单轮对黏着极限态动态行为的试验研究

摘要

随着大功率机车的投入应用和单轴功率的不断提高，充分利用轮轨黏着和提高机车黏着牵引力，并优化机车黏着极限状态下的动力学性能显得尤为重要。当轮轨黏着系数降低时，轮轨牵引力受到黏着的限制，引发车轮空转打滑以及牵引传动系统的扭转振动。　　本文针对单轮对黏着极限态的动态特性进行试验研究。首先是建立了简化的单轮对驱动系统的动力学模型，对比三种蠕滑力计算模型，利用Simulink进行仿真分析；分别采用PI控制、模糊控制和模糊PI控制三种控制方法进行单轮对黏着控制仿真对比分析；然后设计并搭建了1:5比例的单轮对驱动试验台，基于实时仿真机、旋转编码器和Matlab/Simulink仿真软件搭建试验台的数据采集系统和蠕滑率控制系统，用于对蠕滑率控制策略和轮对黏着极限态动态特性的试验研究；最后，利用无线扭矩测量仪，采用电阻应变片的测量方式，控制车轮在黏着极限状态的条件下测量轮对的扭转振动频率，并与轮对的有限元仿真结果进行对比分析；同时试验台还进行了轮轨接触面的洒水试验，以此来获得轮轨接触特性曲线。　　试验结果表明，在驱动工况下，车轮空转打滑会激发轮对系统的扭转固有振动频率的振动；从控制系统瞬态输出响应时间和控制精度来看，蠕滑率模糊PI控制效果优于其他两种控制策略；通过轮轨不同黏着状态试验得到的黏着特性曲线反映了轮轨蠕滑力先是随着蠕滑率的增加逐渐增大直至饱和的特征。

目录

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第 1 章绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 驱动动力学

1.2.2 黏着控制研究

1.2.3 比例试验台研究

1.3 本文主要工作

第 2 章 试验台驱动系统动力学建模

2.1 单轮对驱动装置

2.2 单轮对驱动试验台系统动力学建模

2.3 蠕滑机理形成分析

2.3.1 轮轨蠕滑率数学建模

2.4 轮轨切向力计算模型

2.4.1 沈氏理论

2.4.2 Polach 滚动接触理论

2.4.3 Kalker简化理论（FASTSIM）

2.5 三种切向力计算模型比较

2.6 驱动工况下轮轨切向力特性分析

2.7 本章小结

第 3 章试验台系统定蠕滑率控制策略建模与仿真

3.1 控制理论分析

3.1.1 PID控制策略

3.1.2 模糊控制

3.1.3 模糊 PID控制

3.2 定蠕滑率控制系统仿真建模

3.2.1 定蠕滑率 PI控制策略仿真建模

3.2.2 定蠕滑率模糊控制策略仿真建模

3.2.3 定蠕滑率模糊 PI控制策略仿真建模

3.3 三种控制策略的仿真结果分析对比

3.4 本章小结

第 4 章驱动试验台整体结构与零件选型设计

4.1 整体结构设计方案

4.1.1 转向架比例轮对

4.1.2 比例滚轮

4.1.3 一系悬挂装置

4.1.4 踏面修型装置

4.1.5 驱动装置

4.2 关键部件强度校核

4.2.1 轮对强度校核

4.3 试验台二维图绘制

4.4 试验台零部件选型与调试

4.4.1 伺服电机选型

4.4.2 一系悬挂装置

4.4.3 联轴器选型

4.5 试验台加工装配

4.6 本章小结

第 5 章 试验台蠕滑率控制平台搭建

5.1 蠕滑率控制系统

5.1.1 RT-SIM实时仿真软件

5.1.2 实时仿真机硬件

5.2 数据采集系统

5.3 数据采集系统硬件选型

5.3.1 旋转编码器

5.3.2 动态扭矩传感器

5.3.3 单端信号转差分信号转换器

5.4 基于 MATLAB/SIMULINK 的控制程序设计

5.4.1 蠕滑率计算模型

5.4.2 PI控制模型

5.4.3 模糊控制模型

5.4.4 模糊 PI控制模型

5.5 本章小结

第 6 章 单轮对驱动试验台试验研究

6.1 驱动试验台蠕滑率控制试验

6.2 扭转振动频率测量试验

6.2.1 单轮对模态有限元仿真

6.2.2 电阻应变片测量扭转振动方法

6.2.3 轮对扭转振动频率测量结果

6.3 蠕滑特性测量试验

6.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与科研项目

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