地铁车辆空气弹簧承重系统动力学分析及称重误差研究

摘要

空气弹簧的动力学性能和负载特性严重影响地铁车辆称重的准确性,尤其是气压-负载特性直接影响称重误差的大小。文章建立了空气弹簧垂向力学模型、空气弹簧垂向非线性动力学模型以及窄气弹簧非线性有限元网格模型,分析了空气弹簧的动力学特性,分析了地铁车辆称重误差的原因,推导了称重计算公式,得到较精确的气压-负载关系特性曲线,并结合试验数据进行了验证。研究为空气弹簧动力学特性的分析和地铁车辆称重误差的解决提供了参考。
　　 论文主要研究内容及方法如下:
　　 1.研究了空气弹簧垂向力学模型,并推导了空气弹簧垂向刚度计算式。
　　 文章以空气弹簧工作原理简图为基础,结合气体状态方程,推导出空气弹簧垂向力学模型。采用20-Sim软件,建立空气弹簧的键合图模型,并对空气弹簧垂向力学特性进行了分析,得到空气弹簧力学特性的主要影响因素,空气弹簧本体气室和附加气室之间节流孔直径与阻尼的关系以及气体压力与载荷之间的关系。
　　 2.考虑本体气室和附加气室之间气体的质量流量,建立了空气弹簧垂向非线性动力学模型,研究了空气弹簧垂向非线性动力学特性。
　　 文章采用Simulink建模方法,通过Matlab软件计算得到窄气弹簧垂向非线性动力学特性,得到空气弹簧气室容积与气压变化的关系、气室位移与载荷的关系。
　　 3.建立了空气弹簧非线性有限元模型,对其垂向力学特性进行有限元分析,得到空气弹簧初始气压、帘线角以及附加气室容积对垂向静刚度的影响,并分析动静刚度之间的关系。
　　 文章采用ABAQUS建立空气弹簧有限元模型,然后采用ABAQUS/Standard分析其垂向静力学特性,并对比研究了初始气压、帘线角、附加气室容积等参数对空气弹簧垂向静刚度的影响。之后,采用ABAQUS/Explicit对其进行动力学分析,得到不同初始气压下空气弹簧的动刚度,并研究了激励频率对空气弹簧动刚度的影响。
　　 4.分析了空气弹簧称重误差原因,并推导了称重计算公式,得到较精确的气压-负载关系特性曲线。
　　 文章结合地铁车辆称重系统,对引起其产生称重误差的原因进行了分析,得到压力测量、加载动态响应以及气压-负载计算等3种主要误差来源。依据窄气弹簧垂向刚度计算公式,结合空气弹簧体积、有效面积及其变化率与气体压力的关系,推导出称重计算公式。采用试验数据,对其进行验证,表明分析结果和推导公式足正确的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 国外研究概况

1.2.2 国内研究概况

1.2.3 地铁车辆称重系统存在的问题

1.2.4 本文主要研究内容

1.3 本章小结

第二章 空气弹簧特性及车辆称重原理

2.1 地铁车辆轮对称重转向架

2.2 地铁车辆空气弹簧结构及特性

2.2.1 空气弹簧结构

2.2.2 空气弹簧的频率特性

2.2.3 空气弹簧的垂向刚度特性

2.2.4 空气弹簧承载特性

2.3 地铁车辆空气弹簧称重系统

2.3.1 称重系统的构成

2.3.2 空气弹簧称重原理

2.3.3 称重相关计算

2.4 小结

第三章 地铁车辆空气弹簧系统动力学建模研究

3.1 空气弹簧力学模型

3.1.1 空气弹簧原理简图

3.1.2 空气弹簧力学方程

3.1.3 空气弹簧等效刚度

3.2 空气弹簧垂向刚度键合图建模

3.2.1 空气弹簧系统动力学键合图模型

3.2.2 20-sim仿真参数设定

3.2.3 仿真结果

3.3 空气弹簧垂向非线性动力学基本方程

3.3.1 空气弹簧本体

3.3.2 高度阀模块

3.3.3 质量流量

3.3.4 连接管路模块

3.4 空气弹簧动力学仿真

3.4.1 Sinulink模型

3.4.2 仿真结果及分析

3.5 小结

第四章 地铁车辆空气弹簧力学特性有限元分析

4.1 空气弹簧有限元模型

4.1.1 橡胶材料非线性

4.1.2 几何非线性及帘线层的考虑

4.1.3 接触属性的定义

4.1.4 空气的模拟

4.1.5 单元的选择及网格划分

4.1.6 分析步骤及边界条件的设置

4.2 垂向静力学特性分析

4.2.1 充气过程的仿真计算结果

4.2.2 垂向静力学特性仿真结果

4.2.3 初始气压对空气弹簧垂向力学性能的影响

4.2.4 帘线角对空气弹簧垂向力学性能的影响

4.2.5 附加气室容积对空气弹簧垂向力学性能的影响

4.3 垂向动力学特性分析

4.3.1 空气弹簧动力学分析有限元模型的建立

4.3.2 空气弹簧垂向动力学分析结果

4.4 小结

第五章 地铁车辆空气弹簧称重误差分析及解决方案

5.1 称重误差原因分析

5.1.1 空气弹簧几何变形

5.1.2 压力测量系统误差分析与计算

5.1.3 加载动态响应误差分析

5.1.4 空气弹簧气压-负载计算公式不精准引起的误差

5.2 称重计算公式推导

5.3 空气弹簧称重试验

5.3.1 试验设备

5.3.2 试验方法

5.3.3 试验结果

5.4 称重公式验证

5.4.1 称重计算结果

5.4.2 计算结果对比与分析

5.5 解决称重误差的建议

5.6 小结

第六章 结论与展望

6.1 论文研究成果和结论

6.2 论文的创新点

6.3 论文后续工作展望

参考文献

附录1 北京大兴线载客能力表

附录2 空气弹簧垂向静态刚度-压力曲线

附录3 载荷8.8t条件下技术数据

附录4 静态载荷-压力曲线

致谢

攻读学位期间的主要研究成果