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原文传递铁道车辆空气弹簧动态特性研究

论文题名：	铁道车辆空气弹簧动态特性研究
关键词：	铁道车辆;空气弹簧;动态特性;动力学模型
摘要：	如何提高车辆的仿真精度是近几年研究的热点，空气弹簧作为车辆重要的二系悬挂，其模型的准确与否直接影响车辆的仿真结果。研究发现现有的等效模型和线性模型并不能完全反映空气弹簧的非线性特性，而现有的非线性Krettek模型和Docquier模型虽然考虑了气体流动的非线性特性，但是应用存在一定的局限性。除此之外，现有的模型一般是忽略了高度控制阀和差压阀的影响，然而高度控制阀和差压阀对车辆曲线通过性能中却发挥较大的作用，导致仿真结果与实际差别较大。因此，建立一个多因素的空气弹簧动力学模型势在必行，该模型的应用将大大提高车辆仿真结果的准确性。　　本文首先基于流体力学、空气动力学和热力学理论等理论，根据节流孔、连接管路、差压阀和高度控制阀进出气体的质量流量相等原则以及辅助空间法，建立包括节流孔、连接管路、空气弹簧本体、附加空气室和辅助空间、差压阀和高度控制阀各子模型的空气弹簧非线性模型，即辅助空间法空气弹簧非线性模型（简称TPL-ASN模型），该模型是采用模块化建模方式可以适用于不同结构的空气弹簧，并基于TPL-ASN模型编写空气弹簧动态特性仿真软件ASDS1.0，该软件可以模拟空气弹簧实际工况下的动态特性，为空气弹簧理论研究奠定了基础。　　为验证所建立的TPL-ASN模型的正确性，以CRH2用小曲囊空气弹簧和CRH3用大曲囊空气弹簧为试验对象，进行大量的试验研究，并对比分析几种典型工况。通过仿真结果与试验结果对比分析，可以发现所建立的TPL-ASN模型与试验结果吻合度较高，充分说明所建模型的准确性，该模型能够应用在工程实际中，为空气弹簧的研发设计和提供列车平稳性提供很好的理论依据。　　基于TPL-ASN模型、线性模型、等效模型、Krettek模型以及Docquier模型分别建立1/4车模型，并将这几种模型的仿真结果与试验结果进行对比分析，可以看出等效模型不能准确的反映空气弹簧真实的非线性，线性模型在低频率范围可以用于动力学仿真但是高频不能反映真实的非线性特性，Docquier由于没有对节流孔进行详细建模导致不能准确的模拟既带连接管路又带节流孔的空气弹簧非线性动态特性，Krettek模型由于没有对连接管路进行详细建模导致其不能准确模拟既带连接管路又带节流孔的空气弹簧非线性动态特性，TPL-ASN模型的仿真结果与试验结果能很好的吻合，表明该模型的准确性。　　基于TPL-ASN模型，利用SIMPACK二次开发的接口，开发出单个空气弹簧TPL-ASN力元以及双空气弹簧耦合TPL-ASN-COUPLE力元，并基于TPL-ASN力元建立1/4车动力学模型，重点研究附加空气室体积、节流孔直径、连接管路直径和连接管路长度对空气弹簧动态特性的影响。仿真结果与试验结果对比分析可知，附加空气室体积主要影响低频和中频特性，在选择附加空气室体积时要综合考虑动刚度和阻尼;节流孔对空气弹簧的动刚度和阻尼影响较大，其值选取不能太大也不能太小，最佳的节流孔取值范围为14～16mm之间;连接管路直径对空气弹簧的动刚度影响较大，直径太小会导致附加空气室不气作用，从而造成系统刚度过大和阻尼不足，直径太大会导致系统刚度过小和阻尼不足，都将不利于衰减振动，所以在选择时一定要综合考虑，避免刚度和阻尼过大和过小;连接管路长度对空气弹簧动态特性影响不是很明显，在参数优化时作为次要因素考虑。　　基于TPL-ASN模型建立某高速动车组整车多体动力模型，并在直线轨道上对比分析了Nishimura模型、Docquier模型和TPL-ASN三种不同模型下车体振动加速度和平稳性指标，还对比分析了基于TPL-ASN模型二点控制和四点控制下车辆曲线通过性能，结果表明，不同模型车体加速度位移图和频谱图差别较大，选择准确的空气弹簧动力学模型是必要的;不同控制方式对空气弹簧变形、空气弹簧内部气体压力、车体的侧滚角和轮重减载率影响较大，对轮轴横向力和脱轨系数的影响不是很明显;高度控制阀对车辆的动力学性能影响较大，尤其是低速通过曲线，在建模过程中不能忽略;四点控制对车辆的抗侧滚能力要比二点控制强，所以二点控制的车辆必须合理的设置抗侧滚扭杆。
作者：	高红星
专业：	交通运输工程
导师：	池茂儒
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文