高速动车组转向架动力学性能仿真分析与对比

论文摘要

在客运高速化及其引进技术消化与再创新过程中,高速转向架的非线性影响已经得到业内人士的重视,如CRH5转向架轮对纵向定位刚度高达14MN/m以上,而且轴距2.7m比通常轴距大0.2m。在高速转向架的众多非线性因素中,一系定位装置需要权衡横向稳定性与曲线通过性能,更好地理解轨道友好型设计的内涵。本文以CRH5高速转向架作为研究对象。在理解与掌握ALSTOM计算方法和结果的基础上,建立了CRH5转向架的非线性与线性模型。高速转向架非线性模型是指包括一系定位机构、抗侧滚扭杆装置和空气弹簧悬挂等典型非线性环节,主要应用于非线性临界速度和曲线通过性能等分析;而线性模型则是将上述非线性环节进行等效线性化后等到的,主要应用于整车运动模态分析等。与ALSTOM计算结果相比,CRH5高速转向架的线性与非线性模型具有可比性的仿真结果。ALSTOM的转向架模型是利用VAMPIRE建立的,相当于上述线性模型。在整车模态分析、临界速度和轮轴横向力等方面对比中,两者具有相似的数据变化规律,其产生误差的主要原因:①基础数据差距,如车轮踏面型面的拟合误差等;②非线性环节影响,如一系定位机构对车轴横向力等所产生不利的影响。利用ADMAS的非线性仿真特点,整车与四车组动态仿真分析可以更好地理解高速转向架性能的非线性影响。根据ALSTOM等欧洲高铁经验,临界速度计算需要考虑诸如轮对内侧距、轨距控制误差和轮轨磨耗等不利因素影响,而采用保守计算观点。一般以满载工况临界速度定义最高时速,以70%载荷工况定义最高运行速度。按照ALSTOM适当缩小轨距提高等效锥度的保守计算方法,车轮踏面LM临界速度对比表明:两者计算结果一致,都满足250km/h的最高速度要求。在此基础上,四种典型车轮踏面（LM、LMA、XP55和S1002）对比计算进一步说明:XP55踏面具有很好的参数变化光滑性,LMA踏面可以满足300-350km/h速度要求。在曲线通过仿真对比中,两者的车轴横向力具有一致的变化规律,但是存在差距,最大误差约为10KN。轮对纵向定位高度越高,曲线通过时车轮纵向蠕滑力越大,因而牵引系数也会相应提高,从而发生车轮“打滑”的可能性增大。这种车轮“打滑”可能性主要取决于车轮踏面,如XP55和LMA踏面的牵引系数相对较低。车轮“打滑”是造成轮缘接触的主要原因之一。由于高速转向架主要依靠车轮纵向蠕滑力实现偏转,因而车轴横向力比较高的计算结果是合理的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 一.课题研究内容及意义
• 二.国内外高速转向架的发展和研究现状
• 三.课题研究的技术方案
• 四.课题的科学性
• 第一章 理论基础
• 1.1 车辆运动稳定性理论
• 1.1.1 李亚普诺夫稳定定义
• 1.1.2 李亚普诺夫第一近似理论
• 1.1.3 霍尔维茨判据
• 1.1.4 极限环的存在与庞卡莱稳定
• 1.1.5 分叉和结构稳定性
• 1.2 横向稳定性分析方法
• 1.2.1 临界速度线性分析方法
• 1.2.2 非线性仿真验证方法
• 1.3 非线性稳态曲线通过理论
• 1.3.1 轮轨接触几何关系的非线性
• 1.3.2 非线性蠕滑力
• 1.3.3 非线性曲线通过方程的解
• 本章小结
• 第二章 CRH5 动车组转向架的特点
• 2.1 CRH5 动车组车组组成情况
• 2.1.1 车辆选择和转向架分类情况
• 2.1.2 整车和一列多车组装定位情况
• 2.2 CRH5 动车组转向架构造特点
• 本章小结
• 第三章 CRH5 动车组转向架模型
• 3.1 高速转向架线性与非线性模型的建立
• 3.1.1 CRH5 动力学参数一致性验证
• 3.1.2 非线性转向架的建立及应用范围
• 3.1.3 线性转向架模型的建立及应用范围
• 3.1.4 单车组装模型的建立
• 3.2 整车运动模态分析与对比
• 本章小结
• 第四章 轮轨匹配计算对比
• 4.1 基于自由轮对接触过程的轮轨匹配计算
• 4.2 四种典型踏面轮轨匹配对比
• 本章小结
• 第五章 临界速度对比分析
• 5.1 临界速度保守观点
• 5.2 临界速度对比分析
• 5.2.1 临界速度具体计算方法
• 5.2.2 线性临界速度分析对比
• 5.2.3 非线性临界速度分析对比
• 本章小结
• 第六章 曲线通过性能分析
• 6.1 曲线通过性能分析计算方法
• 6.2 轮轨力对比
• 6.2.1 轨道力限定值
• 6.2.2 非线性转向架中力的制衡关系
• 6.2.3 车轴横向力与牵引系数对比分析
• 6.3 其他结构参数对动力学性能的影响
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢