（光学工程专业论文）摆式列车倾摆机构优化研究.pdf

) 摘要 摆式列车是既有线路提速的有效手段，它以投资少、见效快受到世界各国 的广泛重视，既使一些大量采用高速铁路的国家，也在加强摆式列车的研制工 作和商业运营。目前，为加速铁路现代化进程，我国正在研制国产摆式列车。 倾摆机构是实现摆式列车车体倾摆，保证列车安全运行的重要部件。本论 文对四吊杆式倾摆机构进行了较为深入的研究，进一步分析论证了摆式列车的 连接部件一一车钩和风挡装置对倾摆机构的影响。 一论文首先介绍了摆式列车提速的机理以及国外几种摆式列车倾摆机构的结 构和特点。接着，分析了车体倾摆的运动规律，利用向量法，对四连杆型摆式 列车倾摆机构比较全面、系统地进行了运动学和动力学分析，推导出求取倾摆 机构重要参数的理论公式。在此基础上，针对摆式列车的结构特点，建立了多 变量多约束多目标的优化模型，对摆式列车倾摆机构的三个重要设计变量进一 步进行了优化处理，利用加权系数法和复合形法求得优化模型的最优解。并编 制了倾摆机构计算、优化程序。 其次，根据摆式列车用车钩缓冲装黄的结构特点，针对列车通过缓和曲线 的实际工况，通过对车辆间车钩力和车钩模型的研究，分析了车钩缓冲装置对 倾摆机构的影响。 最后，分析研究了国内外客车风挡装置的基本型式和结构特点。然后提出 了一种用于摆式列车的风挡装置结构方案，并研究了风挡扭转刚度和扭转阻尼 对倾摆机构的影响。 在进行倾摆机构优化时，通过对优化方案与原方案的全面比较，认为优化 方案要优于原方案。这里，不但通过实际编程计算得到了一组较理想的优化结 果，同时也提出了一种进行倾摆机构设计变量优化的可行方法。在对摆式列车 车钩缓冲装置和风挡装置研究的基础上，得出结论：在车体倾摆过程中，车钩 力对倾摆机构的影响很小；风挡扭转刚度和扭转阻尼应控制在一定范围之内j 【关健词】摆式列车倾摆机构运动学动力学结构优化车钩风挡 v 西南交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft i l t i n gt r a i n s ，w h i c h a r e8 1 1e f f e c t i v em e a n s o fi n c r e a s i n gs p e e d so v e re x i s t i n gl i n e sw i t hl e s si n v e s t m e n ta n dq u i c kr e t u r n so n t h ei n v e s t m e n t 。a r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h ew o r l d e v e ns o m e c o l m t r i e st h a th a v eh i g h s p e e dr a i l w a ys y s t e m sh a v es t r e n g t h e n e dt h e i rw o r k so n t h i sa s p e c t n o w , c h i n ai sl a u n c h i n gt h ep r o g r a m st od e v e l o pa n dt e s tt i l t i n gt r a i n s t os p e e d u p t h em o d e r n i z a t i o no fr a i l w a y t h e t i l t i n gm e c h a n i s mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h ec a r b o d yt i l t i n g p r o p e r l ya n dt h et r a i nr u n n i n gs a f e l y t h ef o u r - b a rl i n k a g et i l t i n gm e c h a n i s mi s s t u d i e dt h o r o u g h l y ，a n dt h ee f f e c tb yt h ec o u p l i n ga n dv e s t i b u l ed i a p h r a g mo nt h e t i l t i n gm e c h a n i s m i si n t e r p r e t e di nt h i st h e s i s t h e p r i n c i p l eo f t h et i l t i n go f c a r b o d ya sw e l la st h es t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r o ft i l t i n gt r a i n sa b r o a da r eb r i e f l yi n t r o d u c e df i r s t t h e n ，b yv e c t o rm e t h o dt h e k i n e m a t i c sa n dk i n e t i c so ft h ef o u r - b a rl i n k a g et i l t i n gm e c h a n i s ma n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na r es t u d i e dt h o r o u g h l ya n dt h ef o r m u l a st h a tc a nb eu s e dt og e td a t ao f t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e l 5w h e ne a r b o d yi st i l t i n ga r ed e r i v e d o nt h eb a s i so ft h e s e w o r k sa n db ys e r i n gu pa no p t i m i z a t i o nm o d e lw i t hm u l t i v a r i a t e ，m u l t i o b j e c t i v e f u n c t i o n sa n dm u l t i c o n s t r a i n t ，t h r e ei m p o r t a n tv a r i a b l e so f d e s i g na r eo p t i m i z e db y t h em e a n so f w e i g h t i n g c o e f f i c i e n tm e t h o da n d c o m p o s i t eg r a p h i ca l g o r i t h m s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ec o u p l i n go f t h et i l t i n gt r a i na n dt h ep a t t e r no f t h et r a i n o nt h et r a n s i t i o nc u r v e ，l o n g i t u d i n a lc o u p l e rf o r c ea r ew o r k e d o u t ，t h e n ，t h ee f f e c tb y t h ed r a f tg e a r - c o u p l e ra s s e m b l a g eo nt h et i l t i n gm e c h a n i s mi si n t e r p r e t e db ym e a n s o f t h e c o u p l i n g m o d e l a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ek i n d sa n dc h a r a c t e r so fv e s t i b u l ed i a p h r a g ma t h o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d an e w d e s i g ns c h e m eo f v e s t i b u l ed i a p h r a g mi s p u tf o r w a r d ，t h e e f f e c to ft h ev e s t i b u l ed i a p h r a g mo nt h et i l t i n gm e c h a n i s mi s i n t e r p r e t e d b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h eo p t i m i z e ds c h e m ei s i i o l 西南交通大学硕士学位论文 b e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lo n e ；t h ed r a f tg e a r - c o u p l e ra s s e m b l a g eh a sl i r l ee f f e c to nt h e t i l t i n gm e c h a n i s m a n dt h ev e s t i b u l ed i a p h r a g ms h o u l db ed e s i g n e d p r o p e r l y t h ew o r ko ft h i st h e s i sc a ni n s t r u c tt h ed e s i g no f t i l t i n gc a ra n dt h ec h o i c eo f t h ep a r a m e t e r so f t h et i l t i n gm e c h a n i s m 【k e yw o r d s 】t i l t i n gt r a i n ，t i l t i n g m e c h a n i s m ， k i n e m a t i c sa n d k i n e t i c s ，c o u p l e ra s s e m b l a g e ，v e s t i b u l ed i a p h r a g m 1 1 1 西南交通大学硕士学位论文 第一章绪论 铁路的行车速度是随着经济发展和科技进步逐步提高的，特别是第二次 世界大战以来，公路和航空运输发展很快，动摇了铁路运输的垄断地位，在各 种运输方式的激烈竞争中，提高铁路客运速度便成为铁路求生存、图发展的重 要举措。 列车提速，面临的一个问题就是当列车在曲线区段运行时，当运行速度高 于曲线设计的平均速度时即会产生未平衡离心加速度，使车上乘客受到抛向曲 线外侧的作用力，以致乘客乘坐舒适度恶化，并影响列车运行的安全性。目前， 列车提速一般有两种途径：一是通过建设新的高标准线路或大规模改造既有线 路，加大轨道曲线半径，开通高速列车，如同本的新干线和法国的t g v 线；二 是在既有线路下，通过改善车辆性能，提高对线路的适应能力。运用摆式列车 就是普遍采用的一项技术措施。 高速列车必须有相应的线路、通讯信号和供电系统等配套设施，因此高速 铁路的投资大，建设周期长，技术难度大。投资回收期较长。开行摆式列车可 以少改甚至不改现有的线路，采用“移动设备适应固定设备”的技术线路。可 做到列车提速见效快、投资省。 我国是一个多山的国家，山地、高原和丘陵约占国土面积的三分之二，很 多既有线路曲线众多、半径很小。新建铁路受投资控制，曲线半径也不可能很 大。采用摆式列车可以提高曲线限速3 0 3 5 ( 按有效倾摆角为6 5 。) i t “ 1 ，投资小效果显著。1 9 9 8 年，广深公司租赁瑞 b b 公司的x 2 0 0 0 列车在环 行线进行试验n ，于8 月2 0r 投入运营，已取得较好的经济和社会效益。但 是，大量的进口摆式列车，因购置费用太高，成本和运价要提高很多，国家财 力和旅客承受能力都有困难。加速国产摆式列车研制是国情、路情的迫切需要。 1 9 9 9 年，铁道部己批准立项，由西南交通大学、唐山机车车辆工厂、成都铁 路局等i l 家单位联合开发研制国产摆式列车。本论文作为此项目的的一部分， 为摆式客车倾摆机构的优化设计提供一定的理论依据。摆式列车的开行可使山 区铁路运输在与航空和高速公路的竞争中获得优势。 1 1 摄式列车提速机理 离心力是机车车辆在曲线轨道上运行时所特有的力。为平衡这个力，在曲 线轨道上设置外轨超高即外轨与内轨的高度差亦可用超高角口表示，见图l 一1 。把曲线外轨适当提高，借助车辆重力的水平分力抵消部分离心力 西南交通大学硕士学位论文 轨道超高的大小是根据曲线半径和列车通过曲 线的速度来确定，考虑到列车的运行安全性，一般 在客货混跑的线路上，其超高是根据货车的平均速 度来确定的。在任何一段曲线轨道上，一旦外轨超 高按平均速度计算、确定并设置后，便成为固定设 施。对于较高速度运行的客车来说，设置超高所产 生的指向曲线内侧的重力分力不足以完全平衡离心 力，这需要车体和旅客来承受，这一部分称为欠超 高蚧这样常规车辆在曲线上的最高限速为： 、= v 匦1 亚1 8 式中：吆一曲线限速( k m h ) 由一一实设超高( 哪) ； v j - - 一规定欠超高限值： 肛一曲线圆曲线半径。 在h 和址，均有严格限制的情况下，要进 一步提高曲线通过速度，只有采用摆式列车技 术以弥补固定超高的不足。图1 - - 2 所示车 体倾摆口角，同样起到固定超高角口一样的作 用。在车体内的旅客感受到的超高角足线路实 设超高和车体倾角之和，因此旅客感受到的重 力加速度的横向分量显著增加，可以大幅度抵 消列车提速后的离心加速度。将车体倾摆角 根据几何关系换算成倾摆等效超高l f ，则摆 式车辆通过曲线的速度为： k 。= 。r ( 萼h + u a 乎d - u r ) 一 肆噎 | f l 图1 一l 曲线有超高时车辆 受到的作用力 1 1 6 i1 2 采用摆式列车曲线上 乖体受力示意图 ( 1 - 2 ) 式中，厂一规定欠超高限值； 应用式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 两式取h = 1 5 0 m m ，= 9 0 r a m ，车体有效倾摆 角p = 6 5 。( 当量欠超高”，= 1 7 1 m m ) ，列车在通过半径不同的曲线时，限速比 较如图1 3 。 2 西南交通大学硕士学位论文 全 宅 芒 侧 剖 曲好阜抒r m 、 图1 3 摆式列车与常规列印曲线通过限速比较 1 2 国内、外攥式列车研制发晨概况 1 2 1 国外摆式列车发展状况 早在1 9 2 8 年，德国人k r u c k e n b e r g 就提出了摆式列车的原理并画出了设 计图。但出于当时制造和控制技术的限制，其设计思想到1 9 3 5 年才由瑞士s i g 公司在b l s 铁路上实现。其基本原理是将车体通过滚子支撑在转向架上的弧 形枕梁上，当离心力作用在车体时能使其在枕梁上摆动，从而产生一个附加角 度，并采用j a c o b 径向转向架。但这个试验车并没有得到真正的运用，真正付 诸实际运用的摆式车体设计思想是1 9 4 3 年西班牙t a l g o 开发的摆式系统。 在7 0 年代，意大利( 菲亚特的e t r ) _ 手d 英国( a p t 试验列车) 开始了对摆 式列车技术进行开发。在8 0 年代，同本也丌始对摆式列车技术进行试用，而 意大利、西班牙和加拿大( 庞巴迪) 则开始了摆式列车商业运营。瑞典的x 2 0 0 0 型摆式列车( 先出a b b 公司，现由a d t r a n z 公司制造) 于1 9 9 0 年开始商业运 营。德国v t 6 1 0 型摆式列车于1 9 9 2 年投入营业运营，随后芬兰( 1 9 9 5 年) 、 德国新线( 1 9 9 6 年) 和瑞士( 1 9 9 6 年) 也开始了商业运营。 1 9 9 6 年。法国国营铁路( s n c f ) 和g e c 阿尔斯通公司摆式t g v ( 需要 建新线路) 开始在现有线路上对试验列车进行研究，把现有的巴黎东南线t g v 列车变为摆式t g v 试验车。 1 9 9 7 年美国在波士顿华盛顿之闻也对摆式列车的运用进行了研究。 德国正加紧对高速摆式列车应用的研究( 是对演化成的i c t 列车进行的) 。 目前，摆式列车技术已经达到了较为成熟的阶段，在世界各地的应用也日 趋广泛。 3 西南交通大学硕士学位论文 1 2 2 倾摆技术 摆式列车试图用相对于轨面而倾斜车体的方法来减小在曲线上的超高不 足。现世界上有2 种完全不同的车体倾摆技术： ( 1 ) 被动式摆式列车 车辆摆心保持在重心之上，通过曲线时靠离心力的作用，使车体 绕其摆心转动，没有外加的动力，这种倾摆的方式称之为被动摆，其有 代表性的车型为：西班牙的t a l g o ! ”1 、闩本的3 8 1 系列、德国的w e g m a n n 和瑞士的n e i k o 。应用这种方法，一般可使车体和车轴间的倾斜角达到 3 。5 。 ( 2 ) 主动式摆式列车 这种摆动方式是在列车通过曲线时。靠外加作用力使车体倾摆一定 角度，车体最大倾斜角一般可达8 。列车通过缓和曲线时，转向架产 生的横向加速度由加速度计测定，车体丌始转动的指令由设在列车前部 的控制计算机发送。具有代表性的主动式摆式列车有意大利的 p e n d o l i n o 系列、瑞典的x 2 0 0 0 及德国的v t 6 1 0 和v t 6 1 1 。 1 2 3 摆式列车的技术性能 ( 1 ) 倾摆角度 被动式摆式列车车体最大倾摆角度一般为3 。5 。，而主动式摆 式列车可达8 。 ( 2 ) 最高速度 电动摆式列车都有极好的性能其速度可达2 0 0 k m h 2 5 0 k m h 。 内燃摆式列车的最高速度也可达到1 6 0 k m h ，主要用于市郊运营。 ( 3 ) 轴重： 国外现有摆式列车轴重一般在1 3 t 1 5 t ，比最大轴重为2 0 t 的常 规列车低。 ( 4 ) 信号 一般情况下采用摆式列车可提高列车行驶速度( 与常规列车相 比) 。这使得制动距离增加，在通过曲线时列车还要倾摆，这就要求对 信号作一些改进。 ( 5 ) 运行时间的缩短 与常规列车相比，摆式列车的运行时间可缩短1 2 3 3 ，摆式列 车由于功率比的提高而速度更快( 在直线上) 。如果运用没有提速的摆 4 西南交通大学硕士学位论文 式列车，即列车只在通过曲线时比常规列车速度有所提高，运行时间只 缩短1 2 2 0 ，平均值为1 5 。出于常规列车在直线上也可提高速 度，所以这应视为倾摆的直接作用。 ( 6 ) 经济数据和估价 根据s n c f 进行的研究，在法国，速度达1 6 0 k m h 的摆式列车，其 运行时间缩短l m i n 需花费1 5 0 万4 5 0 万欧元；速度高于1 6 0 k m h 的摆 式列车，缩短l m i n 需花费9 0 0 万1 8 0 0 万欧元：而采用非摆式t g v 。 缩短l m i n 需花费3 5 0 0 万4 0 0 0 万欧元。另一方面，摆式列车的购置费 和维修费比座位相同的常规列车要高1 5 左右。 1 2 4 国内摆式列车的研制情况 由于国产摆式列车购置费低廉，运输成本节省，故9 0 年代后我国也加速 了摆式列车的研制工作。 1 9 9 3 年，西南交通大学机车车辆研究所在国家自然科学基金会的资助 下，开始对摆式列车的基础理论进行研究。1 9 9 5 年在铁道部的支持下，建成 了主动悬挂实验室，丌始对摆式列车部件进行研制和试验；建造了摆式车辆模 拟试验台，设计和制造了摆式列车倾摆控制系统。配置了电液伺服阀，液压作 动器，在实验室内实现了摆式列车倾摆机构主动控制。1 9 9 7 年西南交通大学、 唐山机车车辆工厂和成都铁路局筹划联合丌发我国的摆式列车；1 9 9 9 年铁道 部已批准立项，由以上单位和大连机车厂等其余八家单位共同开发两动六拖摆 式列车，准备应用于建设中的成都一遂宁一重庆线路 9 】。 1 3 倾摆机构技术和本论文所做工作 1 3 1 惯摆机构分类 各国的摆式客车型式各异但从车体倾摆的原理来看，大致可分为两种摆 式列车：一种是主动式摆式车体( 又称有源式或强制式摆式列车) ；另一种是 被动式摆式车体( 又称无源式或自然摆锤式摆式车体) 。 主动控制摆式车体的倾摆装置包括倾摆机构、作动器和动力源三部分。 从悬挂特性考虑，倾摆机构有两种主要类型：一种是簧上摆，其倾摆机 构置于第二系弹簧以上，车体通过两根斜吊丰t 悬挂在摇枕上；另一种是簧间摆。 倾摆机构置于第一和第二系弹簧之间，它也是由斜吊杆组成。簧上摆的优点是 作动器所受的振动冲击较小，缺点是需要设霄车体的对中控制；簧间摆则与之 相反。作动器所受的振动和冲击较大。但不需要设置车体的对中装置。按所采 5 、 西南交通大学硕士学位论文 用的具体结构特点，倾摆机构主要包括滚轮式、轴承导轨式、倾斜缸支承式和 四吊杆式。 1 3 2 几种典型的摆式列车倾摆机构 1 1 3 2 1 可控滚轮式倾摆技术 可控滚轮式倾摆技术| 6 1 2 1 3 1 4 2 3 1 最初用于2 0 0 0 系内燃动车组上，1 9 8 9 年开 始营业运行，其车体倾摆装置如图l 一4 所示。控制风缸的作用是使车体进入 弯道时徐徐倾斜，通过弯道之后又徐徐恢复到平衡位置。 倾摆装置是由转向架上的滚轮装置所 支撑的摆动梁，车体支撑在摆动梁上方的 空气弹簧上。 在摆动梁上部和转向架之间，装有倾 摆控制风缸和摆动减振器。在摆动梁下部 转向架构架之间装有摆动抑制的风缸，以 控制倾摆。 滚轮式可控摆虽然在日本获得了好 评，并在多种动车组上被采用，但这种装 置难以满足提高运行速度、改善乘坐舒适 度、进一步提高倾摆装置性能的要求。滚 轮式倾摆装置主要存在以下问题： ( 1 ) 滚轮式倾摆装置的高度比较高， 化、轻量化。 i ! | i 一4 可控滚轮式倾摆机构 而且结构复杂难以实现小型 ( 2 ) 滚轮装置与风压控制装置的防尘机构复杂。 ( 3 ) 滚动板容易产生局部的凹陷磨耗，从而使倾摆时的阻力增加，导致 车体倾摆装置的性能下降。 ( 4 ) 为了提高曲线速度，需要降低摆动中心的高度，为此需要减小摆动 梁圆弧的半径，但是曲率圆弧半径减小以后，摆梁与滚轮的接触压 力增大而且还要进一步增高摆梁，这给转向架的设计带来困难， 难以满足降低中心的要求。所以，有必要进一步研究改进。 1 3 2 2 可控导轨式摆式车体 针对滚轮式车体倾摆装置的缺点开发了导轨式车体倾摆装置1 9 1 2 1 3 1 4 1 ，如 图l 一5 。这种改进型的车体倾摆装鼍最初用于日本中央铁路公司的3 8 3 系e m u 摆式电动车组上。原来的滚轮式倾摆装置是由支承垂直载荷的中1 7 0 r a m 滚轮 6 西南交通大学硕士学位论文 和传递转向架和摆梁间纵向力的凸轮随动件 构成。而导轨式倾摆装置则是由安装在摆梁 侧面的4 组支承导轨和沿着该导轨滑动的导 轨式支承块构成。导轨支承块通过缓冲橡胶 支承并固定在转向架构架上。车体在完成倾 摆动作的同时传递垂直载荷和纵向载荷。 1 3 2 3 倾斜缸支承式倾摆机构 新干线车体倾摆装置 1 2 , 2 3 i 的基本结构是 空气弹簧的下面安装垂向执行元件，动力源 采用液压驱动，倾摆控制方式是一侧上升一 侧下降。倾斜动作由比例油缸实现，控制由 驱动油缸进行。倾斜油缸要求上下行程平 稳，前后、左右方向不摇晃，采用图l 一6 所示直线导槽结构。 车体高度控制和车体倾摆控制用不同 的回路，运行前调整车体高度，运行中液压 图i 一5 导轨式倾摆装置简图 i 一倾摆中心：2 一车体倾摆装置 3 一支承导板；4 一防尘装置。 1 3 2 4 四吊杆式倾摆机构 四吊杆式倾摆机构的核心是一对对称的四连杆机构，四连杆机构的摆杆 就是倾摆机构的吊杆，所以又称四连杆式倾摆机构。4 根吊杆在形式上类似于 过去有摇动台转向架的斜吊杆。但它们的作用是完全不同的。吊杆的倾斜角度 很大，左右吊杆的交点( 即瞬时转动中心) 大约在车体重心附近，所以其横向 刚度很大，它必须依靠作动器提供的力爿能使吊杆偏移、车体倾斜，在这里吊 杆的作用不是用于缓和横向振动，而是使车体重心在倾斜的同时稍有上升，使 倾斜运动在液压动力消失后能自动复原到平衡位置。 x 2 0 0 0 的倾摆机构装 1 6 , 1 7 , 2 3 1 设于转向架的上下摇枕之间。包括2 个液压作 动器和4 根斜吊杆( 见图1 - - 7 ) ，斜吊杆的上端与下摇枕相连。液压作动器的 上端与上摇枕相连，而下端连接在下摇枕上。上摇枕是一个可以倾摆的摇枕， 7 西南交通大学硕士学位论文 上下摇枕间的最大倾摆角为8 。，车体在二 系弹簧上的倾角为0 5 。，在一系弹簧上的 倾角为1 0 。，所以有效倾角为6 5 。，f 旦设计 车体外形时，倾角按9 5 。考虑，在最大侧向 力作用下，倾角可达1 0 5 。 v t 6 1 1 的车体倾摆装置 2 0 , 2 1 , 2 2 1 采用簧问 摆和机电作动器。它与已有的液压倾摆装置 相比，是全新的倾摆控制技术，具有下列特 点：电动液压驱动：快速和高灵敏度的倾 摆反应；功率消耗较小；效率高；结构紧凑： 重量轻；维修量少：不需液压油，无润滑油 污染。 1 3 2 5 德田新型倾摆机构 目前，德国t a l b o t 公司丌 发了一种新型倾摆系统，如图l 一8 。该倾摆系统主要由三个液 压作动器组成。其中。两个垂向 作动器安装在车体左右两侧，一 端与车体相连，另一端与抗侧滚 扭杆相连，实现车体倾摆。水平 安装的作动器起平衡作用。该系 统结构简单，但目前应用较少。 综上所述可以看出，摆式列 图l - - 7x 2 0 0 0 倾摆机构 i 一空气弹簧；2 - - 上摇枕； 3 一液压作动器；4 一下摇枕； 5 一构架；6 - - 吊杆；7 一车体。 i 到i - - 8t a l b o t 公司有源倾摆系统 车技术研究比较深入，运用比较成熟的固家主要是日本和欧洲一些国家。日本 根据本国的具体条件和线路的实际情况一直致力于发展窄轨铁路摆式列车， 并采用了与欧洲国家不同的倾摆机构。在欧洲，采用主动式倾摆的四吊杆式倾 摆机构技术占主流，几种具有代表性的摆式列车，如上面提到的x 2 0 0 0 、v t 6 1 l 以及意大利的e t r 4 5 0 、e t r 4 6 0 、e t r 4 7 0 等都采用了这种结构。就动力源 而言，机电式倾摆装置正在以其功率消耗较小、结构紧凑、重量轻、维修量少 等优点得到日趋广泛的运用。因此，我国正在试制中的1 6 0 k m h 内燃摆式列 车，拖车拟采用机电式作动器，倾摆机构采用四吊杆结构，并采用簧问摆。 8 西南交通大学硕士学位论文 1 3 3 本论文主要工作 目前，随着我国西部大开发战略的实施，西部铁路交通的提速已迫在眉睫， 研制国产摆式列车是实现西南山区铁路提速的重要举措。本论文为正在开发中 的国产摆式列车作了一些基础工作。倾摆机构是摆式列车的重要部件，其性能 直接影到摆式列车运行的平稳性和安全性，而国内外在这方面的研究鲜有论 述。为此，论文对四吊杆式倾摆机构进行了较为全面彻底地研究，具体工作如 下： 1 对四吊杆式倾摆机构建立四连杆模型，运用向量法，较以往研究更系统、 更全面地进行了动力学和运动学分析，推导出摆式列车重要运动、动力参 数的公式，如摆心、重，d 位移，作动器输出力、输出功率等。编制计算程 序，可求取车体倾摆限度内任何角度位置的重要参数。 2 建立四连杆机构优化模型，以倾摆机构运动、动力参数为优化目标函数， 考虑它们在整个倾摆过程中的变化，用加权系数法和复合形法求取优化模 型的最优解。通过优化方案与原方案的比较可知优化方案要优于原方案， 这为摆式列车倾摆机构设计的优化和完善提供了一定的理论依据。接下 来，进一步讨论了各个设计变量的敏感度问题，以指导倾摆机构的具体设 计。 3 对于车钩力对倾摆机构的影响，国内外论述极少。本文通过建立车钩模型， 针对试制中摆式列车的牵引连挂方式，求取了摆式列车稳态通过缓和曲线 时的车钩纵向力及车钩偏角，首次研究了车钩力对倾摆机构力学性能的影 响。 4 本文针对摆式列车特点，提出摆式列车用风挡设计初步方案。首次考查了 风挡参数对倾摆机构影响，为列车j x l 挡装置的设计和完善提供理论指导。 9 西南交通大学硕士学位论文 第二章倾摆机构运动学、动力学分析 摆式客车的倾摆机构采用一对对称的铰链四连杆机构，前后转向架各有 一个这样的机构。车体坐落在摇枕上，车体及摇枕重量通过八字吊杆作用在构 架上。同时在摇枕与构架之间有作动器提供倾摆力，实现车体倾摆。倾摆机构 的核心是四连杆机构，其性能很大程度上决定了摆式客车倾摆机构的特性，并 对摆式客车车体的外形轮廓、倾摆动力系统的设计、乘坐的舒适性以及运行的 安全性有重要的影响。本章根据车体倾摆机构的运动规律，利用向量法对倾摆 机构进行了几何运动学、动力学分析。 2 1 倾接机构运动规律 我们知道，在飞机上，当飞机方向变换时，超过2 4 。倾角的情况比较多， 但由于倾斜这段时间是很缓慢的，乘客不易产生不适感。而车辆横向较大的倾 摆角速度、角加速度，极易使乘客晕车。因此，对摆式车辆进行舒适度评价时， 必须考虑倾摆角速度和角加速度的影响。根据国外摆式列车的设计经验，乘坐 摆式列车的乘客保证舒适度所能承受的倾摆角速度一般不大于5 0 s ，角加速 度不大于1 5 0 s 2 f 7 s ”。取倾摆角加速度与时间t 呈分段线性关系变化的梯形波 信号，其数学表达式为： 盈， ，o 占” o s m 一垒( 7 一，) ， 0 s ，r f ，o t o ，t t o 7 一f os ，t r r r s ，t 对上式在相应时间段作定积分t 再积分得到车体倾摆角速度国和倾摆 角度日与时间的关系( 参见图2 一1 ) ： 1 0 西南交通火学硕士学位论文 l 三生f 2 l2 o l ( r ) + 占，o f o ) = c o ( t o ) l ( t - t o ) 一( t - t + r ) 卜吖) _ ( t 2 - ( t - t o ) 2 ) 0 f f f ，o ，o t t t o r 一“t t r t f ，t 鱼f 30 s ，f 6 f o o c t ) + ( r ) o f ) + 兰三；l ( ，一t o ) 2r s f ，o 曰( f o ) + c o ( t o ) ( f t o )r os t t t o o ( t 一“) + ( r 一，o ) ( ，一7 1 + f 。) 一乏 ( ，一t + t 。) 2t - “f s t - f o ( t f ) + c o ( t f ) ( ，+ t o t ) 一- o ( t 3 - ( r f ) 2 t + 2 ( 7 1 一f ) 3 ) t - r t 0 ，- ，= l ，m ( 2 ) 求变化后各目标函数在定义域内的适当值z ，以下列函数 f , ( x ) i z ，f _ 1 ，2 ，m 作为求解的各分量目标函数。 针对倾摆机构优化模型特点，可直接进行第二步，取唐山机车车辆工厂摆 式客车试制初步采用的设计参数进行运算所得结果作为z ，列表如下； 参数名称作动器输出力作动器输出地板面n 点横重心的横移 f a x ) ( k n )功率( k w )向位移( 删n )量( f m ) t 9 3 6 27 6 2 43 0 5 2 91 6 7 5 6 3 2 1 3 权系数的确定 在统一量纲处理后，需要用合适的方法确定出各个目标函数合理的权系 数。下面采用判断矩阵法给出本优化问题的权系数。判断矩阵法的基本思想是 先对两两目标的重要程度作出比较判断，并用数字l 到9 标出，然后用这些数 字构造所谓判断矩阵，再计算出所有目标的权系数。这种方法已被实践所证明 是很有效的【3 2 i 。对于这里要解决的倾摆机构优化问题给出判断数并列表如 下： 2 6 西南交通大学硕士学位论文 事项判断矩阵 j = 毒l z正五 l 、 以= 兀q a l = 螨 l a i j - i z 17995 6 7 4 8 7 9 7 0 7 3 3 3 l131 2 8 5 7 1 0 6 4 8 0 1 6 0 0 7 五 l1l1o 0 1 5 90 3 5 4 90 0 5 3 3 93 、 11 11 0 0 1 5 90 3 5 4 9 0 0 5 3 3 93 1 3 78 6 71 41 46 6 5 4 3 a 。= 3 8 8 4 2 说明：口= + 口2 + 口3 ：目械相粥的判断系数。 3 2 2 复合形法基本原理 由前面分析可知，倾摆机构优化属于多变量、多约束、多目标的非线性优 化问题。就设计变量的个数而言，属于小型优化问题。这里选择复合形法1 3 i l 实 现倾摆机构的结构优化。利用复合形法进行优化设计，不需求偏导数，计算量 不大，收敛较快，适应中小问题。 复合形法的基本思路是在r t 维空间的可行域中选取k 个设计点( 通常取 n = l s k s 2 n ) 作为初始复合( 多面体) 的顶点。然后比较各顶点目标函数值 的大小，把目标函数值最大的点作为坏点x ( ，以其余各点的中心) ( 【q 为映射 中心，寻求坏点的映射点x ( r ，也就是说映射点优于坏点。这时，以映射点替 换坏点与其余各点构成k 个顶点的新的复合形，如此反复迭代计算，在可行 域内不断的以目标函数值低的新点代替坏点。构成新的复合形，使复合形不断 的向最优点移动和收缩，直道收缩到复合形的各顶点与其形心非常接近、满足 迭代要求为止。最后输出复合形中目标函数值最小的顶点作为最优点。 3 2 3 优化程序结构框图 2 7 西南交通大学硕士学位论文 西南交通大学硕士学位论文 3 3 优化结果分析 根据上面建立的倾摆机构优化模型和所介绍的优化方法，即可对摆式车体 倾摆机构基本参数进行优化。在优化过程中，利用了第二章在进行运动学和动 力学分析时所编制的计算程序，只要给定足够小的时间或角度步长，即可精确 得出车体倾摆时任何时刻或任一角度位置的精确解。因而，优化的结果更准确、 可靠。另外，如果对得出的优化结果感到不满意，可根据上面介绍的方法对权 系数进行修正，直到得出满意解。优化过程中基本参数p 3 】取值如下： 摆杆上铰点中心距轨面高：h 。= 8 2 6 m m ： 平衡位置时重心距轨面高：h c = 1 6 6 8 m m ； 平衡位置时车钩中心距轨面高：h ，= 8 8 0 m m ； 作动器水平安装，距轨面高：h = 5 0 0 m m ： 车体质量：m = 5 2 1 ；车体转动惯量：，= 6 0 5 t m 2 ； 车体长度：上= 2 5 5m 风压力系数：b = 0 5 4 k n m 2 优化变量的取值范【。腻( 1 1 1 f 1 1 ) ： l i ：5 0 0 7 0 0l 2 ：9 0 0 1 3 0 0l 4 ：5 0 0 8 0 0 计算中不考虑车钩阻力和倾摆机构各关节传动效率的影响。采用表3 一i 中所列权系数按上述方法进行优化，优化结果为： 厶25 9 3 1 4 6 1 ：l 2 = 1 0 7 7 6 4 10 = 6 2 0 4 6 0 3 3 1 优化结果分析 下面把经上述方法优化后得到的方案与唐山机车车辆厂摆式客车试制初步 方案进行分析比较。 3 3 1 1 优化目标函数的比较 ( 1 ) 作动器输出力 两种方案的作动器输出力如图3 2 所示。在不考虑风力的情况下，采用 优化方案作动器最大输出力为6 6 0 9 2 k n ，原方案为7 0 3 0 9 k n ：考虑风力时， 优化方案的值为9 0 1 3 4 k n ，原方案为9 3 6 1 8 k n 。显然，从减小作动器输出力 的角度考虑，优化方案要优于原方案。 西南交通大学硕士学位论文 245 倾摆角度( d e g ) 倒3 2 作动器输出力比较 ( 2 ) 作动器的输出功率 两种方案的作动器输出功率如图3 3 所示。在不考虑风力的情况下，采 用优化方案作动器最大输1 助率为5 2 1 3 k w ，原方案为5 6 2 7 k w ；考虑风力时， 优化方案的值为7 2 4 8 k w ，原方案为7 6 2 4 k w 。显然，从减小作动器输出功率 的角度考虑，优化方案要优j 距方案。 萎 、。 蹲 怒 茁 姆 懿 书 世 24e 倾摆角度( d e g ) 蚓3 - 3 作动器输山功率比较 ( 3 ) 地板面n 点横向位移动比较 由于倾摆。对车体轮廓修形时，地板面受到的影响用n 点的横向位移来 表示。两种方案的n 点横向位移如图3 4 所示。对于两种方案，当车体倾摆 角度为8 。时，n 点横向位移达到最大，采用优化方案为2 7 2 7 8 m m ，原方案 3 0 柏仲o z)iv穴茁姆懿臀世 西南交通大学硕士学位论文 为j 石：西9 n l m 。显然，从减小车体修形量，增加旅客乘坐空间的角度考虑，优 化方案要优于原方案。 e e v 豁 堪 娼 帮 z 24 倾摆角度( d e g ) 幽3 - 4 n 点横向位移比较 ( 4 ) 车体重心最大位移 两种方案的重心摆心距离如图3 5 所示。优化方案中重心横向最大位移 较大，但纵向最大位移较小，两个数值分别为：1 9 9 9 m m ，1 7 8 1 6 m m ；原方 案重心的最大横向和纵向位移分别为1 6 7 5 6 m m 、1 9 4 8 3 m m 。从提高旅客乘坐 舒适度的角度考虑，两种方案相差无几。 冀 普l 蝠 畦1 1 0 悯 重心横坐标 图3 5 车体重心位置 3 3 1 2 优化约束函数的比较 约束函数分两种情况，一种是受空间限制而引起的约束，如对铰点b 和 c 的位移约束另一种是受倾摆机构性能引起的约束，如对重心摆心距离的约束 和对作动器最大行程的约束。对于第一种情况。我们希望能够充分利用可用空 间，第二种情况，应有利于降低设计成本，提高乘坐舒适度因此，下面对优 化模型中采用的约束函数进行比较。 3 l 谣南交通大学硕士学位论文 ( 1 )铰点中心b 的横向位移的比较 1 8 0 螟量m 俅s “o 釜蓍：| ； 囊萎6 0 。 击咚2 0 醛 o 246 倾摆铰点( d e g ) 图3 6 饺点b 距作动器安装限界横向距离 图3 6 为b 点距作动器安装限界距离，采用优化方案其最小值是 0 0 0 1 m m ，原方案为9 6 9 5 m m 。可见优化方案充分利用了许可空间。 ( 2 ) 铰点中心c 距轨而高度比较 图3 7 为铰点中心c 距轨面高度值，采用优化方案其最小值是 2 3 4 3 4 4 m m ，原方案为2 4 7 7 2 5 r n m 。约束限界为2 3 0 m m ，可见优化方案充分 利用了许可空间。 2 9 0 e e 2 8 0 幢 2 7 0 帽 2 错 02 5 0 岳 o 2 4 0 “ 倾摆角度( d e g ) 吲3 7 铰点c 中心距轨面高 ( 3 ) 重心与摆心距离 两种方案的重心摆心距离如图3 8 所示。对于两种方案，车体在平衡 位置左右时，原方案距离较小，但当车体倾摆角度为士8 。时，摆心与重心距 3 2 西南交通大学硕士学位论文 3 2 93 7 3 m m3 3 59 1 3 r a m 离达到最大，采用优化方案为 ，原方案为 。显然，从 提高旅客乘坐舒适度的角度考虑，优化方案要优于原方案。 e3 0 0 e 、- ， 2 5 0 艟 l 鞋 2 ” 翟 1 5 0 槲 珩 1 。o 翟 5 。 蟪 1 0 86 - 4 20240 o 倾摆角度( d e g ) 幽3 - - 8 摆心与重心横向距离比较 ( 4 ) 作动器行程 两种方案作动器行程比较如图3 9 所示。优化方案中，当车体倾摆 一8 一+ 8 时，作动器输出行程为1 4 1 7 5 2 m m o 一1 4 5 9 3 0 r a m ；原方案作动 器行程为1 4 5 1 0 4 m m o 一1 4 9 2 1 4 m m 。可见，优化方案需要作动器的行程 要小于原方案。因此，从i j ，小f 1 ：动器行程的角度考虑，优化方案要优于原方案。 ，、 e e 、- ， 堪 妊 船 奄 世 0b6- 4吨024 1 0 倾摆角度( d e g ) 3 3 1 3 其它有关函数的比较 倒3 9 作动器行程 3 3 西南交通大学硕士学位论文 在进行倾摆机构的计算时，还要求出其它一些相关参数。这些参数虽然 未列为优化目标函数和约束条件，但对倾摆机构性能、旅客乘坐舒适度等也会 有一定影响。设计倾摆机构时，要给予考虑。下面对两种方案计算得到的这些 参数结果也进行比较。 ( 1 ) 摆心位移 图2 一l o 为车体倾摆 过程中，摆心位置坐标变 化情况。由图可见，在习 衡位置，优化方案的摆心，。 高度位置较原方案低，摆 ，”o 心高度分别为1 5 9 8 1 7 0 尝 ，w 和1 5 5 9 6 8 5 m m 。但是， 型 1 优化方案的摆心移动量较兰 ” 原方案小：原方案的横 三 。 向、纵向移动量分