跨座式单轨车辆走行轮偏磨损因子模型研究

杜子学; 文孝霞; 杨震; 郑升宝; 周军超; 王国林

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20170349

跨座式单轨车辆走行轮偏磨损因子模型研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170349

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51475062）

详细信息

作者简介:
杜子学（1962—），男，教授，博士，研究方向为现代车辆设计方法与理论，E-mail：aaadzx@163.com

中图分类号: U270.1
计量
- 文章访问数: 498
- HTML全文浏览量: 262
- PDF下载量: 6
- 被引次数: 13
出版历程
- 收稿日期: 2017-05-02
- 修回日期: 2017-09-13
- 网络出版日期: 2017-10-22
- 刊出日期: 2019-04-01

Study on Partial-Wear-Factor Model Monorail Vehicle Running Wheel

摘要

摘要: 走行轮胎偏磨损导致换胎频繁是影响跨座式单轨交通运营成本的重要因素之一. 为快速评估不同单轨车辆设计方案的走行轮胎偏磨损状态，采用因子分析方法分析了影响走行轮偏磨损的10个评价指标，建立了走行轮胎偏磨损因子模型，提出了依据走行轮胎偏磨损因子得分高低评价车辆设计方案优劣的方法. 研究结果发现：影响走行轮胎偏磨损的因子得分排序依次为走行轮纵横向参数因子、导向轮轴距因子、走行轮垂向刚度因子和导向轮垂距因子；建立的走行轮偏磨损因子模型和偏磨损因子得分公式能快速评估不同单轨车辆结构设计方案下的走行轮胎偏磨损状态，从而为跨座式单轨车辆转向架开发设计提供了一种有效的优化设计方法.
- 走行轮偏磨损 /
- 因子分析 /
- 评价指标 /
- 因子得分 /
- 权重
Abstract: Frequent tire changes caused by running tire abrasion play an important role in affecting the cost of monorails. For rapid assessing the partial wear state of monorail vehicle running wheels on the different vehicle design, the factor analysis method was adopted to study the 10 evaluation indices that influence partial wear, the partial-wear factor model was established and a method was proposed for evaluating the merits and demerits of vehicle design schemes by the score of running wheels’ partial wear factor. The findings indicate the principal factors influencing partial wear in order of importance are the horizontal and vertical parameters, wheel base orientation, vertical stiffness of the running wheel, and vertical distance of the guiding wheel. The partial-wear-factor model and the partial-wear-factor score formula can quickly and reliably be used to evaluate the partial-wear state of the running wheel in different monorail vehicle structure designs. It provides an effective optimization design method for the development of bogies for monorail vehicles.
- running-wheel partial wear /
- factor analysis /
- evaluation index /
- factor score /
- weight

HTML全文

图 1 走行轮受力图

Figure 1. Force diagram of running wheel

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 单轨车辆转向架受力图

Figure 2. Force diagram of monorail bogie

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 单轨车辆结构与悬挂参数

Figure 3. Structure and suspension parameters of monorail vehicle

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 碎石图

Figure 4. Gravel map

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 3种设计方案下动力学性能对比

Figure 5. Comparison of dynamic performance among three design schemes

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 走行轮偏磨损评价指标取值范围

Table 1. Factor analysis range variable of running wheel partial wear

评价指标	上限	下限
走行轮垂向刚度K_zz/（kN•m^–1）	1 110	1 510
走行轮纵向滑移刚度K_zx/（kN•m^–1）	459.2	659.2
走行轮侧偏刚度K_zα/（kN•m^–1）	253.1	453.1
水平轮垂向刚度K_dz/（kN•m^–1）	950	1 350
空气弹簧垂向刚度K_qz/（kN•m^–1）	140	180
走行轮轴距L₁/m	1.4	1.6
前导向轮轴距L₂/m	1.15	1.35
后导向轮轴距L₃/m	1.15	1.35
导向轮垂距L₄/m	0.62	0.69
稳定轮垂距L₅/m	1.6	1.8

下载: 导出CSV

表 2 单轨车辆结构和悬挂参数原始数据

Table 2. Original data of structure and suspension parameters of running wheel

序号	K_qz/（N•m^–1）	K_dz/（N•m^–1）	L₁/m	L₂/m	L₃/m	L₄/m	L₅/m	K_zα/（N•m^–1）	K_zx/（N•m^–1）	K_zz/（N•m^–1）
1	246 400	1 114 000	1.44	1.200	1.40	0.620	1.800	441 121	648 800	8 503 600
2	179 200	1 088 800	1.46	1.250	1.13	0.680	1.730	284 321	534 800	2 212 400
$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$	$\vdots$
292	185 600	1 145 200	1.4	1.260	0.66	1.150	0.635	1.790	273 521	508 800
293	185 600	1 350 000	1.41	1.280	0.67	1.150	0.660	1.790	276 721	508 800

下载: 导出CSV

表 3 相关系数

Table 3. Correlation coefficient

评价指标	K_qz	K_dz	L₁	L₂	L₃	L₄	L₅	K_zα	K_zx	K_zz
K_qz	1	–0.248	–0.136	–0.114	–0.116	–0.199	–0.367	0.816	0.649	0.642
K_dz	–0.248	1	–0.718	0.070	–0.245	0.028	0.864	–0.683	–0.624	–0.288
L₁	–0.136	–0.718	1	0.157	0.123	0.038	–0.436	0.600	0.307	0.138
L₂	–0.114	0.070	0.157	1	–0.228	0.074	0.060	0.143	–0.257	0.217
L₃	–0.116	–0.245	0.123	–0.228	1	0.248	–0.172	0.307	0.446	0.512
L₄	–0.199	0.028	0.038	0.074	0.248	1	–0.138	0.012	–0.057	–0.034
L₅	–0.367	0.864	–0.436	0.060	–0.172	–0.138	1	–0.497	–0.494	–0.079
K_zα	0.816	–0.683	0.600	0.143	0.307	0.012	–0.497	1	0.532	0.589
K_zx	0.649	–0.624	0.307	–0.257	0.446	–0.057	–0.494	0.532	1	0.617
K_zz	0.642	–0.288	0.138	0.217	0.512	–0.034	–0.079	0.589	0.617	1

下载: 导出CSV

表 4 特征值及其贡献率

Table 4. Eigenvalues and contribution rates

主成分	初始特征值			提取平方和载入			旋转平方和载入
主成分	特征值 $\lambda_i$	方差贡献率/%	累积方差贡献率/%	特征值 ${\lambda_i}$	方差贡献率/%	累积方差贡献率/%	特征值 $\lambda_i$	方差贡献率/%	累积贡献率/%
第1个	4.154	41.539	41.539	4.153	4.154	41.539	3.993	39.932	39.932
第2个	1.686	16.863	58.402	1.676	1.686	58.402	1.943	19.433	59.365
第3个	1.373	13.730	72.132	1.626	1.373	72.132	1.295	12.954	72.319
第4个	1.303	13.029	85.161	1.262	1.303	85.161	1.284	12.842	85.161

下载: 导出CSV

表 5 旋转后因子载荷

Table 5. Rotation factor load

评价指标	主因子
评价指标	T₁	T₂	T₃	T₄
K_dz	–0.849	0.155	–0.018	0.058
K_zα	0.822	0.038	0.337	0.011
L₅	–0.765	0.121	0.080	–0.199
L₁	0.777	0.235	0.039	0.007
K_zx	0.620	–0.497	–0.257	–0.112
L₂	0.057	0.874	0.239	0.078
L₃	0.188	–0.558	0.472	0.393
L₄	0.019	–0.046	–0.034	0.959
K_qz	0.042	–0.042	0.034	–0.099
K_zz	0.091	0.124	0.910	–0.053

下载: 导出CSV

表 6 因子得分系数

Table 6. Component score coefficient

评价指标	主因子
评价指标	T₁	T₂	T₃	T₄
K_qz	–0.017	0.011	0.042	0.117
K_dz	–0.307	0.040	0.126	0.091
L₁	0.311	0.232	–0.107	–0.037
L₂	0.057	0.630	0.173	0.075
L₃	–0.067	–0.387	0.363	0.275
L₄	–0.013	0.072	–0.069	0.871
L₅	–0.283	0.005	0.202	–0.183
K_zα	0.254	0.097	0.146	–0.011
K_zx	0.151	–0.314	0.125	–0.156
K_zz	–0.111	0.081	0.761	–0.066

下载: 导出CSV

表 7 3种单轨车辆设计方案参数

Table 7. Design parameters of three kinds of monorail

设计方案	K_qz	K_dz	L₁	L₂	L₃	L₄	L₅	K_zα	K_zx	K_zz
1	186 400	1 043 200	1.58	1.11	1.28	0.675	1.62	383 721	656 400	2 741 200
2	174 800	1 135 200	1.47	1.23	1.25	0.690	1.73	435 121	560 800	4 987 600
3	185 600	1 350 000	1.41	1.12	1.15	0.630	1.79	302 321	508 800	6 687 200

下载: 导出CSV

表 8 3种设计方案因子得分及排名

Table 8. Factor scores and ranking of three designs

设计方案	因子1得分	因子2得分	因子3得分	因子4得分	综合得分G	综合排名
1	3.908	–3.044	0.474	–3.935	4.28	Ⅲ
2	1.974	–0.837	1.351	–1.270	4.33	Ⅱ
3	–0.817	–1.847	–1.163	–0.928	5.84	Ⅰ

下载: 导出CSV

参考文献(11)

熊嘉阳,邓永权,曹亚博,等. 重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响[J]. 西南交通大学学报,2014,49(2): 302-308. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.02.018

XIONG Jiayang, DENG Yongquan, CAO Yabo, et al. Wheel-Rail wear on heavy haul lines and its influences on running stability of trains[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(2): 302-308. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.02.018

KENJIRO G, TAKAOMI N, MOTOMI H, ET al. A curving simulation for a monorail car[C]//11th Mini Conference on Vehicle System Dynamics Identification and Anomalies, Hungary Budapest. [S.l.]: Technical University of Budapest, 2008: 171~177

HORN J L. A rationale and test for the number of factors in factor analysis[J]. Psychnmetrica, 1965, 30(2): 179-185. doi: 10.1007/BF02289447

李雄峰,陈鹏宇,韩文奇. 因子分析法在泥石流危险性评价中的应用[J]. 中国地质灾害与防治学报,2016,27(1): 55-61.

LI Xiongfeng, CHEN Pengyu, HAN Wenqi, et al. Application of factor analysis to debris flow risk assessment[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2016, 27(1): 55-61.

马水山,王志旺,张漫. 滑坡监测资料的因子分析[J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(7): 1003-1006. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2002.07.013

MA Shuishan, WANG Zhiwang, ZHANG Man. The factor analysis of landslide monitoring data[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(7): 1003-1006. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2002.07.013

文孝霞,杜子学,左长永,等. 曲线工况下跨座式单轨走行轮侧偏刚度对轮胎磨损的影响[J]. 交通运输工程学报,2014,14(2): 41-48. doi: 10.3969/j.issn.1671-1637.2014.02.008

WEN Xiaoxia, DU Zixue, ZUO Changyong, et al. Influence of cornering stiffness of straddle-type monorail running wheel on tire wear under curve negotiating[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2014, 14(2): 41-48. doi: 10.3969/j.issn.1671-1637.2014.02.008

赵建军,贺宇航,黄润秋,等. 基于因子分析法的边坡稳定性评价指标权重[J]. 西南交通大学学报,2015,50(2): 325-330. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.02.018

ZHAO Jianjun, HE Yuhang, HUANG Runqiu, et al. Weights of slope stability evaluation indexes based on factor analysis method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(2): 325-330. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.02.018

门宝辉,梁川. 基于变异系数权重的水质评价属性识别模型[J]. 哈尔滨工业大学学报,2005,37(10): 1373-1375. doi: 10.3321/j.issn:0367-6234.2005.10.020

MEN Baohui, LIANG Chuan. Attribute recognition model-based variation coefficient weight for evaluating water quality[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2005, 37(10): 1373-1375. doi: 10.3321/j.issn:0367-6234.2005.10.020

刘鹏飞,王开云,翟婉明. 驱动工况下重载机车与轨道动态相互作用[J]. 西南交通大学学报,2014,49(2): 302-308. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.01.003

LIU Pengfei, WANG Kaiyun, ZHAI Wanming, et al. Dynamics interaction between heavy-haul locomotive and track under driving conditions[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(2): 302-308. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.01.003

文孝霞,杜子学,许舟洲,等. 基于降低走行轮偏磨损的单轨车辆结构参数优化研究[J]. 现代制造工程,2016(12): 9-15.

WEN Xiaoxia, DU Zixue, XU Zhouzhou et al. Influence research of structural parameters on running wheel shoulder wear of the monorail vehicle[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2016(12): 9-15.

杜子学,李云川,文孝霞,等. 基于SIMPACK/ISIGHT的跨座式单轨列车走行轮偏磨研究与优化[J]. 铁道车辆,2016(4): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1002-7610.2016.04.001

DU Zixue, LI Yunchuan, WEN Xiaoxia et al. Research on side wear of the running wheel for straddle type monorail train based on SIMPACK/ISIGHT and the optimization[J]. Rolling Stock, 2016(4): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1002-7610.2016.04.001

施引文献

期刊类型引用(6)

1.	赵增闯，葛方顺，任利惠. 跨坐式单轨车辆辅助导向装置的简化模型. 机械科学与技术. 2025(01): 179-186 . 百度学术
2.	崔峰，何仕凤，来兴平，刘旭东，蒋新军，孙秉成，贾冲，宗程，李宜霏. 基于LSSVR与灰色理论的急倾斜巨厚煤层群开采冒落高度与时滞特征研究. 岩石力学与工程学报. 2024(04): 822-837 . 百度学术
3.	赵增闯，葛方顺，任利惠. 跨坐式单轨车辆的横向平稳性研究. 中国工程机械学报. 2023(06): 515-519 . 百度学术
4.	文孝霞，田云坤，杜子学. 走行轮轮胎带束层帘线性能参数对轮胎磨损影响规律研究. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2022(05): 151-156 . 百度学术
5.	王超冉，季元进，任利惠. 基于因子模型的跨坐式单轨车辆抗倾覆性能. 交通运输工程学报. 2020(02): 66-76 . 百度学术
6.	张银虎. 跨坐式单轨交通轨道梁定位测量及线形检测方法探讨. 铁道勘察. 2020(03): 1-6+16 . 百度学术