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原文传递内燃动车动力包故障转子系统动力学特性理论与实验研究

论文题名：	内燃动车动力包故障转子系统动力学特性理论与实验研究
关键词：	内燃动车;动力包;故障转子系统;动力学特性
摘要：	因成本较低和配置灵活等优点，由电传动或液力传动动力包驱动的内燃动车在非电气化轨道线路上具有广阔的应用前景。动力包转子系统作为核心部件，在工作过程中需要承受复杂的确定性和随机性内外部激励。针对内燃动车动力包故障转子系统动力学特性的研究，将为轨道车辆动力单元早期故障预警和在线状态监测提供理论基础和技术支持。因此，本文针对联轴器不对中、基础运动对动力包转子系统弯曲振动的影响和柴油机曲轴-齿轮箱耦合系统扭转振动特性进行了理论和实验研究，主要工作如下。　　（1）考虑到联轴器连接的输入输出转子轴线间的相对位置多处于空间异面直线关系且与转子振动互相影响，提出了联轴器动态空间不对中的概念，即转子运转过程中基于联轴器连接的两转子轴线间动态的三维空间相对位置计算得到的联轴器对中状况，并对其进行了化简和求解。基于联轴器处于平行不对中时其响应力存在于同一平面内，分析了弹性联轴器的等效刚度和等效阻尼的非线性特性。采用离散有限元方法对含有弹性联轴器的转子系统进行动力学建模，由动态空间不对中引发的响应力和力矩以及质量不平衡引发的偏心力作为相应位置的节点外激励。通过数值仿真对转子系统动力学响应进行了研究。　　（2）基于输入输出转子的理论模型搭建了不对中转子实验台，对考虑联轴器动态空间不对中的转子系统动力学响应进行了实验研究。采用激振器扫频激励得到了转子系统固有频率，并据此选定实验转频。通过改变配重块的固定位置进而改变质量不平衡引发的偏心力，根据转子振动中高频成分幅值的变化验证了其他外激励对由不对中引发的响应力和力矩的影响。通过分析实验中含有飞轮-联轴器的转子系统在不同转频和不同对中状况时的振动响应，对仿真结果进行了验证。　　（3）通过对隔振器和转子支撑的受力分析，建立了含有公共框架、柴油发动机和发电机的内燃动车电传动动力包三维空间动力学模型，研究了动力包转子系统在考虑联轴器动态空间不对中和源自车体的基础运动综合作用时的振动响应。通过数值仿真，分析车体存在横向、垂向、翻滚、俯仰和偏航方向上的确定性和随机性运动时的转子振动和动态空间不对中的动力学特性。　　（4）对柴油机曲轴结构采用集中质量法建立Lagrange方程，对于齿轮箱等结构中的各集中质量采用牛顿第二定律，得到了柴油机曲轴-齿轮箱耦合系统的扭转振动动力学方程，分析了其固有频率特性。针对不同转频下正常状况、柴油机单缸失火和输出轴上出现呼吸斜裂纹时飞轮处和输出轴处的实时角速度进行了对比和分析。相较于飞轮处加装实时角速度传感器，在输出轴处安装既避免了对柴油机壳体的侵入式改造，其输出信号也同时包含有源自柴油机曲轴和源自负载的两组信息。通过实验验证了输出轴处更适合作为柴油机曲轴-齿轮箱耦合系统的实时角速度在线监测点。
作者：	吴昆
专业：	力学
导师：	丁千
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2021