轮径差对高速动车组动力学性能的影响本科毕业设计.docx
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轮径差对高速动车组动力学性能的影响本科毕业设计
本科毕业设计(论文)
轮径差对高速动车组动力学性能的影响分析
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
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学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
毕业设计(论文)任务书
班级铁道车辆2班学生姓名王彘学号20116482
发题日期:
2015年3月9日完成日期:
2015年6月26日
题目:
轮径差对高速动车组动力学性能的影响分析
1、本论文的目的、意义:
随着铁路客运的高速发展,车轮缺陷成为影响列车运行安全性和稳定性的一个重要因素,而轮径差是其中一个主要原因。
随着列车长期运行,车轮会出现踏面磨耗、轮径差等缺陷,影响列车运行的平稳性和安全性。
研究车轮轮径差对高速动车组动力学性能的影响有一定的意义。
2、学生应完成的任务
(1)查阅相关资料,完成开题报告。
(2)利用SIMPACK软件建立高速列车单节车整车模型。
(3)变化轮对轮径差,分析对其动力学性能的影响。
(4)对结果进行分析,找出合适的变化范围。
(5)完成毕业设计论文。
3、论文各部分内容及时间分配:
(共16周)
第一部分查阅相关资料,完成开题报告。
(2周)
第二部分利用SIMPACK软件,建立高速列车单节车整车模型。
(2周)
第三部分变化轮径差,得出各数值对应的动力学性能评判数据。
(3周)
第四部分对结果进行分析,找出轮径差的变化范围。
(3周)
第五部分完成毕业论文,并作好答辩PPT。
(2周)
评阅及答辩评阅后进行修改,准备好答辩的PPT并进行答辩(2周)
备注CRH2型动车组;
指导教师:
贾璐2015年3月9日
审批人:
年月日
摘要
摘要:
随着铁路客运的高速发展,车轮缺陷成为影响列车运行安全性和稳定性的一个重要因素。
而车轮轮径差是车轮缺陷的主要表现形式,为保证列车在高速运行下的安全性和稳定性,需要研究车轮缺陷对车辆动力学性能的影响。
本论文以高速旅客列车CRH2为研究对象,应用多体动力学软件SIMPACK建立高速车辆动力学模型,采用数值计算方法,研究了列车在存在不同车轮轮径差下的动力学性能特性,分析了高速列车的轮轨作用力及主要动力学参数在不同轮径差下的变化特征。
通过统计脱轨系数、车辆运行平稳性和轮重减载率等列车运行安全性指标及乘坐舒适度指标,,提出了CRH2高速动车组轮径差允许变化范围。
关键词:
轮径差;高速动车组;SIMPACK;多体动力学
Abstract
Abstract:
Withthedevelopmentofhigh-speedrailwaypassengertransport,wheeldefectshasbecomeanimportantfactorthatinfluencesthestabilityoftrainoperationsafety,andthewheeldiameterdifferenceisthemajorformofwheeldefects.Inordertoensurethesafetyandstabilityoftrainrunningathighspeed,weneedtostudytheeffectofwheeldefectsonvehicledynamicperformance.
Thehigh-speedpassengertrainCRH2isusedtobetheresearchobjectinthispassage;Theapplicationofmulti-bodydynamicssoftwareSIMPACKhigh-speedvehicledynamicsmodelisestablished,usingthenumericalcalculationmethod;Trainisstudiedinthepresenceofdynamicper-formanceunderdifferentwheeldiameterdifferencefeatures, analysisofthehigh-speedtrainwheel/railforcesandmainkineticparametersunderdifferentwheelradiusvariationcharacteristics;Throughstatisticalcoefficientofderailment,overturningcoefficientandtheweightratioofload,etc.Thetrainrunningsafetyindexandcomfortindex,andcombiningtherelevantdynamicstandard,putforwardtheCRH2Chinarailwayshigh-speedbullettrainwheelradiusallowablelimit.
Keywords:
Wheeldiameterdifference;High-speedtrains;SIMPACK;Multi-bodydynamics
第1章绪论
1.1引言
21世纪是一个经济与知识腾飞的时代,随着经济的飞速发展,人们的生活水平与质量也得到了极大的改善,生活水平的提高体现在衣、食、住、行四个方面,而提到出行,就不得不提到交通,说到交通,又不能不说到铁道车辆,进入改革开放以来,越来越多的人们选择火车作为自己出行的交通工具,除了载客量大,运行安全之外,火车在运行过程中的平稳性和舒适性也是人们选择乘坐的关键因素,而改革开放以来,我国的铁路建设和铁路交通一直在飞速发展,在经过了几次大提速之后,铁道车辆的运输能力也得到了进一步的提高,但我国是一个人口大国,随着国民经济高速平稳的发展,日益增长的人口也给铁道运输带来了越来越大的压力,如何解决铁路运输不能满足越来越大的人口需求成了一大难题,因此人们想到了发展高速铁路和高速列车,所谓高速铁路,是指在能让列车运行速度达到200km/h甚至以上的铁道,而高速列车,顾名思义,就是指运行速度大大高于普通列车的铁道车辆,人们把它叫做动车组或者高铁。
由于2001年申奥成功,首都北京自此成为了万众瞩目的焦点,这就意味着在2008年北京奥运会,来自全世界200多个国家和地区的运动员将在这里参加第29届奥运会,而来自世界各地的游客也将汇聚北京,因此如何解决奥运会期间的交通问题成为了一大难题,所以我国第一条城际高速铁路也在此时开始紧张的建立起来,终于,2008年8月1日,有天津开往北京的高速铁路通车,由于其强大的运输能力以及极快的时速,30分钟以内的实现津京两地的转移已不再是梦。
随着2008年我国第一条高速铁路的开通,我国的高速铁路和高速列车的发展在近几年更是突飞猛进,2010年5月28日,具有我国自主研发知识产权的高速动车组列车“和谐号”在中国北车诞生,从此,中国制造变为了中国创造,中国也成了世界上拥有高铁自主独立产权的国家之一,在试运行的过程当中,“和谐号”更是以416.6km/h的时速创造了当时的世界纪录。
由于高速列车的发展以及大面积普及,近年来,越来越多的普通客车已被高铁渐渐地取代,但中国并不是唯一一个掌握高铁技术的国家,目前高铁技术比较发达的国家还有法国、日本和德国,日本的新干线高速铁路目前已达到2049.1km,小型新干线长度275.9km,在日本,高速铁路几乎遍布了全国各地;即使日本地震平凡,但由于起强大的高铁技术支持,其高铁运行并未出现事故,且其列车平均晚点时间限制在1min以内。
高速铁路对一个国家的国民经济增长的贡献可谓功不可没,它的建立也是一个国家飞速发展的重要标志,因此,许多欧美国家也开始纷纷投入到高速动车组的研究和高速铁路的建设中,目前为止,已有超过10000km的高速铁路遍布世界各地。
1.2国内外研究现状
高速动车组在线路上运行时,由于各种原因会使列车产生蛇行运动使轮对踏面磨耗继而产生轮径差,而轮对作为连接车体与钢轨的关键组成部分,其作用不言而喻,列车在运行过程中一旦出现轮径差,将使其在高速运行时的安全性和平稳性大大降低,危及乘客的乘车安全以及人身安全;而随着车速和轴重的不断增大,车轮的工况也将越来越差,从而进一步导致轮径差的加剧,对列车动力学性能产生更大的影响,严重时,列车甚至会出现脱轨现象,而由于轮径差不可避免,在这种情况下,如何尽量减小轮径差对高速动车组的动力学性能影响成了一大难题,对此,国内外许多学者都进行了大量的研究。
在轮径差对高速动车组动力学性能的影响分析中,有许多中外学者对其进行了一系列的研究;早在20世纪90年代SeniniSteven等人就研究了轮径差对牵引电机受力的影响,提出了一种可以体现轮径的变化及车轮滑动效应对牵引电机的影响的能对轮轨粘着特性进行模拟的动力学模型,并对此进行了相应的动力学仿真分析,2008年至今,SergeyZakharov等学者介绍了轮径差对动力学性能影响的一些行之有效的方法,提出了一种科学的车轮型面评估和设计方法,并研究了车轮材料硬度等对其的影响。
我国学者对于列车在高速运行时轮径差的产生对其动力学性能的影响也有许多贡献,2010年,马卫华等学者利用多体动力学软件SIMPACK建立了高速动车组动力学模型,并通过相应的计算方法分析了高速列车在曲线上运行时的通过能力以及轮轨力与轮径差大小的关系;此外,杨朝阳、谷学思等也对其进行了不同的研究;越来越多的学者开始关注轮径差对动力学性能的影响分析。
无论是国内学者还是国外学者,在进行车辆系统动力学性能的分析过程中,都很重视轮径差对动力学性能的影响,这足以证明了轮径差的存在对高速动车组的运行一定是有影响的,当然轮径差并不是唯一能对动力学性能产生影响的因素,应该结合各方面的因素来进行轮径差对动力学性能的研究,但我们在设计研究的过程中,应该向诸多前辈一样积极思考,不怕失败,不懈坚持。
1.3本文研究的主要内容与方法
本文应用多体动力学软件SIMPACK建立了CRH2的高速动车组模型,其中包含一个车体,两个转向架和四个轮对,并对其在标准情况下和存在轮径差的情况下进行了动力学仿真,从而得到相应的动力学性能数值并与相关动力学指标进行对比,得到列车在安全运行时允许的轮径差(半径)变化范围。
(1)以CRH2为基础建立高速车辆动力学模型
在SIMPACK的Wheel-Rail模块输入CRH2相关动力学参数建立高速动车组动力学模型,即包含车辆基本结构及其约束关系和运动学关系的列车系统动力学模型。
(2)分析轮径差存在的四种形式
在研究轮径差对高速动车组的动力学性能分析时,首先应对轮径差的定义及形式进行分析,在分析存在轮径差的转向架受力情况是,采用的是前轮对轮径差的形式,举一反三,其余三种形式的轮径差也可以用相同的方法得出其受力情况。
(3)对所得数据进行整理分析,得出结论
在仿真结束后,对所得的数据进行整理和分析,设置合理的轮径差及合理曲线轨道,通过离线积分和变参数计算分析其中两种轮径差形式下动力学性能的变化趋势。
其中主要对临界速度、横向平稳性、垂向平稳性、脱轨系数和轮重减载率进行计算分析,并与相关的动力学性能指标进行对比,同时比较同一速度下两种形式的轮径差对动力学性能的影响的大小,从而得到列车在安全运行时允许的轮径差(半径)变化范围。
第2章车辆动力学理论分析
2.1CRH2动力学系统模型自由度
任意一个自由刚体都具有六个自由度,这六个自由度可用笛卡尔坐标来表示,
即三个定义在物体重心上的坐标纵向(x)、横向(y)和垂向(z),以及物体分别绕三个坐标轴旋转运动的转动坐标一侧滚(θ)、点头(β)和摇头(
)运动。
对于CRH2动力学模型而言,列车模型为车体一构架一轮对组合结构,车体和构架(bogie)运动自由度为6,其间以空气弹簧联结。
轮对自由度为4,通过轴箱与构架联结。
列车模型中考虑了34个自由度,模型自由度见下表:
构件名称
运动形式
数量
纵向
横向
垂向
侧滚
点头
摇头
车体
1
Xc
Yc
Zc
θc
βc
c
构架
2
Xb
Yb
Zb
θb
βb
b
轮对
4
Xw
Yw
/
/
βw
表2-1列车系统模型刚体运动自由度
2.2轮径差的种类
理想转向架模型应该是四个车轮的滚动缘直径大小相等,不会产生轮径差,但在实际运行过程中,由于轨道不平顺、转向架设计过程中出现的不可避免的各种原因将使车轮直径发生变化而使轮径差出现在转向架中,轮径差的形式有许多种,但轮径差存在的主要形式有以下四种,如图2.1:
图2.14种典型轮径差的形式
图2.1(a)为等值同相轮径差,其表现形式为转向架前后轮对的同侧车轮滚动圆直径相等,而且前后轮对的轮径差正负号相同、大小相等;图2.1(b)为等值反相轮径差,其表现形式为转向架前后轮对的不同侧车轮滚动圆直径相等,而且前后轮对的轮径差虽正负号相反但大小相等;图2.1(c)为前轮对轮径差,其表现形式为仅转向架的前轮对存在轮径差;图2.1(d)为后轮对轮径差,其主要表现为仅转向架的后轮对存在轮径差。
2.3存在轮径差的转向受力分析
由于轮径差的形式和种类繁多,因此在这里选择前轮对轮径差的形式对转向架进行受力分析,假设转向架此时在线路上运行,以向右为正方向,前轮对左侧车轮的直径比其它三个车轮的直径都大(其它三个车轮直径相同),对其进行受力分析(其他形式轮径差的受力可以采用相同的方法来分析),图2.2为该转向架的受力情况。
图2.2转向架存在轮径差时受力示意图
轮对的两个车轮是通过过盈配合装配在一根车轴的,理想情况下,同一轮对的两个车轮滚动圆直径大小应该相等,因此在运行过程中,两个车轮的转动角速度应该相等,但是在实际运行过程中,由于轮轨磨耗,会使一个轮对中的两个车轮产生轮径差,如上图所示,假设某种原因导致转向架前轮对的左轮直径大于右轮,那么由于在同一根车轴上的两个车轮转动的角速度相等,但是左侧车轮直径大于右侧车轮,所以左侧车轮的线速度将大于右侧车轮线速度,即左侧车轮相对于右侧车轮向前运动,此时左轮就会带动右轮相对于钢轨向前蠕滑,而右轮将会拽住左轮相对于钢轨向后蠕滑,从而在轮轨间产生纵蠕滑力。
左轮受到的纵向蠕滑力的方向T
前(根据图中的坐标左轮纵向蠕滑力为正),右轮受到的纵向蠕滑力几T
的方向向后(根据图中的坐标右轮纵向蠕滑力为负),左右车轮受到的纵向蠕滑力将会对轮对形成正的偏转力矩,迫使轮对向顺时针方向摇头(根据图中的坐标,摇头角为正)。
正的摇头角使轮对产生正的横向蠕滑力T
而T
会使前轮对向Y的正方向运动(也即向轨道的右侧运动)。
前轮对的顺时针方向摇头和向轨道右侧的横向运动会通过一系悬挂系统产生的悬挂力F
、F
和F
带动构架向顺时针方向摇头和向轨道右侧横向运动。
构架向轨道右侧横向运动,将通过后位轮对的一系悬挂系统产生的悬挂力
T
带动后位轮对向轨道右侧横向运动;与此同时,构架的顺时针方向摇头会通
过后轮对的一系悬挂系统产生的悬挂力T
和T
带动后轮对向顺时针方向摇头(根据图中的坐标,后轮对的摇头角也为正),正的摇头角会使后轮对也产生1个正的横向蠕滑力T
正的横向蠕滑力T
也会使后轮对向轨道的右侧运动。
由于后轮对是无轮径差的标准轮对,所以它在向轨道右侧运动过程中,右侧车轮滚动圆直径会增大,左侧车轮滚动圆直径会减小,这样右侧车轮就产生向前的纵向蠕滑
力T
,而左侧车轮则产生向后的纵向蠕滑力T
后轮对受到的纵向蠕滑力将会对轮对形成负的偏转力矩,促使后轮对的摇头偏转角逐渐减小,后轮对摇头角的
减小会引起横向蠕滑力T
的减小,在重力复原力N
的作用下,后轮对逐渐向轨
道中心线运动(每个轮对都试图向其纯滚线运动),虽然后轮对的等效纯滚线就在轨道中心线上,但由于受到前轮对轮径差的影响,它不会平衡于轨道中心线。
列车在运行过程中左右车轮的转动角速度是相等的,如果轮对出现轮径差,轮
对就会向轮径偏小的一侧移动,直至左右车轮的直径相等才一能达到纯滚动位置,
所以具有轮径差的轮对的纯滚动线不在轨道中心线,而偏离轨道中心线一定距离,
其近似计算公式可根据等效锥度的定义反推得到。
车轮踏面等效锥度:
=
=
(2-1)
式2-1中,D
为左轮滚动圆直径,D
为右轮滚动圆直径,y
为轮对横向位移。
令轮径差为:
ΔD=D
-D
(2-2)
则可得到具有轮径差轮对的等效纯滚动线偏离轨道中心线的距离为:
y
=Δ
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