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原文传递多种典型齿轨车辆的动力学模型及基本动态特性研究

论文题名：	多种典型齿轨车辆的动力学模型及基本动态特性研究
关键词：	齿轨车辆;动力学模型;齿轮-齿轨啮合行为;轮轨作用;加速度
摘要：	轨道车辆在坡道路段行驶比在平直路段行驶时需要更大的前进牵引能力以及制动能力，由此产生了在齿轨铁路(Rack Railway，亦称Cog Railway)上行驶的齿轨车辆。齿轨铁路在普通铁路轨道的两侧钢轨之间铺设一条类似于齿条的钢结构轨道，并与齿轨车辆转向架上装备的驱动齿轮组成齿轮-齿轨啮合系统，使用齿轮-齿轨啮合力补充车辆上坡时不足的轮轨黏着力或替代轮轨黏着力。齿轨铁路系统种类较多，其配备齿轮-齿轨啮合系统也因此具有多样性，而不同的齿轮-齿轨啮合系统也受其结构上的差异以及独特的安装方式对运行过程中的齿轨车辆引入不同的动态激扰，进而使齿轨车辆产生不同的动态特性，因此分析不同齿轨铁路系统齿轨车辆的动态特性研究是有必要的。本文在解析齿轮-齿轨啮合激扰产生机理的基础上，考虑齿轮-齿轨啮合冲击，根据车辆耦合动力学建立两类 Strub 系统、双排齿Abt 系统以及 Locher 系统四种典型齿轨车辆动力学模型，并对模型进行了实验验证；采用所建立的模型，分析齿轨车辆在坡道啮合路段运行时的齿轮-齿轨啮合行为，探究线路不平顺对齿轨车辆齿轮-齿轨啮合误差的影响；在此基础上研究齿轨车辆的轮轨作用以及车辆加速度，由此分析齿轨车辆的各部件动态响应以及整车的动态特性，为我国山地齿轨铁路系统选型设计及安全运维提供理论支撑。　　首先，根据同轴Strub齿轨铁路系统、双排齿Abt齿轨铁路系统、异轴Strub齿轨铁路系统与Locher齿轨铁路系统四种典型齿轨车辆的机械结构，基于齿轮系统动力学以及车辆-轨道耦合动力学建立了齿轮-齿轨啮合模型与齿轨车辆动力学模型，并建立了线路不平顺模型，然后给出了模型的数值积分求解方法，对模型进行了实验验证，最后发现建立的该齿轨车辆动力学模型是可靠的。　　其次，采用建立的齿轮-齿轨啮合系统模型，分别对四种典型齿轨车辆齿轮-齿轨啮合系统的齿轮-齿轨啮合力、齿轮-齿轨时变啮合刚度、齿轮-齿轨啮合系统振动响应特性以及线路不平顺下齿轮-齿轨啮合系统的啮合中心距误差展开分析。齿轮与车轴连接的同轴 Strub 齿轨铁路系统与双排齿 Abt 齿轨铁路系统的齿轮-齿轨啮合力存在多处冲击，且同轴 Strub 齿轨铁路系统的齿轮-齿轨啮合力最大值为 29.8 kN；同轴Strub齿轨铁路系统、双排齿Abt齿轨铁路系统与异轴Strub齿轨铁路系统的齿轮-齿轨啮合系统啮合稳定性较差，啮合冲击更明显；同轴 Strub 齿轨铁路系统，双排齿Abt齿轨铁路系统，异轴Strub齿轨铁路系统的齿轮垂向振动幅值维持在0.18 mm，其主要振动频率为3.9 Hz，其齿轮时程曲线波形相似，可以认为三种垂向啮合布置的齿轮齿条振动规律一致；Locher齿轨铁路系统齿轮-齿轨啮合中心距浮动最平稳，而同轴 Strub 齿轨铁路系统与双排齿 Abt 齿轨铁路系统的齿轮-齿轨啮合中心距误差受线路不平顺影响浮动较大，最大值为0.037 m。　　然后，采用所建立的齿轨车辆动力学模型，对四种典型齿轨车辆的轮对、构架与车体的动态响应展开了研究，并进行了对比分析。发现同轴Strub齿轨铁路系统，双排齿 Abt 齿轨铁路系统齿轨车辆由于簧下质量较大，轮对垂向振动较大，存在较明显的冲击，最大振幅为0.002 mm，加速度为32 mm·s-2，异轴Strub齿轨铁路系统齿轨车辆轮对垂向振动加速度变化较为平缓，各齿轨铁路系统齿轨车辆轮对振动频率均为 3.9 Hz；异轴 Strub 齿轨铁路系统齿轨车辆转向架构架与齿轮-齿轨啮合系统直接进行弹性连接，其转向架构架与车体振动较大，转向架最大振幅为0.13 mm，最大振动加速度为97 mm·s-2，车体振动最大值为0.063 mm，最大振动加速度为0.33 m·s-2；Locher齿轨铁路系统齿轨车辆齿轮-齿轨啮合系统对齿轨车辆各部件的动态响应的影响几乎为零。　　最后，研究了不同坡度下，以不同速度运行的齿轨车辆的轮轨作用性能、车辆运行安全性以及运行平稳性，并通过对比分析得出了动力学性能最优与最差的齿轨车辆所对应的齿轨铁路系统。同轴Strub齿轨铁路系统、双排齿Abt齿轨铁路系统与异轴 Strub 齿轨铁路系统齿轨车辆在运行时，其轮轨作用性能受齿轮-齿轨啮合激扰影响明显，双排齿 Abt 齿轨铁路系统齿轨车辆受影响最大，最大轮轨垂向力达到51.47 kN，轮轴横向力达1309 N，齿轨车辆轮轨垂向力随线路坡度的增加而减小，随运行速度的增加而增大；同轴Strub齿轨铁路系统、双排齿Abt齿轨铁路系统与异轴 Strub 齿轨铁路系统齿轨车辆运行安全性受齿轮-齿轨啮合激扰影响明显，Locher 齿轨铁路系统齿轨车辆几乎不受影响，双排齿 Abt 齿轨铁路系统齿轨车辆轮重减载率最大，各齿轨车辆轮重减载率随线路坡度以及运行速度的增大均呈增长趋势；异轴Strub齿轨铁路齿轨车辆运行平稳性最差，当线路坡度为200‰，运行速度为30 km/h时，达到最大值车体垂向加速度0.33 m·s-2，平稳性指标1.32，同轴Strub齿轨铁路系统、双排齿Abt齿轨铁路系统齿轨车辆运行平稳性随线路坡度的增大而更优，异轴 Strub 齿轨铁路系统与 Locher 齿轨铁路系统齿轨车辆平稳性指标随线路坡度的增大而更差。
作者：	袁密奥
专业：	机械
导师：	陈兆玮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023