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原文传递高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式研究

论文题名：	高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式研究
关键词：	高速动车组;空气弹簧悬挂系统;动力学性能;故障模式
摘要：	随着我国高速铁路的快速发展，高速动车组的运营里程日益增加、开行密度不断提高，如何保障高速动车组在高运营强度下的行车安全与可靠性，已成为中国铁路的研究焦点。空气弹簧悬挂系统作为高速转向架的关键技术之一，在提高动车组动力学性能的同时，由于其气动装置复杂、材料非线性、依靠气体流动减振等特点，造成其在车辆动力学研究中建模困难，特别是鲜有在其故障模式下车辆动态运行状态的相关研究。鉴于此，本论文以国内高速动车组用空气弹簧为研究对象，建立了空气弹簧悬挂系统的三维耦合动力学模型，并分析了各种空气弹簧故障模式对车辆动力学性能的影响，以期为保障空气弹簧故障模式下高速动车组的运行安全提供一定的理论参考。　　鉴于空气弹簧的垂向非线性特性明显，首先基于流体力学与气动力学原理建立了空气弹簧悬挂系统的垂向气动模型。该模型不但考虑了空气弹簧本体的非线性气动特性，而且包含了高度调整阀、差压阀等气动装置在整体悬挂系统中的作用。为了验证该模型的正确性，根据相关标准对所研究的空气弹簧进行了仿真计算与试验台试验，两者结果的对比说明了该模型能够很好地反映空气弹簧的实际垂向特性。　　空气弹簧的垂向气动模型虽未考虑空气弹簧的横向非线性特性，但其相比于常规模型能够解决更广泛的车辆动力学相关研究问题。在高速列车交会分析中，空气弹簧的垂向气动模型能够体现交会流场对空气弹簧气动特性的影响，研究结果表明，列车交会速度越高，空气弹簧内压变化幅度越大，当交会车速为450km/h时，空气弹簧内压的最大波动约为30％。在空气弹簧支撑模式分析中，空气弹簧的垂向气动模型能够有效模拟各种支撑模式下气动装置的连接方式，通过分析各种支撑模式对车辆动力学性能的影响可知，增加抗侧滚扭杆的4点支撑模式不但可以保障故障支撑模式下车辆的运行安全性，而且可以在一定程度上提高车辆的运行平稳性。在高速动车组垂向平稳性分析中，空气弹簧的垂向气动模型可通过改变其结构参数研究车辆垂向平稳性的影响因素，建议增加橡胶气囊体积并选择适当的节流孔直径，以使车辆的垂向平稳性达到最佳。　　空气弹簧的横向特性与橡胶材料、气囊轮廓、帘线层布置等因素有关，基于考虑了橡胶蠕变特性、流固耦合效应以及裙板摩擦作用的空气弹簧非线性有限元模型，在不同内压、横移量下对空气弹簧的横向动态特性进行了研究。参考横向刚度的解析解，通过函数拟合方法建立了空气弹簧的横向二次模型与纵向修正模型，并结合垂向气动模型建立了空气弹簧悬挂系统的三维耦合动力学模型。当空气弹簧采用三维耦合动力学模型进行整车动力学计算时，由于考虑了空气弹簧横向刚度的非线性特性，使车辆曲线通过性指标较常规模型高约30％。　　通过空气弹簧三维耦合动力学模型与车辆多体动力学模型进行联合仿真计算，研究了空气弹簧的泄漏过程，得到了不同泄漏面积下各气动装置的时域响应规律。针对不同的空气弹簧故障模式，对车辆的动态运行状态进行了分析。研究结果表明:车辆的稳定性与平稳性先随泄漏面积的增加而变差，后随泄漏面积的增加而趋于平稳，空气弹簧的泄漏不会导致车辆失稳，但会使平稳性指标超出优级标准;差压阀在空气弹簧的泄漏中能够有效保障车辆的动力学性能，车辆的垂向和横向安全性指标的峰值分别出现在泄漏面积为15mm2和30mm2左右的工况下，但其峰值仍满足标准中规定的安全性要求;车辆通过曲线的方向若与空气弹簧的泄漏侧一致，则离心力造成的轮重偏载会与空气弹簧泄漏造成的轮重偏载相叠加，使轮重减载率高出直线工况约20％;差压阀失效会严重影响空气弹簧泄漏时车辆的曲线通过性，特别是导致轮重减载率高出正常工况约27％;高度调整阀的失效会造成车辆的横向与垂向动力学性能均变差;一侧橡胶气囊的爆裂会使车体骤然发生侧滚运动且各项安全性指标均会在爆裂发生后产生大幅振荡，但各项指标均会在3s后趋于平稳且未超出标准限值;节流孔堵塞对车辆的曲线通过性和横向平稳性影响不大，但会导致车辆的垂向平稳性变差。　　为了提高在空气弹簧失气状态下高速动车组的动力学性能，针对应急橡胶弹簧的4项特性参数进行优化，其中包括3方向上的刚度与磨耗板的摩擦系数。以4项应急橡胶弹簧的特性参数作为输入、整合后的动力学综合指标作为输出，通过径向基函数近似方法建立了车辆的近似模型，并采用粒子群优化算法优化策略对应急橡胶弹簧的特性参数进行了优化。优化前后的动力学计算结果表明，应急橡胶弹簧采用优化后的参数使车辆的稳定性、平稳性和曲线通过性均得到了不同程度的提高。
作者：	戚壮
专业：	车辆工程
导师：	李芾
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文