摆式列车直驱式容积控制电液伺服作动器研究

论文摘要

提高铁路旅客列车速度、缩短旅行时间和增加旅途舒适度是当今世界铁路的一个重要发展方向,也是我国铁路交通发展的主要方向,是提高运输市场竞争力的有效手段。因此,我国从2007年4月18开行了200km/h的高速动车组,并开始修建4横4纵共1.6万公里的高速客运专线。然而从国情出发,我国铁路仍然有7万多公里的既有线路。只有在广泛的既有线路上提速,才可以使我国铁路旅客运输整体跨上一个新的台阶。但既有线路的曲线半径限制了列车速度的进一步提高。我国铁路既有线路上的曲线长度占铁路总长度的三分之一,特别在地域辽阔的西部地区,线路大部分分布在山区,曲线多、半径小。要提高旅客列车曲线通过速度,补偿由于曲线超高不足而对曲线通过速度的限制,一种有效的途径就是采用摆式列车。倾摆控制系统实现车体的倾摆控制,是摆式列车的关键部分,倾摆控制系统的核心是倾摆作动器,其是实现车体倾摆的动力来源。随着液压技术与微电子技术密切结合,使得电液伺服技术得到迅速发展。出现一种新的伺服系统——直驱式容积控制电液伺服系统,其是交流变频传动技术在液压伺服控制领域中的应用成果。该系统具有交流伺服电动机传动控制灵活性和液压传动功率密度大的双重优点。可靠性高、节能、操作与控制简单、小型集成化等优势使其已在多个领域的装置上获得应用并取得了较大的经济效益。我国对直驱式容积控制电液伺服系统的研究大多数还集中在节能方面,很少将这种调速方式用于位置伺服控制。借助于直驱式容积控制电液伺服系统技术的发展,本文设计了一种应用于摆式列车的新型作动器——直驱式容积控制电液伺服作动器,对促进我国摆式列车技术的发展具有重要的理论和现实意义。论文首先介绍了国外摆式列车几种作动器的发展现状以及国外运用较成熟的几种倾摆机构模式,并对各机构模式进行了对比分析;选取四连杆倾摆机构模式为研究对象,运用数值仿真软件MATLAB编制程序,计算出直驱式容积控制电液伺服作动器需要的参数。其次,具体阐述了直驱式容积控制电液伺服作动器的结构及其工作原理;根据摆式列车倾摆作动系统的要求,完成直驱式容积控制电液伺服作动器的结构设计;并运用三维造型软件Pro/ENGINEER完成作动器的实体造型设计。最后,运用系统工程高级建模和仿真平台AMESim对作动器系统进行动态仿真,分析影响作动器系统的性能参数,得到了作动器的系统特性,验证了作动器系统设计和理论分析的正确性;并运用ADAMS软件,建立摆式列车车体倾摆机构的动力学模型,完成了与AMESim软件对摆式列车倾摆作动系统的联合仿真。仿真结果表明:直驱式容积控制电液伺服作动器具有较好的动态性能,能够满足摆式列车倾摆作动系统的性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的选题背景
• 1.2 摆式列车倾摆作动器的发展状况
• 1.2.1 气动式作动器
• 1.2.2 液压式作动器
• 1.2.3 机电式作动器
• 1.3 直驱式容积控制电液伺服系统的发展
• 1.3.1 直驱式容积控制电液伺服系统国外现状
• 1.3.2 直驱式容积控制电液伺服系统国内现状
• 1.3.3 直驱式容积控制电液伺服系统与传统液压系统的比较
• 1.3.4 直驱式容积控制电液伺服系统与机电作动系统的比较
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 摆式列车倾摆作动系统分析
• 2.1 倾摆机构模式
• 2.1.1 滚动导轨式倾摆机构
• 2.1.2 抗侧滚扭杆式倾摆机构
• 2.1.3 空气弹簧差压式倾摆机构
• 2.1.4 四连杆倾摆机构
• 2.2 车体的倾摆运动特性
• 2.3 倾摆机构运动关系
• 2.3.1 倾摆机构数学模型的建立
• 2.3.2 倾摆机构运动方程建立
• 2.4 倾摆机构受力分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 直驱式容积控制电液伺服作动器设计
• 3.1 直驱式容积控制电液伺服作动器液压系统原理图
• 3.2 液压缸的选择
• 3.3 直驱式容积控制电液伺服作动器液压系统动力参数确定
• 3.3.1 直驱式容积控制电液伺服作动器负载力的确定
• 3.3.2 确定液压缸的主要结构参数
• 3.3.3 液压缸的压杆稳定性校核
• 3.3.4 系统流量的计算
• 3.4 直驱式容积控制电液伺服系统油源系统计算
• 3.4.1 蓄能器的类型选择
• 3.4.2 蓄能器参数的确定
• 3.4.3 液压泵的选择
• 3.4.4 伺服电动机的选择
• 3.4.5 位移传感器的选择
• 3.4.6 安全阀的选型
• 3.4.7 单向阀的选型
• 3.4.8 管道的选择
• 3.5 直驱式容积控制电液伺服作动器的总体设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 直驱式容积控制电液伺服作动器系统仿真
• 4.1 AMESim软件的介绍
• 4.1.1 AMESim包含的系列软件
• 4.1.2 AMESim软件的主要特点
• 4.1.3 AMESim软件的使用方法
• 4.2 直驱式容积控制电液伺服作动器系统框图
• 4.3 控制策略的选择
• 4.3.1 PID控制器的原理
• 4.3.2 PID控制器中各校正环节的作用
• 4.4 AMESim直驱式容积控制电液伺服作动器模型
• 4.4.1 AMESim电动机模型
• 4.4.2 AMESim液压泵模型
• 4.4.3 AMESim液压模块模型
• 4.4.4 整个直驱式容积控制电液伺服作动器液压系统模型
• 4.5 直驱式容积控制电液伺服作动器液压系统仿真参数
• 4.6 仿真结果分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 直驱式容积控制电液伺服作动器联合仿真
• 5.1 摆式列车车体倾摆动力学模型
• 5.1.1 ADAMS软件介绍
• 5.1.2 摆式列车动力学模型的建立
• 5.2 ADAMS与AMESim联合仿真
• 5.2.1 联合仿真概述
• 5.2.2 建立软件接口
• 5.2.3 确定输入与输出关系
• 5.2.4 设置接口的输入输出变量
• model'>5.2.5 建立软件接口ADAMS_model
• 5.3 建立摆式列车车体倾摆系统仿真模型
• 5.3.1 建立AMESim联合仿真液压模型
• 5.3.2 在AMESim中加入接口模块
• 5.4 联合仿真整体模型的建立
• 5.5 联合仿真结果分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文