详情

原文传递铁道车辆空气弹簧动力学模型的研究

论文题名：	铁道车辆空气弹簧动力学模型的研究
关键词：	铁道车辆;空气弹簧;动力学模型;轮重减载率;耦合空气弹簧
摘要：	空气弹簧是在柔性密闭容器中加入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。它具有优良的弹性特性，并且可以通过高度阀的作用使车体在任何载荷下的高度保持不变，用在车辆悬挂装置中可以大大改善车辆系统的动力性能，提高旅客运行舒适度。因此在干线高速铁道车辆转向架和城市轨道交通车辆转向架中均日益广泛地采用空气弹簧作为二系悬挂装置。空气悬挂系统主要由以下几部分组成：空气弹簧、附加气室、节流装置、高度控制装置以及差压阀组成。若空气弹簧横向跨距小，还包括抗侧滚稳定装置，欧洲模式空气悬挂系统一般采用油压减振器而不采用节流装置。根据国家发改委交运[2004]159号文《中长期铁路网规划》，以及铁道部关于跨越式发展的要求，未来15年将是我国铁路高速化发展的一个重要时期，使铁路运输能力能够满足国民经济和社会发展的需要。空气弹簧悬挂系统作为轨道车辆关键的舒适性设备，目前虽然已在我国160km/h铁路客车上获得了广泛应用，但在高速列车上的应用尚有许多技术问题有待解决，急需研制出可替代进口产品的空气弹簧悬挂系统，实现国产化目标。四方车辆研究所围绕轨道车辆用空气弹簧悬挂系统已进行了大量的研究工作，研制的SYS系列空气弹簧产品已广泛应用于我国铁路提速客车及城市轨道交通车辆，具备相当的基础。在对装用空气弹簧的车辆进行动力学性能分析时，受分析条件和手段的限制，一般把空气弹簧处理成线性弹簧和线性阻尼的串、并联组合，不能反映空气弹簧真实的非线性特点，也不能反映空气容积、压力、温度和节流孔阻尼值实际情况的变化，直接导致了对车辆性能分析时的误差。而现代铁路技术需要高精度的车辆系统的多体动力学仿真以及计算结果和试验测量结果尽可能比较接近。因此车辆系统动力学的仿真结果的质量越来越依赖于车辆部件模型的真实程度，这意味着非线性单元的线性化将不能保证获得满意的仿真结果，特别是在客车车辆系统中，空气弹簧得到广泛的应用，更加复杂的空气弹簧动力学模型的应用将增加仿真结果的正确性。本文首先建立了空气悬挂系统的垂向、水平方向以及空气弹簧无气状态的动力学模型，对于垂向模型创造性地采用模块化建模方式，建立了空气弹簧本体、附加气室、节流装置、连接管路、高度阀、差压阀等子模块的力学方程和基于SIMULINK的仿真模型，在此基础上讨论了几种典型非耦合空气弹簧的模型特点，其中空气弹簧-节流阀-附加气室模型以及考虑缓冲弹簧预紧力、不感带、饱和特性、单向阻尼特性以及流量非线性特性影响的高度阀模型均是首创，并首次建立了考虑漏泄的耦合空气弹簧的SIMULINK仿真模型；水平方向的模型采用试验刚度；最后首次研究了无气状态的空气弹簧动力学模型，垂向利用应急弹簧的载荷一位移曲线进行插值求得垂向作用力，而水平方向则建立了考虑动态法向力变化的二维摩擦副模型。因此铁道车辆空气弹簧在应用过程中的各种工作状况在本文基本上都可找到对应的动力学模型，这些动力学模型的建立为下一步的整车垂向动力学和通过曲线性能的分析奠定了基础。运用基于SIMULINK所建立的整车垂向动力学模型，探讨了几种非典型耦合动力学模型中哪个模型更能真实反映空气弹簧的作用，并将几个模型的仿真结果与试验台的实测结果进行了对比分析，得出固定节流孔的非线性模型3与实测结果基本一致，传统的线性模型1和固定节流孔的线性化模型2均存在一定的误差，因此这两种线性模型无法替代模型3，更无法替代节流阀模型4和带有连接管路的模型5。在实测路谱的激励下这种误差更为明显，在高速下甚至可能得到错误的结论，同时可以得出采用节流阀对于车辆性能的改进具有重要的意义，因此本文研究的模型3、4、5对于提高整车垂向动力学分析的精度具有现实意义。在车辆通过曲线性能的分析中，采用传统的线性模型忽略了高度阀和差压阀的影响，因此高度阀的控制方式与差压阀的参数设置缺乏理论依据，只能借鉴国外的设计经验或由供应商来提供，而这些参数的设置对车辆的安全性却有重要的影响，本文利用耦合空气弹簧动力学模型研究了空气悬挂系统参数设置对整车曲线通过安全性能的影响。此外本文还首次研究了高度阀的控制方式、簧上载荷、空气弹簧漏泄量、列车速度以及无气状态对整车通过曲线安全性能的影响，通过分析可以看出，若采用传统的线性模型将导致空气弹簧动行程、车体侧滚角以及出口过渡曲线轮重减载率的增大。增加差压阀压差，具有增加悬挂抗侧倾的作用，但导致入口过渡曲线的压差系数和轮重减载率增加。高度阀的控制方式对整车通过曲线性能的影响较为复杂，较为理想的控制方式是前3点控制，该控制方式不仅可有效地降低空气弹簧变形、车体的侧滚角、对角压差系数以及轮重减载率，而且也降低了空气的消耗。空气弹簧的漏泄量不大时对车辆的曲线通过性能影响不大，但当漏泄量与高度阀的进气量接近时，则恶化车辆曲线通过性能。在运行速度达到平衡速度之前，随着车辆运行速度的降低，车辆轮重减载率逐渐增大，在运行速度为Skm/h时，轮重减载率约为0.5，因此可以预测当车辆在过渡曲线停车启动时，轮重减载率很高，可能极为接近允许值0.6，对车辆的安全造成较大的影响。若前后转向架4个空气弹簧均无气或后转向架空气弹簧无气时，轮重减载率均很大，接近所允许的最低值0.6，具有脱轨的危险。前转向架空气弹簧无气时，只是造成直线段的橡胶堆摩擦力矩较大，对车辆通过曲线性能影响不大。文章提出了较为理想的方案：将前后转向架的空气弹簧通过一连接管路连接起来，保证车辆单侧空气弹簧的压力相等，从而降低对角压差系数，达到降低轮重减载率的目的，从而大大提高了车辆通过曲线的性能。
作者：	张广世
专业：	车辆工程
导师：	沈钢
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学汽车学院
学位年度：	2006
正文语种：	中文