铁道车辆曲线通过性能主动控制

论文摘要

曲线通过性能一直是铁道车辆动力学研究的重点和难点,是评价车辆性能的重要指标。铁道车辆在通过曲线时由于轮对没有处于径向位置,引起轮轨力、轮轨磨耗增大,能耗增加,脱轨的危险性、噪声增大等等一系列问题。为了解决这些问题,国内外专家学者作了大量的理论和试验研究,包括优化悬挂参数、改变轮轨型面等等,其中径向转向架和摆式列车是最具典型的两种解决方案。自从主动控制技术被引入到铁道车辆领域以来,备受关注,成了各国专家们的研究热点。本文将这种思想应用到改善车辆曲线通过性能上来,针对可控径向转向架和主动倾摆列车做了深入探讨和研究,并在此基础上提出了个人的新观点,做了一些新的尝试。文中首先概述了铁道车辆曲线通过研究背景及现状。而后,从主动控制的角度出发,以矢量控制、直接转矩控制和模糊控制为切入点对作动器的控制技术进行了系统的研究；在此基础上又对可控径向转向架和摆式列车倾摆机构的原理和性能做了深入分析,并提出实现方案——构架式径向转向架和直线电机式倾摆机构；最后,应用多体系统动力学分析软件SIMPACK建立摆式列车非线性动力学模型,应用动态仿真软件MATLAB/SIMULINK建立作动器控制系统模型,并运用联合仿真技术将两者结合起来,建立起摆式列车机电耦合系统控制模型。运用该模型对摆式列车动力学性能进行仿真分析,重点研究影响车辆动态曲线通过性能的各方面因素,并对传统模式的转向架和摆式列车与本文提出的新型模式进行对比研究,从而证实了可控径向转向架和摆式列车在动态曲线通过方面的优势和新型模式的可行性及优越性。通过本文证实,主动控制技术用于改善铁道车辆曲线通过性能是合理有效的,有着十分广阔的应用前景和研究价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题背景及研究意义
• 1.2 铁道车辆主动控制技术概况
• 1.2.1 主动控制的定义
• 1.2.2 主动控制技术在铁道车辆的应用
• 1.3 铁道车辆曲线通过的理论研究概况
• 1.3.1 经典曲线通过理论
• 1.3.2 径向曲线通过机理
• 1.4 摆式列车研究概况
• 1.4.1 摆式列车原理
• 1.4.2 摆式列车发展历程
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 模块化数学建模
• 2.1 伺服电机模块
• 2.1.1 伺服电机概述
• 2.1.2 机电作动器模型
• 2.2 直线电机数学模型
• 2.2.1 直线同步电机基本原理
• 2.2.2 电励磁式直线同步电动机的数学模型
• 2.2.3 永磁式直线同步电动机及其数学模型
• 2.2.4 混合励磁式直线同步电动机及其数学模型
• 2.3 控制系统模型
• 2.3.1 矢量控制原理与建模
• 2.3.2 直接转矩控制原理与建模
• 2.3.3 模糊PI控制原理与建模
• 2.4 径向转向架模型
• 2.4.1 自导向径向转向架原理与建模
• 2.4.2 可控轮对式径向转向架原理与建模
• 2.4.3 轮轨磨耗计算
• 2.5 车辆系统模型
• 2.5.1 模型的自由度
• 2.5.2 四吊杆式倾摆机构模型
• 2.5.3 直线电机倾摆机构模型
• 2.5.4 摆式列车动力学模型
• 第3章 四吊杆式摆式列车仿真
• 3.1 车体倾摆规律的确定
• 3.2 摆式列车倾摆机构
• 3.3 摆式列车曲线通过舒适度评判
• 3.4 控制方式对比分析
• 3.5 倾摆补偿率对舒适性的影响
• 3.6 径向曲线通过研究
• 3.6.1 不同型式转向架曲线通过性能对比分析
• 3.6.2 不同型式转向架对车辆舒适性的影响
• 3.7 车轮型面磨耗对车辆性能的影响
• 3.8 蛇行运动稳定性分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 直线电机式摆式列车仿真
• 4.1 倾摆机构设计方案
• 4.1.1 倾摆机构设计
• 4.1.2 作动器总体设计及技术分析
• 4.1.3 控制系统设计
• 4.2 直线电机作动器性能分析
• 4.2.1 作动器控制性能分析
• 4.2.2 作动器受力及能耗分析
• 4.3 动力学仿真分析
• 4.3.1 曲线通过舒适性分析
• 4.3.2 曲线通过安全性分析
• 4.3.3 曲线通过轮轨磨耗分析
• 4.3.4 蛇行运动稳定性分析
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目