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电动摆式列车关键技术研究.doc

电动摆式列车关键技术研究

那些年_yi个写全班抄
2017-09-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电动摆式列车关键技术研究doc》,可适用于项目管理领域

电动摆式列车关键技术研究国内图书分类号:密级:公开国际图书分类号:西南交通大学研究生学位论文年级三扛级姓名韭壶这申请学位级别王堂亟专业奎麴工猩指导教师鄞垩选婴究旦二零一二年五月一令一一,牛血月:『:多》主。淤:::::够西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口,在年解密后适用本授权书不保密匦使用本授权书。请在以上方框内打“”指导老师签名:台产事徙学位论文作者签名:否茛蔓二堤锣乙叫日期:日期:洲》、罗、西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:研究内容包括:电动摆式列车转向架的方案研究,主要包括构架、倾摆机构、倾摆作动器的选择、中央悬挂装置布置、电机和齿轮箱悬挂方式等,用软件建立电动摆式列车转向架的三维模型。应用软件建立电动摆式列车的动力学模型,进行倾摆机构的运动学和动力学分析,研究倾摆机构的结构参数对电动摆式列车的性能指标的影响。使用软件进行倾摆机构结构参数的多目标优化,用正交数组试验法得到的性能指标的决策矩阵,应用线性加权和法得到最优的倾摆机构的设计方案。通过调研国内外倾摆作动器的发展,提出电动摆式列车采用直驱式容积控制电液伺服作动器的建议,应用软件建立各部分耦合的车辆非线性模型,通过仿真分析完成了各个部件的选型及参数优化。本人在学位论文中所做的贡献如下:首次使用软件,结合软件对倾摆四摆杆机构进行变参数多目标优化,通过建立设计变量的组合矩阵,得到倾摆机构性能参数的决策矩阵,使用线性加权和法分析决策矩阵,得到各个设计变量组合的权和,考虑约束条件等因素后,进行了倾摆机构参数的优化。首次针对摆式列车,进行了电液耦合系统和车辆动力学系统的联合仿真,仿真结果表明,直驱式容积控制电液伺服作动器能具有快速响应,跟随性好的特点。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。论文的研究工作得到以下项目的资助:自然科学基金国家科技支撑项目新世纪优秀人才支撑计划一。学位论文作者签名:触报日期:沙净、步、争西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要本文在概述国内外摆式列车的发展及现状的基础上,提出了适用于高速动车组的摆式转向架总体方案设计,重点对电动摆式列车的关键技术倾摆机构和倾摆作动器做了研究。以软件和软件等仿真工具为平台,建立了电动摆式列车的参数化动力学模型,对倾摆机构进行了运动学和动力学分析,得到各个结构参数对电动摆式列车性能的影响。应用软件,本文还进行了倾摆机构结构参数的多目标优化设计,应用线性加权和法将多目标优化问题转化成单目标优化问题,得到了满足电动摆式列车倾摆性能最优的倾摆机构结构参数。本文针对直驱式容积控制电液伺服作动器,以为平台基础,完成了直驱式容积控制电液伺服作动器的方案设计,并对其各个部件进行详细的选型和参数化研究。应用软件,建立直驱式容积控制电液伺服作动器系统的非线性数学模型,对电液耦合系统和车辆动力学系统进行了联合仿真,分析了直驱式容积控制电液伺服作动器的静态特性和动态特性。仿真结果表明,直驱式容积控制电液伺服作动器能具有快速响应,跟随性好的优点。研究结果表明,针对高速动车组设计的摆式转向架方案可行,倾摆机构的结构参数能很好的满足电动摆式列车的性能要求。直驱式容积控制电液伺服作动器具有较好的动态性能,能够满足电动摆式列车倾摆系统的性能要求,是未来摆式列车倾摆作动器的发展趋势。多目标优化关键词:摆式列车倾摆机构作动器,,,,,’,,,,:西南交通大学硕士研究生学位论文第页目录第章绪论论文选题背景及研究意义摆式列车的基本原理摆式列车国内外研究概况国外摆式列车发展历程国内摆式列车研究现状摆式列车的关键技术倾摆机构倾摆作动器径向转向架曲线检测系统本文主要工作第章电动摆式列车转向架方案设计转向架主要技术参数。转向架方案选型。国外主型摆式列车转向架主要结构特点原型车介绍转向架主要部件设计转向架构架倾摆系统轮对和轴箱制动装置中央悬挂装置曲线检测系统本章小结第章倾摆机构的参数化建模及参数研究参数化设计理论倾摆机构的模型及参数化建模倾摆机构的运动学模型倾摆机构的动力学模型车体倾摆运动规律的确定建立倾摆机构的参数化模型倾摆机构的运动学和动力学分析及参数研究一摆杆上摆点间距对倾摆机构性能的影响摆杆长度对倾摆机构性能的影响摆杆铅垂角对倾摆机构性能的影响倾摆作动器距轨面高对倾摆机构性能的影响车体重心距轨面高对倾摆机构性能的影响本章小结第章倾摆机构结构参数的多目标优化设计。优化理论及软件优化理论优化软件正交试验设计方法倾摆机构的优化设计目标函数及约束条件倾摆机构的试验设计倾摆机构的优化设计参数优化性能指标优化后倾摆机构尺寸参数作动器行程和倾摆角的线性关系倾摆机构的运动学和动力学变化规律本章小结第章直驱式容积控制电液伺服作动器方案设计。直驱式容积控制电液伺服作动器的原理直驱式容积控制电液伺服系统动力参数确定系统的压力和负载力确定液压缸的结构设计及参数化研究系统流量的计算直驱式容积控制电液伺服作动器的主要部件设计蓄能器的选择及计算液压泵的选型控制电机选型安全阀和单向阀的选型西南交通大学硕士研究生学位论文第页管道的选型位移传感器的选型直驱式容积控制电液伺服作动器方案图。本章小结第章直驱式容积控制电液伺服作动器的仿真分析。控制器及其性能研究控制器的原理控制器中各环节的作用及分析直驱式容积控制电液伺服系统的模块化建模。永磁交流伺服电机数学模型液压泵数学模型液压缸数学模型直驱式容积控制电液伺服系统的仿真分析。电液伺服系统稳定性电液伺服系统动态特性参数对电液伺服系统动态特性的影响直驱式容积控制电液伺服作动器和摆式列车联合仿真联合仿真系统设计仿真计算及结果分析本章小结。结论与展望主要研究结论创新点研究展望致射参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章绪论论文选题背景及研究意义中国高速动车组的快速发展,提高了列车的运行速度,使得旅行时间大大缩短。但是,这些高速动车组主要是针对于新建的线路和线路情况较好的既有线。而对于曲线较多的既有线路,虽然车辆可以达到很高的运行速度,由于曲线较多的限制,不能充分发挥列车的优越性。鉴于目前已经成功运营的京沪线、京津线、武广线和沪杭线等客运专线,对高速动车组的关键技术的研究,从理论和实践方面都有了质的提高。年月日中国铁路第六次大面积提速,主要干线开始“时速’’的高速运行。而在年,国家的经济刺激政策投入了四万亿,给高速铁路的发展带来了机遇,高速客运专线相继投入运营,列车的运行速度实现了历史性的跨越。新建高标准的客运专线的成本非常高,只能在人口密集,经济发达地区采用,而对于广大的既有线或已经改造的线路,由于采用的是客货混跑,因此设计时速较低,主要表现在曲线半径小,曲线路段多,线路等级低等方面。曲线较多且半径较小,就限制了列车速度的提高。因此,想提高这些线路的列车运行速度,就必须提高曲线的通过速度,摆式列车就是针对通过曲线时,通过车体的倾摆,来抵消一部分离心力,来提高列车的曲线通过速度。目前,铁路实现高速一般有两种途径:第一种途径是通过建设新的高标准线路或大规模改造既有线路,加大曲线轨道的曲线半径,投入新型高速列车,日本、法国和德国等国家都发展了各自的高速列车,中国也发展了自己的系列高速列车第二种途径是在既有线路下,通过改善车辆本身的性能,提高车辆对线路的适应能力。大面积兴建新线,成本较高,对于一些经济不发达、人口不是很稠密的地方,是不经济的。然而,限制分布广泛的既有线速度提高的主要因素是曲线半径小,曲线通过速度低,使用常规列车直接提高曲线通过速度会降低列车的乘坐舒适性和运行安全性,而摆式列车能很好的解决这个问题。由此可见,要在既有线上,实现列车运行速度大面积的提高,只能采用途径二,即采用摆式列车,通过倾摆系统使列车在通过曲线时,使车体向曲线内侧方向倾摆一定的角度,车体上的重力加速度横向分量就可以平衡更大的离心加速度,就可以提高曲线通过速度。西南交通大学硕士研究生学位论文第页摆式列车的基本原理如图所示,在列车通过曲线时,会产生一个向外的离心加速度,因此外轨都会有一个超高,使列车向曲线内侧倾斜一定的角度,通过重力加速度的横向分量来平衡离心加速度,使乘客不会感受到很大的离心加速度。列车通过曲线的速度越高,产生的离心加速度越大,但是超高不能无限的增大,过大的超高会影响列车的运行安全性。因此想要提高列车的曲线通过速度,可以在外轨超高不变的情况下,使车体向曲线内侧方向倾摆一定的角度,这就相当于增加了一定的外轨超高,这样车体上的重力加速度横向分量就可以平衡更大的离心加速度。因此采用摆式列车既能提高曲线通过速度,又不降低乘坐舒适性【硎。求早糖霹心勘漶建与需镜’辆辅鲥’鬣攫抵潲曩追茂謇警麓鬟心加建崖耀矗抵嘏翻建壤麓离妊精椰建度眵。,西南交通大学硕士研究生学位论文第页由式和可得,摆式列车在通过曲线时,车上旅客承受的离心加速度为:,。口妥一半丢一。等~舻百一产百一由式可以看出,相比于传统车辆,摆式列车通过车体倾摆角,减小了车体的未平衡离心加速度。因此如果传统车辆和摆式列车具有相同的未平衡离心加速度,则摆式列车的曲线通过速度会高于传统车辆。由于旅客所承受的离心加速度与乘坐舒适性密切相关,由式可知,在相同的车辆运行速度下,乘坐摆式列车的旅客所承受的离心加速度明显减小,所以摆式列车可以改善乘坐舒适性。摆式列车国内外研究概况国外摆式列车发展历程图为西班牙开发摆式列车,摆式列车使用独立车轮。它属于无源摆自然摆,即摆心高于车体重心,通过曲线时,在离心力的作用下,车体自动向曲线内侧倾摆一定的角度,最大倾摆角度为。现在的摆式列车的运行速度已经达到以上【。图为瑞典型摆式列车的实体模型图,摆式列车使用的是四摆杆机构,通过两个液压作动器驱动车体倾摆。我国广深线曾租用了一列摆式列车,取得了良好的经济效益【曲。西班牙被动摆式列车瑞典摆式列车图西班牙和瑞典摆式列车意大利最先使用了有源摆,即主动倾摆,使用作动器的摆式列车能达到~。的倾西南交通大学硕士研究生学位论文第页摆角度,而无源摆倾摆角度最大的是摆式列车,也仅能达到。,远小于主动摆式列车。摆式列车属于簧上摆如图,倾摆机构在二系钢弹簧的上方,簧上摆需主动横向对中装置。它利用布置在转向架上的个液压作动器,强制车体倾摆。摆式列车的基本结构是比较成功的一种形式,它将倾摆机构布置的地板下方,节省了车体的空间。之后又开发了和等型摆式列车,取得了巨大的成功【。的倾摆液压缸布置的倾摆液压缸布置图意大利摆式列车德国最先在摆式列车上使用了机电作动器【】。在上世纪年代,德国研制出了内燃摆式动车组,倾摆作动器使用机电作动器,通过实际的运营经验表明,机电作动器的性能优于液压作动器。西门子公司研制的内燃摆式动车组,也采用了机电式倾摆系统,设计最高时速为,同时在二系悬挂中采用了主动横向悬挂系统和半主动减振器等新技术,保证了转向架具有更好的动力学性能,转向架如图所示。摆式列车转向架摆式列车转向架图德国摆式列车韩国摆式列车的设计速度是,运营最高速度。基本单元由节车组成,节车为一个运营编组,也可以扩展为节或节。倾摆机构的是四摆杆机构,使用机电作动器。韩国国铁规定的通过曲线时旅客感受到的未平衡加速度不能超过西南交通大学硕士研究生学位论文第页。瑞士联邦铁路希望重新设计摆式列车,由菲亚特公司、公司和公司制造了样车,结果是令人满意的,这批车保留了菲亚特倾摆系统的基本原理,图为瑞士转向架,一系悬挂为螺旋钢弹簧,二系悬挂为一个空气弹簧和抗蛇形减振器,牵引电机悬挂于车体下部,倾摆机构是滚道式,属于簧间摆,采用的是机电作动器,轮对径向系统为迫导向。辩崔瑞士转向架韩国摆式列车及倾摆机构布置图韩国和瑞士摆式列车英国西海岸摆式列车于年投入运用,由公司设计生产,最高运行速度,该车适合在曲线半径较大的线路上高速运行。轴箱定位采用轴箱顶簧悬挂,转臂式轮对定位装置。滚道式的倾摆机构置于转向架内,采用机电作动器。二系悬挂为一个大容积的空气弹簧,置于转向架中部。这种悬挂方式的优点是可以减少由于悬挂变形引起的倾摆角度的损失。英国摆式列车转向架转向架摆枕图英国摆式列车转向架及摆枕日本最先将摆式列车应用在米轨线路上。系摆式列车采用滚子式倾摆机构如图。之后又开发了系、系、系和系等摆式列车【。日本的系摆式列车是通过改变空气弹簧的高度来实现车体的倾摆如图。其原理是,在通过曲线时,通过给空气弹簧充排气,来使左右空气弹簧之间产生一个高度差,这样就实现了车体的倾摆。该种方式的优点是改造容易且成本较低,缺点是由于空气弹簧的行程有一定的限制,倾摆的角度较小。而且空气弹簧的充排气西南交通大学硕士研究生学位论文第页的响应速度较慢,倾摆的快速性较差,延迟较大【】。滚子式摆式列车转向架系空簧式摆式列车转向架图日本摆式列车日本正在开发具有三项新技术的下一代摆式列车系统如图:位置测定、倾摆角目标模式和新型倾摆作动器。首先,位置测定综合应用信号、曲线曲率核对和车轮转速信号其次,倾摆角目标模式被表示为时间的函数。最后,提出了在摆式列车上应用新型作动器电液作动器。天线车辆控制单元、电液作动器转速表转向架构架上的横向加速度传感器中央控制单元摆头速率传感器。图日本正在研制的下一代倾摆控制系统总的组成国内摆式列车研究现状我国从上世纪年代初开始进行摆式列车的前期理论研裂,年在西南交通大学建成了主动悬挂实验室,研制了国内第一个摆式车辆模拟试验台,它可以对车辆倾摆系统、控制系统和车辆参数进行试验研究,特别是对控制系统的可靠性和安全性提供试验验证在该试验台上进行了关于摆式列车的大量前期研究工作。西南交通大学硕士研究生学位论文第页广深准高速线租赁了一列摆式列车【,将原广深线最高速度由提高到~。首列内燃摆式列车为两动六拖,头尾动车不倾摆,拖车倾摆,倾摆系统采用机电作动器,设计速度为。为了改善车辆的曲线通过性能,拖车采用自导向和迫导向径向转向架,浦镇车辆厂研制了自导向径向转向架,唐山机车车辆厂研制了迫导向径向转向架。自导向转向架迫导向转向架图我国自主研制摆式列车摆式列车的关键技术摆式列车的关键技术之一就是实现倾摆功能的摆式列车转向架。摆式列车区别于传统车辆的核心技术主要为:倾摆机构、倾摆作动器、径向机构和倾摆控制检测系统。本文重点对转向架方案设计、倾摆机构和倾摆作动器几方面做了研究。倾摆机构倾摆机构是实现车体倾摆的关键,它的设计是否和合理,决定了摆式列车的性能的好坏。因此倾摆机构的设计要综合考虑对摆式列车各个性能的影响。参考国内外的摆式列车倾摆机构的应用情况【。,倾摆机构分为以下四种:四摆杆式。如图所示,意大利公司的系列、瑞典摆式列车以及德国摆式列车都采用的是四摆杆式倾摆机构。滚动导轨式。如图所示,在车体及摆枕上设置滚动导轨,转向架上设有对称安装的转动滚子,车体通过在滚子上的滚动实现倾摆,公司为英国提供的摆式列车和日本系摆式列车采用的是这种方式。抗侧滚扭杠式。通过改变车体两端的抗侧滚扭杆的长度,来产生一个高度差,来使车体向一侧倾摆,如德国公司研制的摆式列车。空气弹簧差压式。如图所示,在通过曲线时,通过往左右空气弹簧充排气,进而改变空气弹簧的高度,使左右空气弹簧之间产生一个高度差,来实现车体的西南交通大学硕士研究生学位论文第页倾摆。日本系有采用该方法,其优点实成本比较低,很容易在现有车辆上实现,但是车体倾摆的角度较小。四摆杆式滚动导轨式空气弹簧式图摆式列车的倾摆机构方式倾摆作动器倾摆作动器是倾摆系统的核心部件,它是摆式列车车体倾摆的动力来源,它的性能好坏,直接关系到摆式列车的运营安全。因此,要保证倾摆作动器有很高的可靠性。对国内外摆式列车应用的倾摆作动器进行了调查研究】,按其驱动类型可分为以下四类:气动式、液压式、机电式和电液式几种。表对四种类型的倾摆作动器的特点进行了对比分析,从表中性能指标可以看出,电液作动器的性能更好些。表倾摆作动器性能比较好一般不满意气动式作动器。气动式作动器是主动倾摆系统中,使用最早的倾摆作动器。它以压缩空气作为动力来源,不存在污染。缺点是倾摆控制的精度一般,倾摆系统响应慢、频响差,同时因为使用的压缩空气的压力较低,因此同程气动式作动器的尺寸较大,在转向节这种紧凑的空间内,不易布置。目前只有日本电动车组用其作为辅助倾摆装置。液压式作动器。其优点是灵敏性好,跟随性快,控制力大,与其它类型相比,优点是液压缸的尺寸较小、质量较轻。其缺点是液压系统的零部件多、需要体积庞大的泵站、油液容易泄漏。而且液压伺服阀对液压油的要求较高,要保证液压油不受污西南交通大学硕士研究生学位论文第页染,但是作动器所处的工作环境比较恶劣,这就对液压油的维护工作提出了更高的要求,维护成本上升。同时伺服元件要求的加工精度高,因此成本较高。使用液压式作动器的主要有瑞典的意大利的、、芬兰的机电式作动器。机电作动器的优点在于它只有外部连接的电气布线,具有较高的动态特性,灵敏度高、定位精度高、体积较小、结构简单、安装方便、有较高的能量效率。但是机电作动器是通过滚珠和丝杠来实现直线运动,有时候会发生机电式作动器“卡死”的现象,影响摆式列车的运营安全性。德国的所研制的机电式作动器主要用于坦克火炮的稳定器,之后开发了摆式列车用机电式作动器,在上世纪年代用于公司研制的和摆式列车如图所示。年和公司合作应用于英国西海岸的摆式列车上。一口尹~舐:铹一镌,。象靓,,缓掰荔一,一,,扣、~~‖,争豢,一呵磐。一雌~、,盔蘸熬溯~攀务、。参瀛。扩~锄,磁,澎。,~一》一图应用在上的机电作动器筝:一一德国公司和公司共同开发了摆式列车机电式作动器。年应用在生产的摆式列车上。瑞士传动技术公司简称。也是研制军用火炮机电式作动器为主的公司,后成功研制了摆式列车机电式作动器。年用在公司研制的摆式列车上。电液作动器。直驱式容积控制电液伺服系统是交流伺服技术和液压技术的学科交叉产生的技术革新成果,既具有液压传动输出力大的特点,又有电气传动能耗低和控制灵活的优势。直驱式容积控制电液伺服作动器由交流伺服电机、蓄积器、泵和液压缸形成一个整体。通过伺服电机来控制双向齿轮泵的流量和方向,就可以直接作用于液压缸,使其按要求动作。直驱式容积控制电液作动器的液压回路是一个全封闭的,因此工作油的泄漏和污染情况较少,作动器的外部连接只有布线,因此是维修性能优良的作动器。直驱式容积控制电液伺服系统由于是交流伺服电机技术和液压技术相结合的产物,故具有以下特点:传动效率高,成本低,该系统避免了节流损耗和溢流,提高了系统的寿命和可靠性西南交通大学硕士研究生学位论文第页曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼蔓皇曼曼皇笪曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅系统中去掉电液伺服阀,降低了制造成本,对油液污染不敏感:直驱式容积控制电液伺服系统中的电机和液压缸可做到较为理想的功率匹配系统元件数目少,可实现集成一体化,维修性能优良采用交流变频和液压容积调速组合成的交流变频容积调速回路,具有分辨率高、调速范围宽、节能性好、。抗污能力强。直驱式容积控制电液伺服系统同传统电液伺服系统相比具有明显优势,如表所示:表两种电液伺服系统性能对比直驱式容积控制电液伺服系统同机电作动系统相比具有以下优势:采用液压形式,更适合于具有剧烈振动的转向架工作条件液压传动功率密度大,是机电式作动器的~倍机电伺服作动系统一般采用滚珠丝杠,制造精度高,成本高。直驱式容积控制电液伺服系统可采用低成本的传统液压缸,并且具有很高的定位精度和定位刚度。由于采用液压系统,可更好的解决系统的发热问题。直驱式容积控制电液伺服系统可通过改变伺服电机、泵和液压缸之间的相对位置来改变作动器的尺寸,但是机电作动系统中的电机、减速器和滚珠丝杠的相对位置不能随意改变,所以对转向架这种空间布置比较紧凑的场合,直驱式容积控制电液伺服系统可以更方便的布局,相对机电作动系统具有优势。电液作动器在国外的航天和工程领域有着成功的运用业绩,是性能优良的作动器。日本的等人对电液作动器应用在摆式列车上做了相关的研究和试验。证明电液作动器适合于摆式车辆,相信它代表了下一代摆式列车倾摆作动器技术的发展方向。图应用在安装在日本摆式列车上的电液作动器。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图安装在日本摆式车辆转向架上的电液作动器年,德国公司采用直驱式容积控制电液伺服系统技术为摆式列车倾摆控制系统研制了一种新型的作动器一机电液作动器。其实物外形图片如图所示。图机电液作动器实物图片国内对直驱式容积控制电液伺服系统的研究起步稍晚,主要研究单位有太原理工大学、浙江大学、西安交通大学、北京航空航天大学、广东工业大学和哈尔滨工业大学。年广东工业大学对直驱式容积控制电液伺服系统的优越性和可行性做了深入的研究并对变频调速液压控制技术进行研究:年西安交通大学等也开展了对直驱式容积控制电液伺服系统的研究工作年浙江大学运用直驱式容积控制电液伺服技术对液压电梯进行研究,其流体传动及控制国家重点实验室建立变频液压系统试验台,并对该技术进行研究年太原理工大学运用直驱式容积控制电液伺服技术对变速泵控差动缸特性也有深入研究年北京航空航天大学结合学校特色,针对电动静液作动器对机载作动系统进行了深入的研究年哈尔滨工业大学也开展了直驱式容积控制电液伺服系统的研究工作,并在直驱式容积控制电液伺服系统的理论分析和试验研究方面取得了突破性进展,已经制造出两台不同功率的样机。西南交通大学硕士研究生学位论文第页径向转向架径向转向架一般可分为自导向径向转向架和迫导向径向转向架两种。由于两种径向转向架的导向机理不同,导致它们在曲线上的导向效果也不相同。尽管目前世界上径向转向架的种类很多,各种径向转向架也有其各自特点,但综合来看,具有以下几个性能优势【】:提高曲线通过速度,又不降低曲线通过时的乘坐舒适性减小曲线通过时的轮轨磨耗:车轮的滚动阻力小,具有节能效果。自导向径向转向架结构简图如图所示,它是通过将前后轮对通过连杆等机构连接起来,在车辆通过曲线时,使前后轮对的摇头约束解耦,依靠轮轨之间的蠕滑力导向,利用径向连杆使前后轮对同时趋于径向位置。迫导向径向转向架结构简图如图所示,通过连接在前后轮对的连杆以及与车体相连杆件,将摆式列车通过曲线时,车体和转向架之间的相对转角传递给转向架的前后轮对,使轮对趋于径向位置。而在曲线半径较小的线路上迫导向径向转向架最能有效地发挥其径向调节功能。另一种是一系柔性定位的转向架,如图所示,和常规转向架相对,其一系纵向定位刚度较小。车辆在通过曲线时,依靠轮轨之间的蠕滑力来导向,这样可以使轮对在曲线上的冲角减小。同之前两种径向转向架相比,由于缺少了前后轮对的连接装置,一系柔性定位转向架的前后导向角不能保持一致。‘口一阜’笮兰年三沥陬毫’自导向转向架迫导向转向架一系柔性定位图径向转向架模式可控径向转向架一般都装有控制系统和作动器,列车通过曲线时,检测系统将检测到的曲线信号传输给列车的控制系统,控制系统对数据进行计算处理,之后向作动器发出指令,使作动器动作,通过连杆等机构使轮对趋于曲线的径向位置。西南交通大学硕士研究生学位论文第页曲线检测系统国外采用了的曲线位置检测的方法包括以下几种利用搭载在头车的摇头速率陀螺仪检测曲线。利用对照线路数据库方式检测地点。阿尔斯通公司的预检测系统在列车通过规定线路仅一次后就可使用,是这一方法中最简单也是最先进的形式。日本的摆式列车上装有车载数据库,存储了现在在列车位置和轨道信息,这样就可以控制倾摆的角度。使用去检测当前的位置同时进行曲线半径校正,使用车载数据库。这个系统经过试验证明它的位置误差小于。本文主要工作本文主要对电动摆式列车的关键技术进行研究,研究内容包括:电动摆式列车转向架方案的总体设计完成电动摆式列车转向架整体方案设计。分别完成构架、摆枕、倾摆机构、一二系悬挂的设计等各个部分的设计。倾摆机构的研究使用软件建立电动摆式列车的动力学模型,对倾摆机构的结构参数进行参数化设计,然后进行倾摆机构的运动学及动力学分析,研究结构参数对电动摆式列车性能指标的影响。使用软件进行倾摆机构的结构参数的多目标优化设计。电液伺服作动器的研究直驱式容积控制电液伺服作动器的整体方案设计。直驱式容积控制电液伺服作动器各部分的选型及参数化研究。建立直驱式容积控制电液伺服作动器非线性数学模型,并使用进行性能仿真,研究直驱式容积控制电液伺服作动器的静态特性和动态特性。用软件和软件,对包括倾摆机构的电液耦合系统和车辆动力学系统进行联合仿真。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章电动摆式列车转向架方案设计电动摆式列车转向架基本结构主要由构架、摆枕、轮对轴箱定位装置、中央悬挂装置、制动装置、倾摆系统等几部分组成。本章参考国内外摆式列车转向架的设计方案,分别对各个部件进行选型分析,提出适合本国高速动车组的电动摆式列车转向架设计方案。转向架主要技术参数表列出了电动摆式列车的主要参数。表电动摆式列车参数表条目参数最高运行速度【】轨距【】轴距】轴重【】车轮踏而类型车轮直径【】倾摆机构四摆杆式倾摆类型簧间摆倾摆作动器直驱式容积控制电液作动器径向机构双拉杆一系柔性定位最大倾摆角【。】最大倾摆角速度【】最大倾摆角加速度【】车体摆心高【】空车:重车:车体重心高【】倾摆。后和倾摆过程中,符合《标准轨距限界铁路机车车辆限界》和一《高速铁路机车车辆限界技术条件》的要求转向架方案选型国外主型摆式列车转向架主要结构特点表列出了国外的几种使用主动倾摆方式的摆式列车的转向架参数表。我国电西南交通大学硕士研究生学位论文第页动摆式列车转向架的设计要充分借鉴国外成熟的摆式列车运动经验,提出合理的摆式列车转向架方案。表国外几种主动摆式列车转向架参数比较可见,摆式列车转向架主要有以下三种类型:、摆式列车转向架为代表的一系柔性定位转向架。这种转向架的轮对定位刚度较小,在曲线半径不是太小一般最小半径不小于的线路上有较好的径向调节能力。以、为代表的自导向径向转向架,它的径向调节能力比一系柔性定位转向架要好,在半径为以上的曲线上有较好的径向调节能力。但结构要比柔性一系定位转向架复杂。以日本系、瑞士和西班牙为代表的迫导向径向转向架,这种转向架在曲线上的径向调节能力最好,但结构复杂,制造工艺要求高。原型车介绍是以在意大利营运的的车头造型,出芬兰的的车身特别耐寒,转向架是从出西班牙的吖转向架的基础上研制的转向架。一尸一四图型动车组西南交通大学硕士研究生学位论文第页表及图分别列出了原型转向架的应用情况,。表原型转向架应用情况型号最高运营速度轴重】订货时间国家【】摆式转向架意大利意大利瑞士意大利芬兰西班牙葡萄牙德国捷克意大利,瑞士非摆式转向架西班牙中国图型动车组的原型车意大利摆式动车组如图所示,最高运行速度为,适合在较好的线路上运行,其转向架具有高速转向架的特点。其基本结构:一系悬挂为两组螺旋弹簧,轮对采用带弹性节点的拉杆定位。同时转向架还设有一系垂向减振器、二系横向和垂向减振器以及抗蛇行减振器。倾摆机构置于转向架之内。车体通过吊杆吊挂在转向架的摇枕上,转向架二系采用高圆簧,其目的是满足车体倾摆所需要的垂向变形,西南交通大学硕士研究生学位论文第页同时也使转向架的二系弹簧具有较小的横向刚度。转向架的另外一个特点是:由于倾摆方式属于簧上摆,因此二系横向采用了主动悬挂装置。图转向架结构图型动车组转向架源于意大利菲亚特公司的摆式列车转向架。本文的电动摆式列车的开发是在高速动车组的基础上进行的,要充分保留它的优点,并合理的设计摆式列车的关键部件来实现两者的结合。图型动车组拖车转向架转向架主要部件设计结合动力分散摆式电动车组转向架的技术条件,最高运行速度为,其线路等级较高,因此,采用一系柔性定位形式,通过优化转向架的定位参数来提高其曲线通过能力。本文设计的转向架由焊接构架、中央悬挂装置、倾摆系统、轮对轴箱定位装置和盘形制动装置组成。与普通转向架相比,增加了倾摆机构。如图所示。电动摆式列车转向架采用了四摆杆式倾摆机构,安装在构架和摆枕之间,直驱式容积控制电液作动器驱动摆枕按倾摆机构的几何轨迹带动车体倾摆。摆枕上方两侧安装大柔度空气弹簧以直接支撑车体,为簧间摆结构形式。图给出的摆式列车转向架的整体设计方案图。枕梁通过两个空气弹簧坐落的西南交通大学硕士研究生学位论文第页摆枕上。摆枕上安装有二系横向减振器,摆枕和枕梁之间安装有传递牵引力的字型牵引拉杆及衰减车体垂向振动的二系垂向减振器。倾摆作动器水平布置在摆枕下方,一端连构架的侧梁,一端连摆枕。其轴线位于转向架横向中心线上。抗侧滚扭杆安装在摆枕和车体之前,用来补充空气弹簧在车体产生侧滚时的刚度的不足的缺点。图电动摆式列车动车转向架设计方案图图电动摆式列车动车转向架俯视图和仰视图图电动摆式列车动车转向架侧视图西南交通大学硕士研究生学位论文第页转向架构架型动车组的构架是两个侧梁加上两个钢管横梁组成的型构架,但是圆筒状的钢管横梁不易安装摆杆固定座,而且两根钢管横梁之间的距离过大,无法布置倾摆机构。因此,将原来的钢管横梁改成箱型横梁,并减小箱型横梁之间的距离,在每根横梁上面布置两个倾摆机构的摆杆支座,在两横梁的外侧安装制动吊座、在一横梁的外侧安装齿轮箱吊杆座。由于空气弹簧坐落在摆枕上,因此去掉侧梁上的空气弹簧底座。横梁上拱的设计满足了倾摆系统上支点的高度要求,使摆杆下支点外露,便于检修。倾摆系统倾摆系统采用国际上通用的四吊杆机构,簧间摆形式。倾摆系统包括摆枕、倾摆作动器和四根摆杆每台转向架。倾摆作动器选择直驱式容积控制电液伺服作动器。根据电动摆式列车转向架倾摆系统的运动学和动力学优化分析的结果,结合转向架结构设计的实际,选择四根摆杆分两组设于摆枕两侧,其上支点连构架距轨面高,横向间距,下支点连摆枕距轨面高,横向间距。每根摆杆倾斜角为。。两组摆杆间距,摆心高。倾摆系统的三维模型图如图所示。图倾摆机构结构方案图电动摆式列车转向架中摆枕的结构较为复杂。整车重量通过空气弹簧落在摆枕上,而所有摆枕承载又是通过倾摆机构的摆杆来支承,结构受力都比较复杂,整个摆枕及其附件在倾摆过程中随车体一起倾摆。倾摆过程必须保证摆枕与构架、倾摆作动器以及与牵引装置不发生干涉。摆枕呈下凹鱼腹型,其下部有四摆杆机构吊座,作动器的一端支座落在摆枕一头的下表面。上盖板两端为空气弹簧座,中部焊有二系横向止挡座、横向减振器座,在最大倾摆角下要确保横向止挡、横向减振器不与倾摆系统发生干涉。摆枕两腹板外侧设有抗侧滚扭杆座、纵向止挡座。摆枕两端的下盖板上焊有两橡胶止挡,在作动器行西南交通大学硕士研究生学位论文第页程达到最大时,橡胶止挡与构架上表面相接触,以防止作动器行程过大。摆枕同时作为空气弹簧的附加空气室,应保证其气密性。摆杆连接构架与摆枕,在作动器的推动下摆杆将绕上支点摆动,考虑到摆杆要求比较高的安装精度、单臂悬引起的垂向变形、保证其在相对小的磨擦系数下转动同时又允许少量的摇头,因此采用一头为耐磨销套、另一头均为关节轴承的方案。关节轴承选用德国公司产品,型号,内径,外径,轴承宽。摆杆头部外径,内径摆杆长,头部厚,中央截面。两组摆杆纵向间距。摆杆为锻件,采用低合金结构钢。上摆杆销为贯通前后座结构,直径,摆杆内带突台定位,摆杆外设挡圈,并座落在构架的摆杆座上销接在摆杆和构架上。下摆杆销直径,突台直径,厚销接在摆杆和摆枕上。轮对和轴箱轮对是转向架的重要部件,它除支承车辆的全部重量外,还要承受驱动、制动力矩和传递牵引力,它的性能对整车的动力性能和对轨道的作用力有重要作用。提高曲线上的列车运行速度后,对于常规转向架,肯定会增加轮轨磨耗,降低曲线通过动力学性能。采用径向转向架则可以克服这些缺点。综合分析比较自导向、迫导向转向架、主动径向转向架和一系柔性定位转向架。提出了两种可行方案:一种是采用双拉杆一系柔性定位方式,可以在大于的曲线半径上,可以很好的实现轮对在曲线上径向。二是主动径向转向架,它吸收了自导向和迫导向的优点,克服了它们的缺点。理论上,它和迫导向转向架一样可以实现在任何曲线半径上的轮对的径向。动车组的一系悬挂采用的是双拉杆定位,而其原型车摆式列车采用的同样是此定位方式,因此双拉杆一系柔性定位方式在的速度级别下是适用的,定位刚度采用纵向小横向大方案,以利于轮对的摇头而径向通过曲线。一系垂向还安装垂向减振器,以缓解轮对和构架间的垂向振动。图一系双拉杆柔性定位方案西南交通大学硕士研究生学位论文第页制动装置的基础制动装置的安装座是布置在钢管横梁上。为了适应摆式列车的要求,将钢管横梁改成了两个中部上拱的箱型横梁,安装座布置在箱型横梁的外侧。因此需要将原基础制动装置的安装在箱型横梁的安装坐上。动车由于需要布置齿轮箱,转向架布置空间较小,因此在动车上有齿轮箱的俱安装的是两套轴盘式制动装置,无齿轮箱的是三套轴盘式制动装置。拖车转向架的空间比较大,在拖车的每一轮对上安装三套轴盘式制动装置,制动盘采用高强度合金锻钢盘。拖车的制动装置如图所示。中央悬挂装置中央悬挂装置的方案图如图所示,主要包括空气弹簧系统,二系横向减振器,二系垂向减振器,抗蛇行减振器,牵引装置及抗侧滚扭杆。图中央悬挂装置图中央悬挂装置侧视图空气弹簧系统西南交通大学硕士研究生学位论文第页空气弹簧系统由空气弹簧、高度控制阀、差压阀、附加空气室、空气弹簧储风缸及其管道系统组成。高度控制阀能保持静态时车钩中心线距轨面的高度,确保空重车正常联挂,还能对空重车提供不同的刚度,使空重车自振频率趋于一致,动力学性能接近。高度控制阀在摆式列车转向架中尤为重要,车辆通过曲线时高度控制阀控制两组空气簧,分别发生进排气作用,使车体相对摆枕没有太大的倾斜。压差阀能确保两组空气簧压差在允许范围内,避免因两组空气簧刚度相差太大,危及行车安全。储风缸的作用是给空气簧提供并补充空气。空簧直接坐落在摆枕上,而其上方是枕梁,对于空气弹簧的布置空间来说,尺寸较小,因此空气弹簧的高度需要调整,需采用高度较小的空气弹簧。型客车的速度达到,和摆式列车的速度级别接近,因此空气弹簧可采用型客车的空气弹簧,其转向架使用的是青岛四方车辆研究所生产的空气弹簧,该空气弹簧具有大的横向变位、小的横向刚度和良好的扭转特性【。。空气弹簧的有效直径,最大外径,空气弹簧高速量尹~‘一~。”。一。一琵一上盖胶囊下座橡胶堆摩擦块节流阀图空气弹簧基本结构和实例图片减振装置横向减振器为了衰减车体横向振动,需要在车体和摆枕之间安装横向减振器。两个横向减振器对称布置于摆枕中央的中心线上,一端连车体,一端连在摆枕中央的鱼腹平台的横向减振器安装座上。当列车通过曲线时,横向减振器与车体一起倾摆。二系垂向减振器二系垂向减振器布置在摆枕和车体之间,用来衰减车体的垂向振动。一端连接在摆枕的侧面,一端连接到车体。在倾摆过程中,随摆枕车体一起倾摆。抗蛇行减振器在车体和构架问设抗蛇行减振器,分布于转向架两侧,与车体相连的一端与车体一起倾摆,另一端固定在构架上。为了减小抗蛇行减振器对车体倾摆的影响,减振器尽可能选长些,同时要保证抗蛇行减震器座的接头能承受一定的扭转。牵引装置西南交通大学硕士研究生学位论文第页型摆式列车是通过连接在构架横梁上的字型牵引拉杆来传递纵向力。图纵向力传递本文摆式列车纵向力的传递,采用连接在构架横梁和车体之间的单拉杆,两端采用弹性球铰,在构架的横梁上安装牵引拉杆座,牵引拉杆座高度要高一些,避免牵引拉杆和制动装置吊杆发生干涉。图孚型牵引拉杆和单拉杆牵引抗侧滚扭杆车体和摆枕间设抗侧滚扭杆,与车体一起倾摆,抗侧滚扭杆可抑制车体和摆枕间的相对摆动,因此对于摆式列车转向架设抗侧滚扭杆更为重要。抗侧滚扭杆装置由一根扭杆、两个扭臂、两根连杆和两个支承座组成,其中两个支承座是斜插到摆枕端部的侧面。整个抗侧滚扭杆位于摆杆支座的上方,连接车体的支座伸到车体内。曲线检测系统本文提出一种复合控制方法,包括两种方式:一是使用安装在转向架上的陀螺仪西南交通大学硕士研究生学位论文第页和横向加速度传感器来检测曲线信息,信号经过滤波等处理传递给控制器,然后生成车体倾摆指令,控制车体的倾摆。二是使用检测列车的当前位置,通过车载数据库和检测信号比对,来实现曲线信息的检测。通过两种曲线位置检测方法的联合控制、校正来提高倾摆的精确度,同时实现多余度设计,在一个检测系统失效时,其他的检测系统还可以正常工作,保证列车的倾摆性能。对于每一种检测系统,设置相应的优先级,避免因为检测系统之间的差别而导致控制失灵而出现故障。对于摆式列车这样的主动控制系统来说,系统的可靠性是非常重要的。可以参考飞机的某些设计原则,多余度设计,通过冗余设计来保证高可靠性。一些制约主动控制的发展,往往是由于它没有被动控制系统的可靠性高,维护方便等因素。本章小结本章通过对摆式列车转向架各个部件的方案设计及分析,并考虑在整个转向架允许的空间内,合理的布置各个部件,完成了整个转向架的方案设计。本章参考国内外摆式列车转向架的各种形式,提出了适用于高速动车组的摆式转向架总体方案设计。分别对构架、摆枕、倾摆机构、轮对及轴箱、制动装置、中央悬挂装置等部件进行的结构方案设计。采用型构架,下凹鱼腹型摆枕,倾摆机构采用国际通用的四摆杆机构,新轮半径为,磨耗到限车轮半径为,动车无齿轮箱一侧和拖车采用套轴盘式制动装置,动车有齿轮箱一侧采用套轴盘式制动装置,中央悬挂装置包括:个二系横向减振器及二系垂向减振器。提高曲线上的列车运行速度后,对于常规转向架,肯定会增加轮轨磨耗,降低曲线通过动力学性能。采用径向转向架则可以克服这些缺点。两种可行方案:一种是采用双拉杆一系柔性定位方式,可以在大于的曲线半径上,很好的实现轮对在曲线上径向。二是主动径向转向架,它吸收了自导向和迫导向的优点,克服了它们的缺点。摆式列车作为一个主动控制的典范,可靠性十分重要。而其中检测系统扮演着十分重要的角色。本章提出了复合检测方式,参考飞机上的冗余设计,利用陀螺仪和加速度计检测方式,结合曲线定位功能和在车上布置的车载数据库。实现联合检测,并给两种检测方式设定一定的优先级。这样可以保证摆式列车在通过曲线时,能正确的实现车体倾摆。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章倾摆机构的参数化建模及参数研究本文采用的倾摆方式为簧间摆,是国际上通用的四摆杆机构,结构简单,性能可靠。四摆杆机构主要的结构参数主要包括:摆杆上摆点间距,摆杆的长度三,摆杆与铅垂线的夹角,摆杆上摆点距轨面高日,机电作动器距轨面高岛,机电作动器长度,车体重心距轨面高凰,车钩中心距轨面高。这些参数的设计,对摆心、重心、车钩的运动都有影响,对作动器的行程、摆动角、输出力和输出速度都有影响,对摆杆的摆动角和倾摆机构的横向复原力都有影响。因此,合理的选择这些参数,能改善倾摆机构的整个性能。四摆杆机构的整个机构几何约束是不变的,但是这些参数是可变的,应用软件建立摆式列车的动力学模型,将结构参数进行参数化设计,分别研究每个尺寸参数对摆式列车性能指标的影响,得到性能指标随倾摆机构的结构参数的变化规律。参数化设计理论参数化设计是在变量化设计思想之后出现的,因此有必要先了解变量化设计。的。教授首先提出了变量化设计,他应用的方法是,通过联立非线性约束方程组,选取一定的初值后,使用牛顿迭代法来迭代精化求解。此方法具有通用性强的特点,这样约束方程就不仅限于几何约束,可以扩展。对于电动摆式列车的动力学模型,就可以考虑倾摆机构的运动学及动力学关系。倾摆机构的模型及参数化建模倾摆机构的运动学模型运动分析是动力学分析的基础,首先进行倾摆机构的运动学分析。摆枕通过四根摆杆吊在构架上,而车体和枕梁落在摆枕的空气弹簧上。倾摆机构的运动学模型如图所示【,图中给出了车体未发生倾摆时各点的位置。摆杆上摆点、为摆杆横梁上的四摆杆的固定吊座,摆杆下摆点、为摆枕下部的铰接点,凹为倾摆作动器,一端通过铰接点固定在构架上的侧梁上,另一端通过铰接点固定在摆枕上。假设、点为固定在构架

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