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【doc】摆式列车机电作动器的研究.doc

【doc】摆式列车机电作动器的研究

快乐才_是时尚
2017-12-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《【doc】摆式列车机电作动器的研究doc》,可适用于综合领域

【doc】摆式列车机电作动器的研究摆式列车机电作动器的研究第卷第期OOO年月西南交通大学JOURNALOFSOSTJIAOTONGr】口诗Y加o媳射,删一ff,纪…,一t,毵,摆式列车机电作器的研究里,垄盟,黄丽湘'(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都)摘要:在分析采用机电作动器作为担式列车惯接驱动忧点的基础上舟绍了国外机电作动器的研静和应甩情况研究了机电作动器总体设计方案,并分折两种方案统缺点,设计出魏国按式列车用机屯作动嚣介绍了机电作动器的技术设计情况,对壁杠进行了选墅分析,对墼杠的受力分析和设计给出了强度计算结果,美词:懔t盐堡茎!亨塑:堕翌!墨生',『硝曩弓中田分蠢号:U文蕾标识码:AZHANG,MEm吨,HUANG姗(N叽TcPowerLab,sTw呲Jia帅l呻,Q啊X~QI)AI哦md:Based锄出earIrIgftheadvantagefelectrom~hanlcalaeomtorfor她train,thesituati~ofdevelopmentandapplicao~ofelec岫DecIcalactuator脚eoedIclt自螂felcetmmeehaniealaettmtoragivenandarIaIed,andtheelectrom~hsniealactuatorhdiledthebasisofcomparingThetechnicaldesiofelec'tmmechm'fieal,t~tmtortsuchthe~eCtlOIlforceanalysisofplanetaryrollerscrew,isin~edThe忱dmic日lpemmete~the丑l嘲Ba山既lll舳l乜ofthemaincmIml蜘bapresentedK啊凼:projeetmeehmaisms~ng蚰'mclee~Iz,mlealactuator击lg畸姗利用摆式列车技术在现有铁路线进行列车提速已得到人们的普遍认识人们在不需要进行大规模线路改进的情况下,在既有线曲线上就可以提高列车运行速度,也就是说可以通过改进铁路移动设备实现列车提速和常规铁路车辆相比,摆式列车采用有许多高新专用技术,如特殊设计的摆式转向架,线路状态检测网络系统和倾摆驱动系统,而技术的核心是倾摆驱动系统摆式列车的装置,列车倾撄驱动系统根据倾摆驱动介质的不同可分为:压缩空气式,液压式和机电作动式开发较早,运用较为成功的为液压作动式摆式列车,但近几年随着机电倾摆系统研制的成功,机电倾摆式摆式列车发展越来越快,已有取代液压倾摆式系统的趋势…I我国摆式列车的研{I起步较晚,但起点较高,直接研制机电倾摆式摆式列车本文就机电倾摆系统中作动元件机电作动器的研制进行介绍l机电倾摆机构的特点随着交流变流技术的发展,交流变频传动系统的开发已十分成熟目前,无刷交流饲服调速电机,变频控制器均有性能可靠的成品,加上无间隙,大推力,高精度的行星滚柱丝扛的研制成功,使摆式列车采用收稿日期:,基金项目:铁道部科技发展项目(l一E),教育部跨世纪优秀人才培葬计划基垒作者简介:张卫华(一)男,教授,博士生导师西南交通太学第卷机电作动器形式成为可能由于机电作动器在两个运动方向上都能产生足够的调节力,因此每个转向架只需要一套作动器装置机电倾摆系统中除机电作动器外,还有vv,下变流控制器及电源机电作动器形式倾摆驱动系统具有以下优点:()具有较高的动态特性,控制精度高()驱动介质为电力,可直接利用列车供电驱动,十分方便()平均消耗量小()系统(变流器,控制器)体积小,重量轻()由于采用电力,对环境污染小国外机电作动器的研制情况由于机电作动器形式的倾摆机构具有诸多的优点,加上其相应器件的开发日趋成熟,运行状况也越来越可靠,机电作动器形式的摆式列车巳成为新一代摆式列车的发展方向尽管机电式摆式列车研制起步较晚,但研制机电作动器的进展很好,已有一些成熟的产品出现比较有代表性的机电作动器有:()德国ESWEXTELSYSTEMSWEDEL公司(简称Esw)所研制的机电作动器主要用于坦克火炮的稳定器,后开发了摆式列车用机电作动器,用于Adtram公司研制的VT和VT摆式列车最近和Fiat公司台作应用于英国西海岸摆式列车上()德国Rexrmh公司下属的LohmamnStoheffoht公司和SIEMENS公司共同开发了在摆式列车机电作动器,应用在SIEMENS生产的ICT摆式列车上()瑞士CurtissWright传动技术公司(简称CWAT)也是研制军用火炮机电作动器为主的公司,后成功研制了摆式列车机电作动器,用在SIC公司研制的ICN摆式列车上机电作动器的方案设计传动丝杠的选择机电作动器是利用滚珠丝}将旋转运动转化为直线运动丝杠与螺母之间为无隙连接,运动精度高,经过正反转后仍能精确定位,传动效率高,它还能承受颠簸和振动,只需要很小的维护,滚珠丝杠在机床直线进给运动中普遍采用由于滚珠丝杠是滚珠和滚道问的点接触传力,接触应力较大,承载能力相对较小为此,出现了新型的行星滚柱丝杠(Planetaryrollersci~ws)行星滚柱丝杠采用了齿形啮合的面接触传力,丝杠的承载能力大大加强,而且具有运动精度高,丝杠寿命长的优点因此,所研制的摆式列车机电作动器将采用行星滚柱丝杠图为德国INA公司生产的行星滚柱丝杠示意图,它是由丝杠轴,行星螺纹滚柱,螺母外圈,调整垫和端板等组成机电作动器总体方案图行星滚柱丝杠示意图机电作动器是将旋转运动转化成直线运动,工作的形式有两种,一种是电机带着螺母旋转,螺母驱动丝杠,使丝杠直线运动另一种形式是电机带着丝杠旋转,丝杠驱动螺母,使螺母带着工件直线运动图是两种形式机电作动器方案图,这两种形式的机电作动器在原理上是一致的,所以在结构上没有本质上的区别,在国外这两种结构的作动器均有使用相对而言,螺母带动丝杠运动形式结构更为简单,紧凑在多数摆式列车的机电作动器中采用但在这一方案中,丝杠和螺母受力复杂(具体受力分析见后)丝杠不仅要承受前后作用的推拉力,而且丝杠的一端为自由端,这样丝杠的压杆稳定性性能太大下降,在受到横向力作用时丝杠不仪容易失稳,j时在螺母的内部产生很大的内力,所以,在设计上要保证丝杠系统有足够的刚度和强度翻i第期张卫华等:摆式列车机电作动器的研究螺母螺母丝枉,轮箱,一图机电动作器方案机电作动器技术设计总体设计及技术分析根据我国摆式列车设计要求,机电作动器的主要参数是根据摆式列车转向架设计所进行的作动器动态作动力分析和必要的设计余量确定的机电作动器主要参数要求为:()最大行程nan()最大运动速度rams()最大工作载荷kN根据上面的方案分析和主要参数要求进行了总体设计,机电作动器的设计总图如图所示主要由O图机电动作器总体图无刷伺服电机(含角度位置传感器和制动器),行星减速齿轮头,齿轮减速箱,行星滚柱丝杠及机体等构成作动器重约kg,在丝杠收缩时作动器的最小外形尺寸为omm×m×mm在总体设计时主要考虑的问题有:()抗横向力作用的考虑由于机电作动器是卧装在振动剧烈的转向架上,机电作动器不仅在轴向有kN的作动力,同时在作动器的横向受到因振动而生产的惯性力作用在设计时,考虑作动器在横向的振动加速度为g这掸在机电作动器的横向作用有OOkN的惯性力,这个惯性力会产生力矩作用在丝杠的螺母上根据总图,可以计算得到丝杠中位和在伸出,收缩凸位置时,丝杠螺母所受力矩情况(见图)在丝杠伸出一时,作用在丝杠螺母上力矩达到最大kNm由于一般丝杠螺母内部行星滚柱仅长约鲫IIIl,这样作用在丝杠螺母内部行星滚柱上的力相当大为此本设计提出双螺母方案,这样不仅使丝杠螺母受力得到改善同时提高了使用的可靠性这是摆式列车用机电作动器首次采用双螺母结构西南交通走学()丝杠的选择根据设计要求,本机电作动器的作动力为kN和速度为I~I{LS,本机电作动器选择丝杠直径m,丝杠导程rlxn这样丝杠螺母所需驱动力矩为Nm螺母转动速度rm同时计算得到丝杠抗弯曲极限推力kN,极限转速rrain,寿命h,安仝系数()电机的选择由于摆式列车采用D~V供电,而在实验室实验对只能进行ACV供电,故在电机和传动比的选取上,兼顾到了实验室试验和装车的应用试验用电机为BB,最高转速rrain额定扭矩Nna,额定功率kW装车用电机为BHc,最高转速Orm额定扭矩培Nm,制动扭矩Nm,额定功率kW这两种电机在安装接口上是一致的()传动比的选择传动比的选择同样兼顾到了试验用电机和试验用电机,传动比选为loII第卷!兰竺Illl【NMl"IllONM=kNmld图丝杠受横向力作用l,由电机所带传动比为的行星减速齿轮头和传动比为的一级齿轮传动实现()润滑的选择所设计的机电作动器内的所有轴承和丝杠均用油脂润滑,齿轮的润滑一般应采用稀油润滑这样使作动器内部的润滑密封设计困难考虑到作动器的齿轮最大传动速度仅ma,所以,齿轮润滑也采用油脂润滑()传感器的选择在进行电机交流伺服控制时,必须有电机的旋转位置反馈信号,一般为相对位置信号同时在列车启动倾摆系统投入工作对,还需要知道作动器丝杠的伸出绝对位置,当然这个信号可通过电机的旋转绝对位置来间接得到在本机电作动器的设计中,则采取了在电机设置一个旋转变压器来测定电机的绝对旋转位置,用于电机的反馈控制和机电作动器丝杠的中间位置的确定主要零部件设计()机体机体是作动器的支承体,作动器所受的外作用力都需由机体来传递,受力情况复杂,所以国外的大部分机电作动器的机体均采用模锻钢结构由于本作动器尚处于试制阶段放采用了采用成本较低的铸造结构,材料为台金铸钢ZGCrMnSi,最小壁厚m为了检验机体的设计强度,利用ANSYS有限元分析软件,对机体进行了强度计算,计算得到的机体的Vcmraises应力表明,最大应力值为强度满足要求MPa,最大应力点出现齿轮箱和齿轮箱加强筋板的连接处()转动主轴转动主轴为齿轮轴,材料CrNi,齿轮模数mm,齿数机体到丝杠的力的传递是通过转动主轴进行的,受力较大,而且比较复杂,所以进行了强度计算计算得到转动主轴在受拉情况时的Vonmiese最大应力为MPa,出现在转轴直径突变处转动主轴在受压情况时的Vonmiese最大应力为MPa,出现在齿轮啮合部总的来说应力较小,强度满足设计要求()连接球关节在摆式列车的转向架中,机电作动器的一端和转向架的构架连接,另一端和转向架摆动摇枕连接,所以机电作动器两端的连接结构设计,一方面要考虑到作动器构架,摇枕绕jr方向(列车前进方向)有倾摆转动自由度同时又要保证机电作动器不因作动器动作绕作动器轴向转动图是所设计的机电作动器连接球关节结构,销轴和转向架相连,中间的关节轴承不仅承受强大的动作用力,同时允许作动器相对转向架间的转动,关节轴承为GEIJKRS,内径一,外径一在关节轴承的两边,是一组抗侧滚橡胶套组合,对作动器在绕作动器轴向的转动进行弹性约束()其他零部件主要设计参数行星滚柱丝杠:型号RCT,双螺母,直径mm,导程m,长度m第期张卫华等:摆式列车机电作动嚣的研究组合轴承:是一种特殊的径向和双轴向推理组合轴承,型号ZARN"IN,内径onn,外径~omn,由丝杠(螺母)经过转动主轴传到机体上的作动器推拉作动力均由该组合轴承承担滚针轴承:这是转动主轴的辅助支承轴承,型号为NA,内径nla'n,外径m,宽柏nml中间齿轮:是由于结构所限设置的过轮,材料CrMnTi,模数m,齿数柏,两端轴径m图连接球关节结构台中间轴支承轴承:由于结构的限制,该轴承只能采用滚针轴承,尽管中间轴在理论上不承受轴向力,但采用单纯的滚针轴承是不合理的,因此采用了特殊的滚针角接触球组合轴承,型号NKIA小齿轮:小齿轮安装在齿轮头的输出轴上,材料CrMnTi,模数rm,齿数】电机:BB(试验用),BaC(装车用,含制动器)),均含测量绝对角位移的旋转变压器其他参数前面已谈到齿轮头:PB,行星齿轮减速传动,传动比结束语通过对国外摆式列车倾摆系统机电作动器的研究,结合我国国情,研制了双螺母滚柱丝杠机电作动器,其初步设计方案与相关的国外公司技术人员进行了多次探讨,认为其方案是可行的,但其性能还需进行大量试验验证尽管这种大功率行星滚柱丝杠机电作动器产品在我国尚是首先开发,鉴于机电作动器的诸多优点,相信机电作动器在我国的工业,军事,实验装备中会有一个很好的应用参考文献:Ch~oVhMtlller瑞士的摆式车体列车J铁路工程师,~():WuPB,喀J,iuHYKinemafieandklaetiemalfor嘴medlanimel"rtdbtaypa鼬JJel"Southwe~JiaetongUniversity,{():第五届轮轨系统接触力学和磨耗国际会议召开第五届轮轨系统接触力学和磨耗国际会议于O年月在本东京大学召开在这次会议中我国被录取的篇论文均由西南交通大学提交参加会议的位作者是牵引动力国家重点实验室金学松教授,张卫华教授,张立民副教授和摩攘学研究所刘启跃教授他们的论文题目分别是:轮对轨道结构变形对轮轨滚动接触蠕滑力的影响,全尺寸轮轨粘着试验分析,粘滑振动对钢轨波磨影响的研究和我国钢轨波浪形磨损调查和分析这充分反映了西南交通大学在该顿域的研究水平和能力,同时也提高了学校的国际学术声誉编缉部

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