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原文传递基于磁流变技术的可变刚度高铁转臂节点研究

论文题名：	基于磁流变技术的可变刚度高铁转臂节点研究
关键词：	高速列车;转向架;转臂节点;直线稳定性;曲线通过性;磁流变技术
摘要：	中国高速铁路的发展举世瞩目，极大地便利了人们的出行，列车速度的不断提高，也对转向架系统的直线稳定性和曲线通过性提出了更高的要求。列车转向架一方面需要较大的定位刚度来抑制高速行驶时的蛇形运动，另一方面在经过曲线轨道时又需要较软的定位刚度来适应曲率变化。传统的转向架系统难以满足这种矛盾的定位刚度需求，往往采用折中的定位刚度设计来兼顾直线稳定性和曲线通过性，一定程度上限制了列车运行速度和动力学性能的进一步提升。　　本课题依托中国中车某型可变刚度磁流变转臂节点项目，在适配当前转向架主体结构的前提下，进行利用转臂节点的刚度可控提升列车动力学性能的研究，主要聚焦于解决高速列车直线稳定性和曲线通过性矛盾性刚度需求以及降低轮轨激振对于车体舒适性的影响等方面。分别开展了基于磁流变弹性体(MRE)和磁流变液(MRF)的转臂节点研究，通过磁流变材料的磁控效应实现节点的变刚度功能，进一步开展列车动力学性能的评估，以评估转臂节点纵向定位刚度的变化，对于列车稳定性、曲线通过性和磨耗的影响，此外还探究了具有带隙特性的MRE转臂节点在抑制轮轨振动传递方面的应用。主要研究内容如下: 　　1.具有故障安全特性的MRE转臂节点研究。为了解决列车在直线和曲线路段的矛盾性刚度需求，进行了基于MRE的可变刚度转臂节点研究。首先进行了具有多层结构和复合磁场的MRE转臂节点方案设计，使之具有满足较大工作行程和无电大刚度的设计需求，设计了利用MRE弹性模量磁控变化实现节点刚度可控的工作机制。综合考虑磁场回路、结构强度、样品制备等因素，选取了适合节点弹性模量变化需求的MRE配方，并加工和制作了原理样机。最后利用材料试验机进行了变刚度性能测试，测试表明制作的MRE转臂节点在不同位移下实现了约54.9％的刚度变化效果，并利用参数辨识方法建立节点的力学响应模型。　　2.搭载MRE转臂节点的列车动力学评估。为了评估MRE转臂节点变刚度对于列车动力学性能的提升效果，进行了高速列车直线稳定性和曲线通过性的理论建模及仿真分析。首先从蛇形运动与直线稳定性的机理出发，建立转向架的直线运动动力学方程，分析了线性临界速度的计算方法;接着研究了常见的曲线通过性评价指标的定义及计算方法，并建立了转向架在通过曲线时的稳态方程;最后结合MRE转臂节点力学响应模型，研究了节点刚度变化对于列车动力学性能的影响关系。仿真评估表明减小MRE转臂节点的定位刚度时，轮对冲角在不同半径曲线上都明显减小，曲线通过性得以改善;同时直线行驶时无需通电即可实现较高的临界速度，保证了良好的直线稳定性，较好地实现了列车在不同路段的刚度需求。　　3.MRE转臂节点的带隙特性及隔振性能研究。针对轮轨接触的高频振动从轮对传递至转向架的问题，探索了具有带隙特性的MRE转臂节点在抑制振动传递方面的应用。首先基于机械超材料的带隙生成机制，对于MRE橡胶层和钢环层的参数进行了匹配设计。接着建立了基于弹簧质量模型的振动传递方程，通过理论计算了带隙频率，并通过多物理场软件仿真了带隙的分布情况和可调特性。接着，制作了具有带隙特性的MRE转臂节点，振动测试表明MRE转臂节点无电状态下的带隙频率为477 Hz～1165 Hz，并且通过电流调控使节点的带隙频率拓宽了123 Hz。在隔振性能方面，分别基于扫频激励、简谐激励和随机激励，验证了MRE转臂节点的隔振性能，在三种测试条件下平均实现了约39.7％、49.5％和24.2％的减振效果;最后建立了基于On-Off的开关控制算法，通过试验验证，通过调控电流使MRE转臂节点的传递率在较宽频率区间都实现了明显降低。　　4.具有故障安全特性的MRF转臂节点研究。为了克服MRE易受温度影响易老化的问题，开展了基于MRF转臂节点的研究。首先研究了将MRF阻尼器与传统转臂节点相结合的设计方案，提出了利用改变MRF阻尼器阻尼力实现节点刚度可控的工作机制。接着进行MRF阻尼器的结构设计，从强度理论和磁场理论对MRF阻尼器的活塞杆和活塞、外壳等部件进行了优化选取，制作了MRF阻尼器样机，实现了阻尼力398 N～7854N的调整范围以及19.8倍的阻尼力可调倍数。测试表明，所制作的MRF转臂节点平均实现了66.0％的刚度变化效果，着重分析了MRF转臂节点对不同位移和频率的响应情况。最后探究了MRF转臂节点刚度变化对于轮轨磨耗的影响情况，磨耗功仿真显示所提出的MRF转臂节点在不同曲线半径下，通过改变刚度平均实现了磨耗功约31.4％的降低，有效减小轮轨磨耗。
作者：	巩宁
专业：	仪器科学与技术
导师：	张世武;孙帅帅
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2022