基于缩比模型的独立车轮转向架蛇行运动研究

独立车轮可绕车轴自由转动,轮轴之间的刚性耦合被解除,导致轮轨纵向蠕滑力消失.轮轴系统在直线上难以自动对中,其导向问题亟须解决.通过将麦弗逊悬架结构应用于独立车轮转向架,并采用相似理论论证缩比模型的可行性,建立同侧转动轴线呈“V”字形倾斜的独立车轮转向架1/20比例模型,并制作样机进行直线运行试验,同时开展全尺寸转向架模型动力学仿真.研究结果表明:新的独立车轮转向架在直线上能够重现蛇行运动现象,仿真结果与缩比试验结果相吻合,并且随着运行速度的提升,独立轮对的蛇行运动愈发剧烈;在轮轴系统中安装刚度为7.5 MN/m的横向弹簧,能够使转向架前轴横向运动幅值和频率分别降低72%和79%;通过调整一系悬挂参数和横向弹簧刚度,可以实现转向架的直线自动对中.

转速耦合控制对独立车轮导向性能的影响

为解决独立车轮导向问题,该研究基于对不同耦合方式的导向机理分析,针对独立车轮有轨电车,提出了一种电气耦合方案,通过运用Simpack和Matlab/Simulink联合仿真,建立了该车辆的驱动动力学整车模型和滑模控制系统模型,根据电机特性选取控制系统的关键参数,对比分析了横向耦合轮对和全独立车轮的导向性能,在70m半径曲线上,采用转速耦合控制的车轮直线对中性能和曲线通过性能较控制前均有大幅提升,说明转速耦合控制可以有效解决独立车轮导向问题。

采用轮毂电机的独立车轮轮对的主动导向控制

研究采用左、右车轮的转速差作为反馈量对轮毂电机独立车轮轮对进行主动导向控制的效果。结果表明:如果仅使用转速差作为反馈量,只能使轮对获得类似刚性轮对的导向能力;而在补偿轨道曲率和车辆速度信息以后,可以使轮对的横移接近线路的中心位置。引入反馈控制后,随着控制增益的增加,系统的临界速度逐渐下降,补偿轨道曲率和车辆速度信息并不改变轮毂电机独立车轮主动导向控制的稳定性。在PI控制器作用下,基于左、右轮转速差为反馈量的轮毂电机独立车轮轮对的行为类似于弹性—阻尼耦合轮对,其稳定性与弹性—阻尼耦合轮对相同,在补偿轨道曲率和车辆速度信息后其导向能力能够优于弹性—阻尼耦合轮对。

盘式永磁同步电机直接驱动独立车轮及导向控制技术

为解决低地板轻轨车辆所用传统电机体积大、能效低等问题,提出架悬盘式永磁同步电机(PMSM)解决方案。PMSM通过弹性万向节直接驱动低地板轻轨车辆的独立车轮;以滑模观测器获得的PMSM转子位置角和角速度的估计值作为控制依据,实现无位置传感器的PMSM矢量控制;转向架同一侧的2个电机采用偏差耦合控制,以保持纵向转速同步;对左右两侧的电机,根据反馈的其转速差估计值进行控制,以保证车辆在直线上行驶时左右车轮同步,在曲线上行驶时左右车轮转速差合理。根据采用独立车轮的低地板轻轨车辆动力学方程,运用MATLAB/Simulink软件建模对该方案进行仿真验证。结果表明:采用该方案的车辆在直线上行驶时左右车轮同步,而且具有恢复自导向的能力;在曲线上行驶时通过控制左右车轮的转速差,能够使轮对几乎沿轨道中心线运行,横移量小于1mm,冲角接近于0,且因导向控制而消耗的电机功率不超过250W。

自调节独立车轮走行部的动力学性能

自调节独立车轮走行部具有依靠重力刚度使车轮回复到径向位置的能力。建立自调节独立车轮走行部的运动方程,并采用踏面斜率的泰勒级数对重力复原力的表达式进行简化。自调节独立车轮轮副的摇头运动类似于单摆,其频率取决于接触点的踏面锥度。为衰减轮副的摇头运动,需设置一附加阻尼,阻尼比要达到0.5。提高自调节独立车轮的复位能力,需要车轮踏面具有较高的锥度,使用接触角踏面反推法设计了适合于自调节车轮走行部的踏面,建立相应的车辆横向动力学简化模型。仿真分析表明,自调节车轮走行部具有理想的通过曲线性能。

新型独立车轮动车组导向机理的研究

由于简单的独立车轮结构不具备复位和导向功能 ,绝大多数独立车轮转向架模型没有投入实际工程使用 ,究其原因是对独立车轮导向机理认识不够 ,缺乏解决复位功能的有效办法。Talgo列车是成功应用独立车轮的唯一范例。本文以Talgo列车为原型 ,进行独立车轮转向架的导向机理研究 ,分析解决独立车轮复位和导向能力的措施 ,为独立车轮转向架的实际设计和应用提供理论基础。首先分析铁道车辆传统刚性连接轮对蛇行运动的产生机理 ,进而研究独立车轮轮对的复位和导向原理。参照Talgo列车的独立轮对导向结构 ,建立了新型独立轮对动车组的多体动力学数值计算模型 ,应用作者研制的车辆多体系统动力学程序 ,进行横向稳定性和稳态曲线通过性能的计算分析。结果表明该模型具有很好的稳定性和曲线通过能力。研究表明 ,为了使独立车轮具有复位和导向能力 ,关键措施有两点 :一是采用合理的导向机构和相关参数以实现独立轮对的导向功能 。

独立车轮与钢轨接触问题的研究

应用有限元参数二次规划法建立了独立车轮与钢轨接触的三维计算模型,通过分析不同踏面、不同相对位置的轮轨接触,得出了轮轨接触斑形状和面积、接触力的变化规律,并且对比不同踏面在减缓磨耗方面的特点.同时建立了磨耗后的轮轨接触模型,分别研究直线段和曲线段轮轨配合接触问题,总结了不同模型的接触斑面积、形状、位置,以及接触力分布和等效应力的变化规律.结果表明磨耗后的轮轨配合与其它模型相比接触斑面积最大,轮轨匹配相对较好.

独立车轮与钢轨磨耗问题分析

利用轮轨型面测量仪测量不同磨耗阶段的独立车轮型面和磨耗后钢轨轨头型面,分别建立直线段、曲线段和具有一定冲角的三维有限元接触模型,研究了不同磨耗阶段的车轮与磨耗后钢轨的接触问题,通过对几种轮轨模型的弹塑性接触计算,总结了不同模型的接触斑面积、接触法向力、接触等效应力的变化规律.结果表明:随着运行时间的增加,最大接触等效应力变小且趋于稳定;轨距加宽影响车轮磨耗部位的改变,影响轮轨的磨耗规律;具有一定冲角的车轮与钢轨接触,最大接触等效应力产生于轮缘与轨侧接触处,冲角对轮轨磨耗的影响相当严重.

轨道车辆独立车轮的动力学分析

建立了轨道车辆独立车轮轮组的动力学方程，并通过对一列既包括传统轮对，又包括独立车轮轮组的轻轨车辆的线性稳定性分析和动态曲线通过计算，对独立车轮轮组与传统轮对的动力学特点进行了比较。计算表明，独立车轮是解决小半径曲线通过问题的有效措施，它的稳定性可通过采用等效锥度较大的磨耗型踏面来保证。

高速车辆拖动式独立车轮轮对的研究(待续)

独立车轮转向架在高速车辆中有良好的发展前景 ,但由于缺乏直线复位和曲线转向能力 ,长期没有得到普及和推广。本文通过理论分析和动力学计算表明 ,采取适当措施使独立车轮轮对以拖动的形式前进 ,可以有效解决独立车轮的导向问题。拖动式独立车轮轮对在直线上复位可靠 ,在曲线上借助径向调节装置能够近似地处于轨道的径向位置 ,与传统轮对比较 。

独立车轮转向架在城市轨道车辆中的应用

独立车轮转向架磨耗小、噪声低、重量轻,而且容易实现整车的低地板结构,最近几年已在国外城市轨道车轮上逐步采用。本文从导向机理出发,在简单归纳国外主要独立车轮转向架类型的基础上,重点讨论了用于城市轨道交通的独立车轮转向架的结构特点及发展前景。

独立车轮转向架的导向原理(2)

3 磨损与导向 铁道车辆所需的导向力是由轮轨接触产生的。轮轨相互接触在接触面产生本质上完全不同的两类力,即重力复原力和蠕滑力。这些力是导向所需的力。

独立车轮耦合转向架耦合机构的一种实现

介绍了独立车轮耦合转向架及其耦合刚度的选择,提出了耦合机构的一种实现方案,并给出了耦合机构的刚度公式。

一种非径向调整独立车轮走行部的结构分析

独立车轮走行部的发展源于两个方面的要求,一是为改善走行部的导向性能,要求开发有别于传统轮对式转向架的新型走行部及车辆;二是低地板车辆的发展要求,让出车轴位置降低地板高度。独立车轮走行部的结构形式多样。重点分析了一种非径向调整独立车轮走行部的结构,并指出了这种走行部在设计时应注意的问题。

独立车轮转向架的导向原理(1)

讨论了传统轮对的轮轨接触力;分析了轮轨间的磨损与导向;比较了传统轮对和独立车轮转向架的导向原理。

纵向耦合独立车轮转向架建模方法研究

根据多体系系统动力学理论,在建立动力学模型时,可将车轮间的动力学矢量设计成树形结构,这种处理使车轮间仅生成动力学约束而不是运动学约束。另一种方式将车轮间的纵向耦合方式视为无质量的运动约束,即车轮在连接点处具有相同的运动,运动矢量形成闭环。目前,在建立纵向耦合独立车轮转向架动力学模型时,都采用运动学约束来处理一侧前后车轮的耦合关系。以某COMBINO型纵向耦合独立车轮转向架为例,分别采用运动学约束和动力学约束的方法,对比曲线通过能力,以评价动力学约束方法的合理性。

独立车轮在低地板轻轨车辆上的应用

分析讨论了独立车轮的运行特性及可能发生的问题和应采取的措施 ,特别强调车轮踏面设计的重要性 ,并指出磨耗形踏面的等效斜度概念已不复存在 ,应采用踏面接触角差作为重要设计参数。

独立车轮直线电机转向架结构形式分析

针对直线电机转向架电机悬挂带来的问题,将独立车轮应用到直线电机转向架中,使独立车轮和直线电机功能实现互补,提出一种全新概念的独立车轮直线电机转向架。其特点是利用独立车轮轴桥悬挂直线电机的横向复原力作为独立车轮转向架的恢复力。独立车轮直线电机转向架适合在小曲线、大坡度的线路上运行。

独立车轮转向架车辆曲线通过性能分析

系统地分析了独立车轮转向架车辆的曲线通过性能,着重对独立车轮和传统轮对的磨耗状况进行了比较.研究表明:独立车轮转向架车辆具有良好的曲线通过性能,能以15km/h的速度通过半径为50m的曲线;且与传统轮对相比磨耗水平较低,适合在城市轻轨低地板车中采用.