基于独立旋转车轮的直线电机转向架性能研究

论文摘要

城市轨道交通以其安全、高效、节能及环保等特点成为现代城市公共交通的重要组成部分。近年来,随着我国改革开放不断深入,国民经济发展迅猛,城市化进程加快,各种形式的轨道交通在我国得到了广泛应用。直线电机驱动的城市轨道交通是一种新型的轨道交通模式,其依靠轮轨承载、导向,直线电机提供无粘着牵引力,具有车辆断面小,维护方便,可通过小半径曲线及大坡度线路等特点。当前,许多国家和地区都采用了这种模式的轨道交通,我国广州地铁四号线也于本世纪初在国内率先采用了直线电机技术。本文提出了一种基于独立旋转车轮的直线电机转向架总体技术方案,并建立了相应的动力学仿真模型,应用SIMPACK多体动力学软件对其进行了参数优化和动力学仿真。最后,根据计算结果,对直线电机转向架的动力学性能进行了全面分析,并在以下几方面进行了系统研究：1.论文首先回顾了直线电机轨道交通的发展历程,介绍了直线电机转向架的相关技术,分析了当前几种典型直线电机转向架的结构特点。在此基础上根据国内相关标准进行了直线电机转向架的方案设计研究,确定了主要承载部件的结构,悬挂系统的组成,制动方式及迫导向径向机构的模式等。2.独立旋转车轮技术是本文研究的重要内容之一,也是转向架的重要组成部分,其性能与传统轮对相比存在较大差异。本文从轮轨关系入手,深入分析了独立旋转车轮的导向机理,对其横向不对中及曲线性能差的原因进行了研究。3.从轮轨接触几何参数入手,提出了拟合轮轨接触点生成车轮踏面的数值设计方法。设计了与之相适应的线路及踏面外形,并将其与LM磨耗型踏面对比,得出了两种踏面的动力学性能及轮轨匹配特性。4.根据直线电机转向架总体结构方案,建立了动力学计算模型。应用此模型优化了转向架的悬挂参数和径向机构参数等,使转向架参数达到了最优匹配。根据参数优化结果,对直线电机转向架性能进行了预测。对比分析了独立旋转车轮与传统轮对转向架动力学性能的差异,研究直线电机附加垂向吸力对车辆性能的影响。计算结果表明,本文提出的直线电机转向架方案具有良好的动力学性能,适应我国城轨交通的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外直线电机车辆研究及应用概况
• 1.3 直线电机驱动机理
• 1.4 直线电机车辆系统特点
• 1.5 直线电机车辆相关技术
• 1.5.1 径向转向架
• 1.5.2 直线电机车辆制动
• 1.5.3 直线电机车辆定子悬挂技术
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 直线电机转向架方案设计研究
• 2.1 转向架主要技术参数
• 2.2 转向架总体方案
• 2.3 转向架主要结构设计
• 2.3.1 构架
• 2.3.2 轮对轴箱装置
• 2.3.3 中央悬挂装置
• 2.3.4 基础制动装置
• 2.3.5 直线电机及其悬挂装置
• 2.3.6 迫导向机构选型及设计研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 独立旋转车轮导向机理研究
• 3.1 问题的提出
• 3.2 重力复原力及其导向作用
• 3.3 蠕滑力及其导向作用
• 3.4 本章小结
• 第4章 独立旋转车轮踏面设计研究
• 4.1 问题的提出
• 4.2 踏面设计
• 4.2.1 踏面设计原则
• 4.2.2 三次样条函数的基本原理及数学性质
• 4.2.3 设计方法描述
• 4.2.4 踏面设计实例
• 4.3 踏面外形修正
• 4.4 数值结果分析
• 4.4.1 轮轨接触几何分析
• 4.4.2 动力学性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 直线电机车辆动力学模型
• 5.1 车辆动力学计算内容
• 5.1.1 横向响应计算
• 5.1.2 动态曲线通过计算
• 5.1.3 车辆运行平稳性计算
• 5.2 车辆动力学模型
• 5.3 动力学方程
• 5.3.1 坐标系统
• 5.3.2 受力分析及运动方程
• 5.3.3 径向机构受力及运动分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 直线电机车辆参数优化
• 6.1 动力学性能评定指标
• 6.1.1 平稳性指标
• 6.1.2 安全性指标
• 6.2 径向机构参数优化
• 6.2.1 实际导向增益对曲线性能的影响
• 6.2.2 导向杆刚度对曲线性能的影响
• 6.2.3 导向机构间隙对曲线性能的影响
• 6.2.4 小结
• 6.3 一、二系悬挂垂向刚度确定
• 6.4 一系悬挂参数对动力学性能的影响
• 6.4.1 一系纵向刚度对动力学性能的影响
• 6.4.2 一系横向刚度对动力学性能的影响
• 6.5 二系悬挂参数对动力学性能的影响
• 6.5.1 二系横向刚度对动力学性能的影响
• 6.5.2 二系横向阻尼系数对动力学性能的影响
• 6.5.3 二系垂向阻尼系数对动力学性能的影响
• 6.5.4 抗侧滚扭杆扭转刚度对动力学性能的影响
• 6.6 直线电机悬挂参数优化
• 6.7 本章小结
• 第7章 直线电机转向架动力学性能分析
• 7.1 直线电机车辆性能预测
• 7.1.1 直线运行平稳性预测
• 7.1.2 曲线通过性能预测
• 7.2 独立旋转车轮与传统轮对转向架动力学性能对比
• 7.3 影响独立旋转车轮导向的因素
• 7.4 直线电机垂向吸力对车辆性能的影响
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ 踏面设计流程
• 附录Ⅱ 直线电机转向架动力学计算参数
• 攻读硕士期间发表论文