 设备主要构造及性能
本装置为全新设备, 为提高设备的可靠性, 该套装置具有足够的刚度和强度及较高的稳定性、可靠性、耐久性, 所选用机械、电子、电器元器件和控制系统均是先进、优质、可靠的系列产品, 且符合标准化、规格化要求。使得操作简单、维修方便, 设备整体结构设计合理, 具有完善、可靠的机械传动装置, 符合人机工程要求和人性化设计。机械和电气部分具有可靠的安全保护联锁装置和短路、断路及漏电保护、停电或意外停机等自我保护装置。
并保证在环境温度-20~50℃、相对湿度≤90%、额定负荷下连续工作24h的条件下运行平稳可靠。
整套设备机构无相互干涉现象, 操作简单、方便、安全、可靠, 对造成人身或设备伤害的潜在危险点均有警示标志和说明, 并采取了相应的安全防护措施。运动装置及其工作区域配置有防护装置, 所有防护装置安全可靠、装卸方便。
2 设备使用情况
2.1 空载或装载一层时的情况
如图1所示, 当车辆处于空载或是只有一层钢轨时, 配重箱装置处于车辆东侧偏向钢轨一方, 车辆重心基本处于中段, 安全车不存在偏载现象。
2.2 装载两侧钢轨情况
如图2所示, 当车辆装上两层钢轨时, 图中右侧轮对承受重量增大, 安全车重心移至钢轨端, 车辆出现偏载现象, 不能满足铁路技规要求。此时车上操作人员控制配重箱装置向图中左侧方向移动, 调整车辆重心向车辆中间移动, 此时车辆偏载现象可以得到妥善解决。
2.3 满载情况
如图3所示, 当车上钢轨装满四层时, 图中右侧轮对承受重量为最大, 车辆出现偏载现象, 无法满足铁路技规要求。此时车上配重箱装置移至图中车辆最左侧, 车辆重心同时移至车辆中间, 此时车辆偏载现象得到妥善解决。
3 设备构造
本设备主要由横梁装置、传动梁装置、配重箱装置、传动短轴装置、移动轴装置、传动链条、电气控制系统等组成。
3.1 横梁装置
横梁装置是移动配重箱的受力载体及导向载体。它主要由主梁、固定轴座、移动轴座、导轨、锁定挡板、链条托架、安全挡等组成。
主梁采用工字钢32b;导轨槽钢10#, 上覆不锈钢板;固定轴座安装传动短轴装置;移动轴座安装移动轴装置;锁定挡板及安全挡为移动配重提供安全保障。
3.2 传动梁装置
传动梁装置由减速电机、联轴器、传动轴、主梁、传动链轮、传动轴承座及轴承等组成。
主梁采用槽钢32b;减速电机为MJ89弧齿锥齿轮硬齿面减速电机, 双输出轴, 通过联轴器、传动轴承座、轴承、传动链轮带动链条为移动配重提供“移动”动力;联轴器为NL型。
3.3 配重箱装置
配重箱装置由防侧翻装置、锁定铁、配重箱体、链条座、滑块等组成。
配重箱体主材采用厚20钢板;锁定铁厚度40mm;滑块材料为C2F4, 即聚四氟乙烯, 其与横梁组成导轨配合;链条座与12A双排链条连接;防侧翻装置为配重箱提供防侧翻安全保护。
3.4 传动短轴装置
传动短轴装置由传动短轴、传动链轮、轴承、轴承盖等组成。它是主传动装置 (传动梁装置) 与配重箱装置间的过渡传动装置。
3.5 移动轴装置
移动轴装置由移动轴、传动链轮、轴承、轴承盖等组成。它通过12A双排链条与传动短轴组成及配重箱装置连接;同时它为链条提供涨紧力。
3.6 电气控制系统
电气控制系统主要由电器控制箱、按钮盒等构成。
4 结论
该套装置的研发与制作, 即通过配重箱的位置移动, 调整安全车的重心位置, 彻底解决了该种列车组的安全车在空载、满载时的偏载问题, 使得长钢轨装运符合铁路技规的要求, 进一步保障了铁路运输的安全, 有效地提高了长轨运输车辆的利用效率, 确保西北铁路建设500m长钢轨的运输任务顺利进行。
参考文献
工程列车运输 篇4
1 问题描述
设W省铁路运输部门计划在某铁路重载运输线路开行3种重量级别(多种可类推)的货物列车,重量级别分别为2万吨、1万吨、5千吨。运输部门计划通过列车开行方案的优化达到4个优化目标:①重载车辆运输方向的年输送货物不得少于G亿吨;②考虑日常列车运输调整的需要,运输线路的通过能力利用率不得超过线路技术负荷水平的87%;③铁路运输部门因有机车数量限制,机车使用的台数日均不超过M台;④铁路运输部门因有车辆数量限制,车辆使用的台数日均不超过N辆。基于以上问题,本文采用目标规划模型建模,运用单纯形法求解,得到列车开行方案。
2 模型构建
针对W省铁路运输部门提出的4种优化目标,在构建目标规划模型的过程中,转化为相应的约束方程。
2.1 变量说明
xi—每天开行数量级为2万吨、1万吨和5千吨列车数量,(i=1,2,3);
αi—数量级为2万吨、1万吨和5千吨列车的平均载重系数,(i=1,2,3);
Ii—数量级为2万吨、1万吨和5千吨列车的追踪间隔时间,单位min(i=1,2,3);
βi—数量级为2万吨、1万吨和5千吨列车的车底周转时间,单位(i=1,2,3);
mi—数量级为2万吨、1万吨和5千吨列车的编成车辆数,单位辆(i=1,2,3);
G—年货流量,单位亿吨;
K—货流波动,通常极小,所以可忽略;
T—接触网及线路设备综合维修施工天窗;
S—机车平均全周转时间,单位h;
λ—需要机车系数;
M—日均使用机车台数限制,单位台;
N—日均使用车辆数限制,单位辆;
2.2 约束条件
①运量目标。
根据铁路运输部门的要求,要求年货流量不少于G亿吨,则日均货流量不应少于万吨。通常重载货运通道的货源充足,货流波动极小,故K可以忽略。则铁路重载运输方向日均输送货流量为2a2x1+a2x2+0.5a3x3万吨。由此得对应于目标1的约束方程为。
②能力约束。
已有研究表明,追踪列车间隔时间与列车长度有一定关系,列车长度越大,追踪间隔时间会相应地有所增加,因而列车间的追踪间隔时间应满足I1>I2>I3。因此在技术负荷水平为0.87的条件下,一昼夜可利用的时间为(1440-T)·0.87min。由此得对应于目标2的能力利用率约束方程为I1x1+I2x2+I3x3+d-2-d+2=(1440-T)·0.87。
③机车约束。
设机车平均全周转时间为S小时,则机车需要系数为,为牵引1对列车所需要的机车台数。因2万吨列车由4台机车牵引,1万吨和5千吨列车分别由2台和1台机车牵引,故有(4x1+2x2+x3)·λ=M,由此得第3个约束方程为
④车辆约束。
设2万吨、1万吨和5千吨级列车的车底周转时间分别为β1,β2,β3,因装、卸作业停留时间与列车中编挂的车辆数呈正相关关系,而且2万吨列车和部分1万吨列车采取组合列车方式,在始发站和终到站还会有合并作业和分解作业,故一般有β1>β2>β3。但若从装车站直接组织2万吨(或1万吨)列车,在基地站不进行合并作业而直接无改编通过,则可以使β1(或β2)大为缩短。设3种列车的编成车辆数分别为β1,β2,β3,得第4个约束方程为m1β1x1+m2β2x2+m3β3x3+d4--d4+=N2.3目标规划模型
说明:若考虑机车车辆处于同一优先级,则目标函数可写成min{z1,z2,z3}={d1-,d2+,(d3++d4+)}
3 案例分析
3.1 参数标定
以大秦线为例进行具体分析,经查有关资料,并作简单计算,得各项参数如下:期望年运量G=3亿吨。大秦线开行的3种重量级别的列车使用的货车车型有所不同:2万吨列车使用专用的C80型货车,1万吨和5千吨列车主要使用C63型车,少量使用C76型车。重载列车输送重质货物,车辆载重力均可得到充分利用,故可认为列车载重系数等于车辆载重系数。取值如下:
a1=0.8,a2=0.74,a3=0.74
设备综合养护维修施工天窗T=180min;列车追踪间隔时间分别按I1=10min,I2=12min,I3=15min取值;机车平均全周转时间估计为S=21h,给定本机车使用台数为M=175台日左右。列车平均编组辆数:m1=210辆,m2=115辆,m3=60辆,车辆周转时间β1=2天,β2=3天,β3=2.8天;货车保有量:C80型车11000辆左右,C63、C76型车计划投放16000辆左右。
3.2 模型建立
鉴于C80型货车为新造专用车,专供2万吨列车使用,数量有限,所以单独将它提为第3优先级。这样,约束方程和完成函数均由4个增加到5个。代入已知参数,得本案例的目标规划模型如下:
3.3 模型求解
本文采用常规的单纯形法来求解此目标规划模型,其求解步骤如下:
Step1:建立初始单纯形表,令k=1;
Step2:检查第k级完成函数的最优性,若未达最优,转Step3,若已达最优,转Step6;
Step3:确定进基变量;
Step4:确定出基变量;
Step5:建立新的单纯表,做消去变换,转Step2;
Step6:令k=k+1,若k>K,算法结束,否则转Step2,进行下一优先级的优化。
按照此步骤进行求解,可得本案例的解见表1。
3.4 结果分析
①3个方案均满足了年运量3亿吨的要求,也满足了线路能力技术负荷水平的要求;②对第3优先级目标,方案1没有完成,C80型货车超过规定保有量1500余辆,方案2和方案3则达到要求;③对第4级目标,3个方案均未完成,相比之下,方案1稍好;④对第5级目标,方案1可以完成,方案2和方案3均未达到;⑤总起来看,年运量3亿吨的要求是可以实现的,但需要增加机车供应台次12~14台次,即机车使用台日数增加10~13台日;就车辆而言,如果C80型货车保有量维持11000辆左右不变,则C63、C76型车辆投放16000辆是不够用的,必须增加2800余辆,否则必须增加C80型货车1500余辆;⑥值得一提的是,2007年实际采用的开行方案与表中的方案3几乎完全一致(见上表)。
4 结论
铁路重载运输组织中列车开行方案问题可以归结为一个具有优先级次序的多目标决策问题,建立目标规划模型求解。实例表明,应用单纯形法求解模型可以获得满意的结果。目标规划是多目标规划的一种特殊类型,求解多目标规划的交互法也可在这里采用,即在迭代过程中与决策者对话,决策者根据计算结果适时修改目标值或调整优先级,这样可以获得若干备选方案,为正确决策创造有利条件。
摘要：铁路重载运输线上开行不止一种重载列车,且有多种不同的重量级别。铁路运输部门会提出多个优化目标,一部分目标为硬性指标,必须重点保证,一部分相对弱化一些。基于此特点,文中以运量目标为硬指标和能力约束、机车约束、车辆约束为软约束构建了目标规划模型,并给出了单纯形法求解模型的步骤。最后以大秦铁路重载运输线路为例验证了模型和算法可行性和有效性。
关键词：铁路重载运输,目标规划模型,单纯形法
参考文献
[1]梁栋,林柏梁.铁路运输动态车流组织的策略优化模型研究[J].系统工程理论与实践,2007,27(1):77-84.
[2]赵鹏,张进川,唐宝刚.基于组合列车的重载铁路装车区车流组织优化模型研究[J].中国铁道科学,2010,31(6):116-121.
[3]ZHANG Jinchuan,YANG Hao,WEI Yuguang.The loading end of Heavy Haul Railway Empty Car Distribution Model[J].China Railway Science,2009(04):113-117.
工程列车运输 篇5
1 整车动力学模型
研究对象中的牵引车和半挂车均为两轴车, 半挂车采用平衡悬架. 设半挂车及货物质量为m1, 绕质心轴的横向和纵向转动惯量分别为Jx1和Jy1;牵引车质量为m2, 绕质心轴的横向和纵向转动惯量分别为Jx2和Jy2;牵引车前轴和后轴的质量为m3和m4, 绕质心轴的横向转动惯量分别为Jx3和Jx4;牵引车前悬架的垂直刚度和阻尼系数分别为k3和c3, 后悬架的垂直刚度和阻尼系数分别为k4和c4;牵引车前轮的垂直刚度和阻尼系数分别为kt3和ct3, 后轮的垂直刚度和阻尼系数分别为kt4和ct4.半挂车第1 轴和第2 轴的质量均为m5, 绕质心轴的横向转动惯量均为Jx5;平衡悬架的垂直刚度和阻尼系数分别为k5和c5, 半挂车前后车轮的垂直刚度和阻尼系数均为kt5和ct5;牵引悬置装置的垂直刚度和阻尼系数分别为k6和c6, 则可建立半挂运输列车的动力学模型如图1 所示.
1—半挂车;2—牵引车;3—牵引车前轴;4—牵引车后轴;5—半挂车第1轴、第2轴
图1 中各黑点为各部件总成的质心位置, l1和l2分别为牵引车质心到前悬架和后悬架的纵向距离, l3为牵引悬置装置到牵引车质心的纵向距离, l4为牵引悬置装置到半挂车及货物质心的纵向距离, l5为平衡悬架到半挂车及货物质心的纵向距离, 半挂车的两个车轴到平衡悬架的纵向距离相等, 为l6. b1和b2分别为牵引车前轮轮距和后轮轮距, 半挂车前轮轮距和后轮轮距相等, 为b3;b4和b5分别为牵引车前悬架的横向距离和后悬架的横向距离, b6为半挂车平衡悬架的横向距离.
定义半挂车及货物质心垂直方向的位移为z1, 绕质心轴的横向和纵向转角分别为 α1和 β1, 牵引车质心垂直方向的位移为z2, 绕质心轴的横向和纵向转角分别为 α2和 β2, 牵引车前轴质心垂直方向的位移为z3, 绕质心轴的横向转角为 α3, 牵引车前轴质心垂直方向的位移为z4, 绕质心轴的横向转角为 α4, 半挂车第1 轴质心垂直方向的位移为z5, 绕质心轴的横向转角为 α5, 半挂车第2 轴质心垂直方向的位移为z6, 绕质心轴的横向转角为 α6. 以这14个量为广义坐标X, 即取
即可得到14 自由度动力学模型 (见图1) , 模型中q1和q2分别为牵引车前轴的左车轮地面激励和右车轮地面激励, q3和q4分别为牵引车后轴的左车轮地面激励和右车轮地面激励;q5和q6分别为半挂车第1轴的左车轮地面激励和右车轮地面激励, q7和q8分别为半挂车第2 轴的左车轮地面激励和右车轮地面激励.
2 振动微分方程
根据汽车理论, 该车辆振动系统为线性常参数系统, 则在广义坐标X下, 利用拉格朗日法建立的振动微分方程的形式为
式中, T, U和D分别为系统的动能、势能和能量耗散函数;xi为系统第i个广义坐标, ˙xi为xi对时间的导数;Qi为对应于广义坐标xi的广义力.
根据多自由度系统振动理论, 容易求得以xi, ˙xi及各系统参数表示的系统的动能T, 势能U和能量耗散函数D, 它们分别是xi和 ˙xi的二次函数. 利用式 (2) 可得振动微分方程, 用矩阵形式可表示为
式中向量F为激励, 即
M为质量矩阵, 为14 阶对角矩阵, 即
C为阻尼矩阵, 其元素cij (i = 1, 2, · · · , 14; j =1, 2, · · · , 14) 可由能量耗散函数D表达式中 ˙xi˙xj项的系数乘以2 得到;K为刚度矩阵, 其元素kij (i = 1, 2, · · · , 14; j = 1, 2, · · · , 14) 可由系统势能U表达式中xixj项的系数乘以2 得到. 计算得到的矩阵K和C均为14 阶对称矩阵, 限于文章篇幅, 各元素的具体表达式不再一一列出.
3 振动系统的模态分析
3.1 模态计算方法
设为状态变量, 令F = 0, 由式 (3) 可得系统的自由振动状态空间方程为
式中
假设方程的解为
式中 ϕ = {φ, γφ}T, φ 为系统的复特征向量, γ 为系统的复特征值, 将式 (7) 代入式 (6) , 然后两边左乘A-1, 得
式中, I为单位矩阵. 令R = -A-1B, 应用MATLAB软件进行数值计算, 由矩阵函数eig (R) 可得特征值矩阵 Λ 和特征向量矩阵 Ψ, 即
式中 ϕr, φr和 γr (r = 1, 2, · · · , 14) 均为复数, ϕr*, φr*和 γr* (r = 1, 2, · · · , 14) 为其共轭复数, Ψ 为复模态矩阵, Φ 为模态振型矩阵[7], 即
3.2 典型半挂运输列车的模态计算
利用前面的动力学模型和上述方法对典型的具有牵引悬置装置的半挂运输列车进行模态计算. 牵引车的重量取为6 250 kg, 轴距为3.5m, 半挂车及货物的重量取为23 t, 两轴间距为1.3 m, 牵引悬置装置的垂直刚度和阻尼系数分别取816 k N/m和7 k N·s/m. 所有车轮的阻尼系数取为0, 其余车轮和悬架参数、质量参数及图1 中的尺寸参数分别列于表1、表2 及表3 中.
分别考虑无阻尼和有阻尼两种情况, 利用MATLAB计算前6 阶特征值和特征向量. 经计算, 无阻尼情况下第1 阶固有频率约为1.49 Hz, 振型主要为半挂车上下和俯仰振动以及牵引车的上下振动, 上下振动成分中牵引车大于半挂车, 方向相同;第2 阶固有频率约为1.82 Hz, 振型主要体现为半挂车的侧倾;第3 阶固有频率约为1.95 Hz, 主要为半挂车的上下和俯仰振动以及牵引车的上下振动, 上下振动成分中半挂车大于牵引车, 方向相反;第4 阶固有频率约为2.34 Hz, 振型以牵引车的俯仰和上下振动为主;第5 阶固有频率约为2.53 Hz, 振型主要为牵引车的侧倾振动;第6 阶固有频率约为6.55 Hz, 主要为牵引车的上下和俯仰振动, 相应的半挂车俯仰方向与第4 阶振型相反;此外, 车桥的各阶振型也有所差异. 前6 阶振型绘制于图2 之中, 图2 (a) ∼ 图2 (f) 分别对应第1∼6阶振型, 图中虚线表示平衡位置轮廓线, 实线为振型轮廓线.
根据表1 中的阻尼取值计算此半挂运输列车的有阻尼模态, 前6 阶复特征值如表4 所示, 从表4中可以看出固有频率情况换算成赫兹后与无阻尼情况具有很好的关联性.
4 结束语
大量计算表明, 所建立的模型和推导的振动方程能有效地为具有牵引悬置装置的半挂运输列车各悬置参数的匹配设计提供理论参考. 另外, 在式 (3) 中给定路面激励功率谱, 可以利用所得到的动力学模型和方程求得半挂车及货物质心位置的平顺性指标, 也可求出牵引悬置装置的变形和动载的方差, 为牵引悬置装置的结构设计提供数据. 目前关于特种车辆货物运输问题的研究比较多, 但一般只是涉及到静力学问题[8,9], 而本文应用动力学理论与方法进行特种车辆运输平顺性研究具有很好的现实意义.
摘要：研究了具有牵引悬置装置的精密仪器设备半挂运输列车的振动问题, 建立了14自由度的动力学模型并进行振动模态分析, 在此基础上, 计算了某典型半挂运输列车在有阻尼和无阻尼情况下的固有频率和振型.
关键词：振动,平顺性,模态分析,悬置系统
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