无公用轴独立旋转车轮车辆动力学研究

摘要

独立旋转车轮转向架车辆由于不存在轮轨纵向蠕滑,故具有较高的蛇行运动临界速度,对高速机车车辆具有很大的潜在应用价值;同时,由于车轴可做成曲轴或采用无公用轴,其可实现城市轨道轻轨交通车辆的部分低地板或全低地板,国内外机车车辆研究人员在这方面进行了大量的理论研究和试验研究.独立旋转车轮通常有两种形式:有公用轴和无公用轴.其均在城市轨道交通车辆中有成功的应用,有公用轴独立旋车轮转向架车辆在国外已应用于不同轨距的铁路联运,但对无公用轴独立旋转车轮车辆,除西班牙的Talgo列车外能在正线铁路上运营和实行不同轨距铁路的联运外,国内外尚不多见;除转向架采用无公用轴独立旋转车轮外,其它结构与传统客车基本相同的这种无公用轴独立旋转车轮转向架车辆应用在正线上的可行性,国内在这方面的理论研究还不多见,该文将对该型车辆在直线上的横向动力学作一些理论探索.论文主要将传统轮对变换无公用轴独立旋转车轮,除轴箱和构架结构发生变化外,车辆的其它结构和尺寸基本不变.为了便于比较,建立了传统车辆、有公用轴独立旋车轮转向架车辆、无公用轴独立旋车轮转向架车辆的横向动力学模型,利用一种快速的方法推导了其运动微分方程,利用Newmark显式积分法求解系统非线性微分方程,该积分法具有过程简捷,且使用时无需求解高阶微分方程组,显著地提高了计算速度.文中采用Fortran95编制了这三种模型的程序,在程序中除整数外,其它实数全部采用双精度类型,提高了计算精度.在此基础上,详细分析了三种车辆的临界速度和在直线上的主要动力学性能.最后,分析了主要悬挂参数对无公用轴独立旋车轮转向架车辆性能的影响.研究结果表明:无公用轴独立旋车轮转向架车辆具有较高的临界速度,比传统车辆具有更好的横向动力学性能.其8个车轮在运行中均偏向轨道中心线,车轮的摇头角比传统车辆的小一个数量级,但当其一系纵向刚度小于某一值时,摇头角和摇头角速度有扩大的趋势.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1论文选题背景

1.2独立旋转车轮特点及研究现状

1.3我国独立旋转车轮研究现状

1.4独立旋转车轮应用前景

1.4.1高速机车车辆

1.4.2城市轻轨车辆

1.4.3不同轨距联运车辆

1.5本文主要工作

第2章无公用轴独立旋转车轮转向架方案研究

2.1无公用轴独立旋转车轮转向架主要技术指标

2.2无公用轴独立旋转车轮转向架总体方案设计

2.2.1车轮轴箱装置

2.2.2构架

2.2.3中央悬挂装置

2.2.4基础制动装置

2.3本章小结

第3章独立旋转车轮转向架车辆动力学方程

3.1车轮坐标系统

3.2轮轨蠕滑力和蠕力矩的计算

3.2.1轮轨蠕滑率的定义

3.2.2蠕滑力和自旋蠕滑力矩计算

3.2多刚体运动微分方程快速推导方法

3.3传统客车模型和运动微分方程

3.3.1客车转向架的结构

3.3.2横向动力学计算模型

3.4.3车辆系统运动微分方程

3.5有公用轴独立旋转车轮转向架车辆运动微分方程

3.5.1客车转向架结构和模型及运动微分方程

3.6无公用轴独立旋转车轮转向架运动微分方程

3.6.1无公用轴独立旋转车轮客车转向架结构

3.6.2无公用轴独立旋转车轮车辆模型

3.6.3无公用轴独立旋转车轮车辆运动微分方程

3.7本章小结

第4章运动微分方程数值求解方法

4.1新型快速显式积分法

4.2动力学程序流程图

4.3本章小结

第5章独立旋转车轮车辆横向动力学分析

5.1车辆动力学计算内容

5.2轨道不平顺

5.2.1轨道不平顺的描述[7，42,43]

5.3车辆动力学仿真结果分析

5.3.1临界速度的比较

5.3.2理想轨道条件下性能比较

5.3.3在不平顺线路上比较

5.3.4悬挂参数对无公用轴独立旋转车轮车辆的动力学影响

5.4本章小结

结论

致谢

参考文献

发表的文章