摆式列车主动径向转向架动力学研究

摘要

摆式列车在不改变乘客乘坐舒适度的前提下可以高速通过曲线路段，是既有线路提速的最有效、最经济的手段之一。但是以较高的速度通过曲线时，导致轮轨间的作用力增大，从而加剧了轮轨间的磨耗，使用传统转向架势必降低运行安全性，因此提出了径向转向架这一概念。径向转向架可以有效地降低轮轨磨耗，并拥有较好的曲线通过性能，径向转向架在摆式列车中得到了广泛的运用。主动径向转向架是径向转向架的一种，相比于传统的径向转向架，主动径向转向架包含主动径向控制系统和主动径向控制机构。主动径向转向架可以在曲线上根据线路实时信息实时控制轮对摇头运动，使之处于径向位置，并提高直线上蛇行运动稳定性。主动控制技术在铁道车辆领域中的应用越来越广泛，主动径向转向架也将得到国内外铁道车辆专家学者的重视。
　　 本文首先介绍了主动径向转向架的基本原理，确定了主动径向控制的径向结构形式:在构架与轮对之间建立四个作动器，分别控制前后两个轮对的摇头运动，从而实现径向目的。确定了主动径向转向架的主动径向控制的控制规律。根据相关基本参数，将其各个部分结构进行建模前处理，然后在SIMPACK中建立仿真模型。并建立了摆式客车中各个刚体的统一动力学方程。
　　 其次选取了主动径向转向架摆式客车的主动控制系统的控制方法。通过对经典PID控制方法、模糊控制方法以及混合型模糊-PID控制方法的比较分析可知:经典PID控制方法阶跃响应较快，但是控制系统的输出不稳定;模糊控制方法控制系统的输出稳定，但是阶跃响应相对较慢;混合型模糊-PID控制方法阶跃响应较快，且控制系统的输出稳定。最终选取混合型模糊-PID控制方法作为主动控制系统的控制方法。
　　 最后对主动径向转向架摆式列车的动力学性能进行了研究分析，动力学性能研究内容包括:运行平稳性、运行稳定性以及曲线通过性能。在研究曲线通过性能时，本文通过建立了装备三种形式转向架（常规转向架、自导向转向架以及主动径向转向架）的摆式客车模型，根据相关动力学评价指标对其进行了比较分析。结果表明，主动径向转向架可以有效地降低轮轨磨耗，对轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等曲线通过性能有不同程度的改善。主动径向转向架相较于自导向转向架拥有更好的径向性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题背景及研究意义

1．2 铁道车辆的曲线通过

1．3 摆式列车研究概况

1．3．1 列车通过曲线时的离心力和离心加速度

1．3．2 列车通过曲线时的最高运行速度

1．3．3 摆式列车的提速原理

1．3．4 摆式列车的国内外发展

1．4 铁道车辆主动控制技术研究概况

1．4．1 主动控制技术

1．4．2 国内外研究现状

1．5 本论文主要工作

第2章 主动径向转向架摆式客车原理及建模

2．1 主动径向转向架的基本原理

2．1．1 径向转向架概述

2．1．2 主动径向转向架基本结构和原理

2．2 主动径向转向架的控制实现

2．1．2 主动径向转向架的控制系统

2．1．2 主动径向转向架的控制规律

2．3 倾摆机构运动学

2．4 本章小结

第3章 摆式列车动力学模型

3．1 主动径向转向架摆式列车动力学计算内容

3．1．1 运行稳定性计算方法

3．1．2 运行平稳性计算方法

3．1．3 动态曲线通过计算方法

3．2 主动径向转向架摆式列车动力学模型

3．2．1 建模前处理

3．2．2 车辆的受力分析和运动微分方程

3．2 本章小结

第4章 主动径向控制方法的研究

4．1 控制系统的组成

4．1．1 主动径向转向架摆式列车控制策略

4．1．2 机电式控制系统数学模型

4．2 控制方法比较分析

4．2．1 PID控制方法原理

4．2．2 模糊控制方法原理

4．2．3 混合型模糊PID控制方法

4．2．4 控制方法比较分析

4．3 SIMPACK与Simulink联合仿真

4．4 本章小结

第5章 主动径向转向架摆式列车动力学分析

5．1 运行稳定性与平稳性分析

5．2 动态曲线通过分析

5．2．1 评价指标

5．2．1 仿真结果分析

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研实践