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鐵道車輛磁流體耦合輪對方案研究

由一對錐形車輪固定在車輛的軸上,具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好的特點。其主要優(yōu)點是可以利用左右車輪滾動半徑的變化和輪軌蠕滑力的作用,使輪對在直線上通過蛇行運動的形式自動調(diào)節(jié)其對中性。同時,縱向蠕滑力產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩在通過曲線時具有一定的導(dǎo)向功能。但隨著列車高速化和重載化進程的加快,固定輪對的2個痼疾更加突出。一方面,車輛在曲線上運行時,由于內(nèi)外鋼軌長度不一致造成輪軌間相對滑動,產(chǎn)生摩擦磨耗,特別是小半徑曲線更是如此,因而在軌道曲線段的磨耗數(shù)倍于直線段,造成曲線段頻繁維修和換軌;另一方面,帶錐度的固定輪對特有的蛇行自激振動將隨著列車運行速度的提高而變得越來越劇烈,蛇行運動惡化了乘坐舒適性,增大了軌道及車輛部件的磨損,嚴重時還危及行車安全。因此,幾乎在鐵道車輛問世之初就有了以“獨立旋轉(zhuǎn)車輪”代替“固定輪對”的設(shè)想。歐、美、日本等發(fā)達地區(qū)和國家的鐵路部門為此進行了大量的理論研究和試驗。除西班牙Talgo列車拖動式結(jié)構(gòu)單軸轉(zhuǎn)向架達到商業(yè)運營外,絕大多數(shù)尚未達到實用化。我國原唐山鐵道學院1958年試制了一輛獨立輪對車輛,亦因不能解決脫軌問題而終止了研究。獨立旋轉(zhuǎn)車輪之所以至今仍未在鐵道車輛中廣泛使用,主要是因為它存在以下2個缺陷:(1)左右車輪完全獨立轉(zhuǎn)動,不產(chǎn)生蛇行運動,雖然臨界速度提高了,但蛇行自動對中性能亦同時消失了。在車輪制造和安裝誤差及軌道不平順的影響下,獨立車輪一般會貼靠某一側(cè)鋼軌運行,加劇了直線上的輪軌磨耗和脫軌傾向。(2)縱向蠕滑力產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩對轉(zhuǎn)向架通過曲線時具有不可低估的導(dǎo)向作用,而獨立輪不產(chǎn)生縱向蠕滑力,主要靠輪緣來導(dǎo)向。理論和試驗研究都證明,獨立旋轉(zhuǎn)車輪在很多情況下反而惡化了車輛的曲線通過性能。針對固定輪對和獨立旋轉(zhuǎn)車輪的不足,國外在20世紀后半葉提出了耦合輪對的設(shè)想并進行了相應(yīng)的試驗研究,取得了一些重要理論和實踐成果。所謂耦合輪對,就是輪對的左右車輪既不完全固結(jié)在一起,也不完全獨立,而是通過耦合器達到適當程度的聯(lián)系,從而發(fā)揮固定輪對和獨立車輪的優(yōu)點,克服或減輕二者的不足,達到較理想的動力學性能要求。1彈性阻尼耦合輪對出現(xiàn)日本在研究獨立車輪時曾提出過利用第三軌以解決對中和導(dǎo)向問題,但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資大、難以通過道岔等問題而無法應(yīng)用。20世紀80年代后期,為了解決列車高速化帶來的輪軌磨耗、噪聲、蛇行運動失穩(wěn)等問題,日本試制了最高速度為130km/h的RT—X1型獨立車輪轉(zhuǎn)向架,用于窄軌鐵路(1067mm軌距)的高速運行。針對獨立車輪直線自動對中性能和曲線導(dǎo)向性能差的弊病,該轉(zhuǎn)向架采用了如下技術(shù)措施:(1)采用獨立車輪特有的車輪踏面。最重要的一點是設(shè)計具有較大踏面斜度的圓弧形踏面,增大輪對橫向重力剛度,給予輪對較大的重力復(fù)原力,從而減輕輪對向一側(cè)鋼軌貼靠的趨勢。同時,該踏面設(shè)計還注意了避免輪軌的兩點接觸。(2)采用GFRP(玻璃纖維增強塑料)新材質(zhì)做成弓形板彈簧。弓形板彈簧在作為軸箱彈簧的同時,并用作轉(zhuǎn)向架的側(cè)架,這一措施與獨立車輪能夠?qū)崿F(xiàn)的小輪徑、短軸距的優(yōu)勢結(jié)合,使轉(zhuǎn)向架輕量化程度得以大幅度提高。從動力學的角度來分析,這種結(jié)構(gòu)具有自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的功能。通過曲線時,由于離心力的作用,使外側(cè)架增重,內(nèi)側(cè)架減重,從而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)架(板彈簧)中心抬高,輪對輪距縮短;外側(cè)架中心下降,輪距增大,使前后兩輪對呈“八”字形變位,達到徑向位置。(3)在進行線路運行試驗時,轉(zhuǎn)向架的前輪對利用離合器將獨立車輪轉(zhuǎn)換成固定輪對。這樣,前輪對為固定輪對而后輪對為獨立車輪。試驗結(jié)果表明,其曲線通過性能比獨立車輪轉(zhuǎn)向架好,蛇行運動穩(wěn)定性比傳統(tǒng)固定輪對高。這種轉(zhuǎn)向架可視為耦合輪對轉(zhuǎn)向架中的一種,即前輪對的耦合度為無窮大,而后輪對的耦合度為零。早在1968年,英國的Bennington就提出了在鐵道車輛上采用耦合輪對的設(shè)想。他還建立了阻尼耦合輪對的數(shù)學模型并對裝有耦合輪對的兩軸車輛的動力學性能進行了分析。80年代,加拿大的Ahmed等建立了彈性阻尼耦合輪對的數(shù)學模型,并對由該輪對組成的三大件兩軸轉(zhuǎn)向架半車體模型的直線穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)曲線通過性能進行了分析。分析結(jié)果表明,耦合力減小,輪對的導(dǎo)向能力減小,而蛇行失穩(wěn)速度提高;反之,導(dǎo)向能力增加,蛇行失穩(wěn)速度下降。輪對的動力學性能又與定位剛度有關(guān),因此優(yōu)化選擇耦合力與定位剛度等參數(shù),可使輪對的高速直線穩(wěn)定性與曲線通過性能都得到滿足。后來法國GECALSTHOM-ACR還對安裝有彈性阻尼耦合輪對的車輛進行了線路試驗,最高速度達到290km/h,沒有發(fā)現(xiàn)輪緣貼靠鋼軌的現(xiàn)象。德國的MBB公司研制了一種蠕滑力可控的耦合輪對,在左右車輪之間用一磁力元件進行耦合。車輪采用磨耗形踏面,其構(gòu)架由纖維復(fù)合材料制造。這種設(shè)計的目的是:將車輛速度提高到350km/h以上,在直線和曲線上減小橫向力,減小磨耗和噪聲。90年代末,對耦合輪對的控制更加重視,對控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制策略的研究更加深入。2輪對耦合模型傳統(tǒng)固定輪對由于踏面錐度的存在,輪對中心一旦偏離軌道中心線(在曲線上則為純滾線)向一側(cè)橫移yw,在縱向蠕滑力的作用下就形成一個偏轉(zhuǎn)力矩Mz:Mz=2f11λbr0yw(1)Μz=2f11λbr0yw(1)式中:f11——輪軌縱向蠕滑系數(shù);λ——車輪踏面有效錐度;b——左右輪軌接觸點間距之半;r0——車輪標稱滾動圓半徑。Mz在直線上起復(fù)位作用,在曲線上起導(dǎo)向作用。對于獨立旋轉(zhuǎn)車輪,不產(chǎn)生縱向蠕滑力,因而不具備以上固定輪對的功能。對耦合輪對而言,左右車輪之間的耦合可以通過回轉(zhuǎn)阻尼、回轉(zhuǎn)剛度或二者兼?zhèn)鋪韺崿F(xiàn)。根據(jù)不同的耦合器也有更復(fù)雜的組合形式。一般情況下,輪對耦合模型如圖1所示。左右車輪通過回轉(zhuǎn)阻尼和回轉(zhuǎn)剛度的并聯(lián)相互耦合。設(shè)左右車輪的旋轉(zhuǎn)角位移差為δ,則角速度差為δ˙δ˙,左右輪的耦合力矩為:M=krδ+Crδ˙(2)Μ=krδ+Crδ˙(2)式中:kr——剛度系數(shù);Cr——阻尼系數(shù)。合理控制kr、Cr值,即可獲得理想的縱向蠕滑力,從而使轉(zhuǎn)向架車輛獲得理想的動力學性能。3磁流體耦合輪對在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,筆者提出了一種半主動控制耦合輪對——磁流體耦合輪對。磁流體是一種可控流體,在外加磁場的作用下,它能在毫秒級的時間內(nèi)從牛頓流體變?yōu)榫哂休^高屈服應(yīng)力的半固體,并且這種變化是連續(xù)、可逆的。用磁流體制作的耦合器裝置簡單、體積小、能耗低、易控制。它既具有主動控制的靈活性又具有被動控制的可靠性,是一種理想的半主動控制裝置。如果把磁流體技術(shù)應(yīng)用于鐵道車輛的耦合輪對,可能會給耦合輪對帶來新的生機。磁流體耦合器可以看作一個抗扭轉(zhuǎn)阻尼器,其扭轉(zhuǎn)阻尼被定義為輪對耦合度。通過數(shù)值模擬得到固定輪對、獨立車輪、磁流體耦合輪對的動力學性能的對比圖。當車輛以260km/h的速度在直線上運行時,給3種輪對以相同的初始激擾,然后觀察它們的衰減情況,如圖2所示。傳統(tǒng)固定輪對的蛇行運動為等幅振動,如果運行速度再高就會失穩(wěn)。獨立車輪由于不存在縱向蠕滑力,所以不存在蛇行運動,但它不能向軌道中央復(fù)位。磁流體耦合輪對的蛇行

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