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地铁车钩缓冲器强度和动力学分析 摘要 车钩缓冲器包括车钩和缓冲器两个部分。车钩缓冲器作为地铁车辆的关 键部件，起到连接车辆和吸收车辆间连挂和制动作业时的纵向冲击载荷的作 用，为了确保地铁车辆安全运行和乘客的舒适度，必须对车钩缓冲器进行强 度和动力学分析。在进行产品实物试验之前运用数学建模进行模拟不但能基 本准确反映出车钩缓冲器的力学性能，而且能有效减少成本、缩短研制周期、 分析一般试验中不能进行的复杂试验项目。 本文在全面介绍了车钩缓冲器各部分的工作原理后，探讨了影响车钩缓 冲器正常工作的各种原因；其次对车钩缓冲器在各种工况下的受力进行了详 细的介绍，对研究车钩缓冲器强度奠定了基础。 车钩在一般情况下完全能够满足强度要求，但是车钩在疲劳载荷下容易 发生断裂，本文强度分析就是按照材料的等效疲劳强度进行静强度分析。首 先利用三维设计软件s o l i d w o r k s 对车钩的各个零件进行实体建模，为强 度分析建立准确的数学模型；然后分析各个零件受力关系并只对其中的关键 承载零件运用有限元分析方法进行强度分析；根据分析结果，对不同约束条 件下的车钩最大应力进行了比较，并对车钩的装配给出建议。 运用有限元方法对壳体和钩体内部关键零件进行了模态分析，保证车钩 不会因为车体振动而发生共振，产生断裂。 在m s c a d a m s v i e w 中分别建立了调车作业的车钩模型和车钩缓冲器 模型。车钩模型只考虑车钩刚度，车体等都作为刚性体处理。车钩模型建立 了不同编组不同速度下车辆参数化模型，仿真得出编组车辆数和最大冲击力 的关系，为非线性调车模拟仿真提供根本依据。车钩缓冲器模型考虑车钩刚 度和缓冲器弹性参数，车体作为刚性体处理。在a d a m s v i e w 中建立车辆 参数化模型，模拟仿真得出各个冲击分界面的最大冲击力以及各分界面吸收 的能量，计算了各个分界面的能量吸收率。 最后对缓冲特性曲线采用全新的方法进行设计，为缓冲器的提供设计参 数。 本文工作对车钩缓冲器的进一步研究具有实际的参考价值，提出了研究 车钩缓冲器的新方法。 关键词：强度分析，动力学分析，车钩，缓冲器，缓冲特性 s u b w a yv e h i c l ec o u p l e r - b u f f e r s t r e n g t ha n a l y s i sa n dd y n a m i c sa n a l y s i s a b s t r a c t m e t r oc o u p l e r - b u f f e ri n c l u d e sb u f f e ra n dc o u p l e r m e t r oc o u p l e ra sak e y c o m p o n e n to fm e t r oc a r s ，al i n kb e t w e e nt h ev e h i c l ea n da b s o r bv e h i c l e sa n d b r a k eo p e r a t i o n se v e nw h e nl i n k e dt ot h ev e r t i c a ll o a d ，i no r d e rt oe n s u r es a f e o p e r a t i o no fm e t r ov e h i c l e sa n dp a s s e n g e rc o m f o r t ，t h en e e df o ra m e t r oc o u p l e r i n t e n s i t ya n dd y n a m i c sa n a l y s i s u s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi nt h ep r o d u c t s t e s t e dt os i m u l a t ea c c u r a t e l yr e f l e c t sn o to n l yr e f l e c t i n gt h eb a s i cm e t r ob u f f e r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，a n d c a ne f f e c t i v e l yr e d u c ec o s t s ，s h o r t e nt h e i r d e v e l o p m e n tc y c l ea n dt h eg e n e r a lt e s t o ft h e c o m p l e xc o u l d n o ta n a l y s i s p r o j e c t s t h i sp a p e rc o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o nt oa l lp a r t so ft h em e t r oc o u p l e r w o r k i n gp r i n c i p l e ；t h e n , i n t r o d u c em e t r oc o u p l e ro nt h ei m p a c to f t h ev a r i o u s w o r k i n gc o n d i t i o n s t h i sp a p e rc a r r i e do u ta d e t a i l e db r i e f i n ga b o u tm e t r ob u f f e r i nv a r i o u sc o n d i t i o n so ft h eb u f f e rf o r c e ，i tb u i l dt h eb a s i ca n a l y s i so fm e t r o c o u p l e r c o u p l e r i nn o r m a lc i r c u m s t a n c e sc a nc o m p l e t e l ym e e tt h es t r e n g t h r e q u i r e m e n t s ，b u tc o u p l e rg e n e r a l l yf r a c t u r ew h e ni tl o a d i n gf a t i g u el o a d t h i s p a p e ri si na c c o r d a n c ew i t ht h ee q u i v a l e n ts t a t i cf a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i s t h e f i r s tt ou s e3 dd e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k sb u i l dt h ec o u p l e ra n di n n e r p a r t so ft h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a ls o l i dm o d e l i n g f o rs t r e n g t ha n a l y s i s a n a l y z e s e a c hp a r t sl o a dr e l a t i o n sa n do n l yc a r r i e so nt h es t r e n g t ha n a l y s i st ok e yp a r t s u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h e b i g g e s t s t r e s sh a sc a r r i e do nt h ec o m p a r i s o nt ou n d e rd i f f e r e n tc o n s t r a i n t s c o u p l e r t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h es h u n t i n gs e r v i c el i n e a rd y n a m i c sm o d e li n m s c a d a m s v i e w t h ef i r s tl i n e a rd y n a m i c so n l yc o n s i d e r st h ec o u p l e rs p r i n g ， t h ev e h i c l ea n do t h e r p a r t s a sr i g i d b o d y t h el i n e a rd y n a m i c sa n a l y s i s e s t a b l i s h e dt h ev e h i c l e sp a r a m e t e r i z a t i o nm o d e lu n d e rt h ed i f f e r e n tg r o u p i n g f r i c t i o ns p e e d t h ea n a l o gs i m u l a t i o nh a so b t a i n e dt h em a r s h a l li n gn u m b e ro f v e h i c l e sa n dt h ei m p a c tr e l a t i o n s ；i ti st h ev e r yi m p o r t a n tt h e o r yf o rn o n l i n e a r d y n a m i c s w h e ns h u n t i n gs e r v i c ea n o t h e rl i n e a rd y n a m i c s ，w eu s ec o u p l e r s p r i n ga n db u f f e rp a r a m e t e rc o n s i d e r a t i o n ，v e h i c l ea sar i g i db o d y t h ea n a l o g s i m u l a t i o no b t a i n se a c hi m p a c ti n t e r f a c et h em a x i m a li m p a c tf o r c ea sw e l la s a b s o r p t i o ne n e r g y ，h a sc a l c u l a t e de a c hi n t e r f a c ee n e r g ya b s o r p t i o nr a t e f i n a l l yu s e st h eb r a n d - n e wm e t h o dt od e s i g nt h ec u s h i o nc h a r a c t e r i s t i c c u r v e p r o v i d e st h ed a t ar e f e r e n c ef o rb u f f e r sd e s i g n t h i sp a p e ri su s e f u lt oc o u p l e r d a m p e r sf u r t h e rr e s e a r c hh a st h ea c t u a l r e f e r e n c ev a l u e ，p r o p o s e dt h er e s e a r c hc o u p l e r - d a m p e r sn e wm e t h o d k e yw o r d s ：s t r e n g t ha n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，c o u p l e r ，b u f f e r ，c u s h i o n c h a r a c t e r i s t i c 符号说明 本文中所有计算单位： 长度：m m 时间：s 力：n 质量：k g 本文中符号说明： r l ：车钩能量吸收率，缓冲器吸收的能量和冲击能量的比值 。一：关键区域最大应力 6 。：零件最大应力 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。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 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： = 里竺主： 日 期：垫q 蚤生笸月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权陕西科技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，缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文 论文作者签名：日期：2 q q 墨生厶屋 童童塑辔垒邕型堡堡墼墼垡巡 密接式地铁车钩缓冲器强度和动力学分析 1 绪论 1 1 研究背景及意义 城市轨道交通具有运量大、效率高、节能、少污染、舒适、安全和准点的突出优点， 是解决大城市交通拥堵和环保问题、提升城市形象的最好形式，促成区域经济的形成和 发展，已成为国际上城市公共交通发展的首选模式，必然加速发展。 我国国民经济持续快速发展，城市化进程明显加快。特别是九十年代以后，城镇人 口迅速增长，市区常住1 0 0 万人口以上的城市已达4 3 个，超过2 0 0 万人口的特大城市已 有1 4 个。据有关部门预测，2 0 10 年我国城镇人口比例可能达到4 5 左右。未来十年我 国城市规模将不断扩大，城市人口将急剧增长；这将造成城市道路通行条件恶化、使交 通拥堵，给城市交通带来困难。为解决城市交通和环境问题，我国许多大城市已把发展 城市轨道交通作为发展公共交通的根本方针。 我国1 0 0 万人口以上的大城市、特大城市是我国今后建设城市轨道交通的重点。目 前，已有近3 0 个城市开展了建设城市轨道交通的前期工作，每个城市提出的轨道交通建 设规划线路都超过了1 0 0 公里。特别是上海，在2 0 1 0 年世博会前将构筑l l 条线路、4 0 0 多公里长的轨道交通网络，到2 0 2 0 年将建成5 4 0 公里、2 0 3 0 年将建成7 8 2 公里的轨道 交通网络。 根据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会2 0 0 4 年对北京、上海、天津、广 州、南京、重庆等1 4 个城市评估并上报国家发改委的近期( 至2 0 10 年) 城市轨道交通建 设计划： 全国至2 0 1 0 年建成城市轨道交通2 1 0 0 公里，至2 0 2 0 年建成3 0 0 0 公里以上，其中 上海：至2 0 1 0 年建成城市轨道交通4 0 0 公里，至2 0 2 0 年建成5 4 0 公里以上 城市轨道交通装备、特别是车辆技术，涵盖了先进制造技术、控制技术和仿真技术、 通讯和信号技术、变频调速技术、微电子技术等领域，是个系统工程，我们与发达工业 国家的差距较大，有些尚属空白。而国外厂商至今不肯转让核心技术，由于每条线采用 的车辆不同，外商籍此对每条线的车辆收取上亿元的特殊设计费，致使车辆的价格高( 每 节车价格达l0 0 万美元左右。a 型车的价格更高，进口a 型车每辆价格折合人民币为 1 2 0 0 万以上；合资企业生产的a 型车每辆价格为1 0 0 卜1 1 0 0 万) ，并且购买周期长，后 墼鱼塑坠耋堡垒丝丝銮 期服务跟不上，严重影响了我国轨道交通装备产业的发展和城市轨道交通建 设。我国必须抓住机遇，加速技术开发、掌握城市轨道车辆及相关设备的设计开发 和制造工艺技术，形成自主知识产权，以提升我国先进制造等相关技术，打破垄断 局面，为国家节约大量外汇资金，还可为为轨道交通车辆的维修奠定技术基础并降 低维修成本，实现产业化后将成为我国经济发展的一个新增长点，意义重大。 因此，上海市将城市轨道交通a 型车国产化确定为首批重大产业科技攻关项 目。本项目就是配合上海a 型地铁列车中的钩缓系统的国产化研究，获得上海市应 用技术委员会项目资助。 1 2 车钩缓冲器的发展现状 在国际铁路机、客、货车用车钩制造生产方面，机车、货车用车钩主要是以美 国研制生产的e 型和f 型车钩为代表比1 。主要生产厂家有：a s f k e y s t o n e 公司、 m c c o n w a y & t o r l e y 铸钢公司、哥伦布铸钢公司等。这些公司开发能力都很强、专业 化生产程度高、生产规模大；他们大都采用计算机控制的大型电炉熔炼、潮模砂冲 击造型生产线等现代化铸造设备，铸件采用p r o e 三维c a d 设计，p r o m e c h a n i c af e a 有限元应力分析和铸造工艺凝固模拟，c n c $ i i 工等先进技术。这些公司平均日产车 钩数百套。客车用车钩主要以德国的s c h a k u ( 已被福伊特公司收购) 方锥形密接车 钩最具代表性，瑞典d e l l n e r 公司生产的车钩与s c h a k u 公司生产的车钩基本相同，其 中s c h a k u 密接式车钩装置占据了欧洲高速列车的大部分市场，德国i c e 系列与法国 t g v 系列高速列车全部装用s c h a k u 密接式车钩。我国能批量生产客车密接式车钩缓 冲器的还只有四方车辆研究所，直接参与的有3 0 0 - 4 0 0 人，目前通过消化改进技术 国外技术已经生产出国产化的密接车钩用于试验。 在缓冲器制造生产方面，美国缓冲器主要有a s f k e y s t o n e 公司，w a b t e c 公司及 m i n e r 等。如a s f k e y s t o n e 公司的缓冲器占北美液压缓冲器市场的6 0 7 0 。w a b t e c 公司自1 9 0 4 年开始设计开发缓冲器，在摩擦弹簧缓冲器的设计、试验、生产方面具 有先进的经验，先后开发了m a r k 系列等多种类型缓冲器乜1 。德国s c h a k u 公司开发了 用于i c e 系高速列车的密接式缓冲器。瑞典d e l l n e r 公司开发了用于干线歹i j 车的钩缓 装置。波兰k a m a k e 公司在弹性胶泥缓冲器方面发展最为先进，其设计生产的缓冲器 通过u i c ( 欧洲铁路联合会) 认证，成为欧洲弹性胶泥缓冲器的标准。我国弹性胶 泥缓冲器目前已在2 0 0 3 年开始生产，目前装配在提速客车上。 1 2 1 地铁车钩发展现状 车钩作为铁道机车车辆的重要部件，其主要作用是传递车辆纵向牵引力、压缩 力。车钩一般采用铸造的方法。目前在地铁上广泛使用的基本上都属于密接式车钩。 2 密接式车钩根据钩头的不同可以分为圆锥钩头和棱锥钩头。s c h a k u 公司和西门子公 司所生产的棱锥形钩头应用最为广泛，目前世界上大多数的地铁都在使用。由于圆 锥钩头铸造容易、使用安装方便，所以日本和我国国产地铁缓冲器钩头都采用柴田 式圆锥钩头1 。上海a 型地铁列车采用的是s c h a k u 公司生产的密接式棱锥钩头h 1 。 1 2 2 缓冲器发展现状 缓冲器主要起到吸收车辆间的纵向冲击载荷，缓和车辆的纵向冲动啼1 。按照吸 能元件可以分为：摩擦弹簧缓冲器、橡胶缓冲器、摩擦橡胶缓冲器、弹性胶泥缓冲 器、弹性体缓冲器、液压缓冲器等。 由于我们国家在车钩缓冲器方面研究起步晚，研究落后，所以车辆的连挂速度 慢，车辆运行速度也受到影响，大大影响运输效率。国外在这方面研究已经有很大 进展，法国大西洋t g v 高速列车的机车安装高性能的缓冲器后，其安全连挂速度由 2 6 k m h 提高到8 k m h 。装有美国f r e i g h tm a s t e r 公司生产的行程为3 0 0 m m 的m f 型弹 簧一滚压缓冲器的车辆冲击速度提高到2 2 k m h 哺1 。我国国产缓冲器目前的编组连挂 允许速度只有5 k m h ，特种车辆用缓冲器还要进口拍1 。 弹性胶泥缓冲器由于结构简单、使用维护方便、容量大等优点被广泛应用。目 前国外在新型弹性胶泥缓冲器的研制上处于前列的是法国、波兰、俄罗斯，我国主 要研制单位是四方车辆所，上海材料研究所和铁道部戚墅堰研究所，但是研制的缓 冲器一直没有达到国外同类产品的技术标准，以致新型缓冲器依赖进口，所以研制 出高性能的缓冲器刻不容缓。 1 2 车钩缓冲器研究现状 1 2 1 车钩强度研究现状 根据现有文献阳rn 训，钩缓装置的强度研究主要集中在对钩体及其内部连接件 的强度分析。 由于车钩在正常使用的工况下所受的载荷远低于设计载荷，即使在纵向力很大 的作用下，由于固晰足发生断裂的可能性也不大，但在实际使用过程中，可能在 远低于断裂强度的循环载荷作用t 发生瘴鲞驶坏，所以从提高钩缓装置强度的角度 ，n4 = 皂= ， 出发，认为车钩的强度以屈服极碾作为衡量极限比较合理n 。目前对车钩的强度分 析还没有统一的认识，欧洲主要是以屈服极限作为强度分析的标准，日本则是以断 裂强度作为强度分析的标准，并且每个国家都没有具体的执行标准，具体标准都是 各个缓冲器生产企业根据需要自行制定陆1 。 强度的分析、计算方法很多，最初就是通过现场试验来验证简单的强度计算， 后来运用自行编写的程序进行分析、计算，现在基本上是应用3 d 建模软件建立缓冲 3 器的实体模型，通过计算得出缓冲器上的受力，然后用有限元分析软件进行有限元 分析n 2 1 。 ， 地铁要频繁制动，车钩上的冲击载荷也频繁变化，这是地铁不同于旅客列车的 一个很明显的特征，所以车钩强度的计算方法也就不同于普通客运列车，必须研究 一种新的方法来进行研究。 1 2 2 缓冲器研究现状 目前对缓冲器的研究主要集中在缓冲器的4 个关键指标：阻抗力( 冲击力) 、 吸收容量、工作行程、能量吸收率。这4 个关键指标进行缓冲器的设计和动力学分 析【1 4 j 的基础。但是由于目前国产车钩存在车钩间隙，为了消除车钩间隙所带来的 附加冲击力，缓冲器一般都有初压力，所以缓冲器初压力【l5 】也应该作为缓冲器优劣 的一个性能指标【博1 。但是目前对缓冲器初压力的分析、计算还是比较少，一个合理 的初压力不仅能够提高缓冲性能，提高乘客舒适度，而且对缓冲器的强度也有所影 响。 冲击力是4 个指标中最关键的一个，冲击力是缓冲器要消除的力，其产生原因 有二：一是运行中的列车制动时，在开始一段时间的任一时刻，前后车辆间的制动 力不一致，前面车辆制动力较大而加速度明显变化，后边的车辆制动力较小而加速 度不明显，这就造成列车间的纵向冲击【l3 1 ，二是调车作业时动车对静车连挂时冲击 造成的。要提高列车运行的安全性和平稳性，就必须减小冲击力，选择合适的缓冲 器就可以有效减小冲击力，而要选择合适的缓冲器就要必须进行动力学方面的分析、 计算。 关于铁道列车纵向冲击力问题的计算分析，由于引起的原因很多所以其数学模 型包括各种因素【l6 1 ，其中最重要的就是对缓冲器进行动力学分析。进行缓冲器的动 力学分析一般是建立缓冲器的数学模型运用缓冲器的弹性原件和阻尼原件。缓 冲器动力学主要是分析如图l l 所示的缓冲行 程曲线( 也叫特性曲线) ，冲击缓冲曲线下的面 积称为缓冲容量，而冲击缓冲曲线与回弹缓冲 曲线之间包围的面积就是整个缓冲过程所吸收 的能量。我们动力学分析的目的就是要尽可能 准确地计算出缓冲行程曲线以便检验缓冲器的 性能。 国内关于缓冲器动力学方面的研究以四方 车辆研究所和西南交大车辆研究所最为出名， 西南交大李芾教授带领下的团队不仅对缓冲器 4 2 0 力 吴1 0 2 0 5 01 0 0 1 5 0 位移s m m 图1 1 缓冲特性曲线 f i g l - 1c u s h i n gc u r v e s 的动力学方面研究突出，而且在整车的动力学研究方面也相当突出。他们总结出缓 冲器特性研究的一套几乎完善的方法，并且西南交大黄运华博士提出了缓冲器特性 曲线间断点的4 种算法n 引：时间法、速度法、位移法及力平衡法。其他的一些研究 也是在理论分析的基础上建立数学模型，然后用编写的仿真程序进行计算 。国外 在动力学方面的研究主要是以安全性和舒适性为主。u i c 对动力学分析以碰撞为主， 对车体结构碰撞能量的吸收做了很完整的规范，英国的gl u 不但对缓冲器的撞击性 能进行了完整的分析计算而且对整车在不同工况下制动和连挂也进行了撞击性能研 究n 踟n 引，采用的方法是运用多体动力学建立数学模型然后进行计算、分析。日本对 这方面的分析主要以乘客的舒适度为中心进行动力学分析幢们乜，通过物理模型建立 数学模型，然后编写程序计算特征值，用来模拟列车的振动和乘客的舒适度。 国内研究一般都基于货车不同制动力不同工况下的动力学分析，对地铁调车作 业的分析几乎还是空白。 针对密接式车钩最大车钩力出现在调车作业时的这种特性进行动力学分析是很 有必要的。对于上述的4 个关键指标，由于采用新工艺新型密接式车钩缓冲器车钩 间隙非常小，所以车钩的初压力在分析的时候不考虑在内，本文动力学主要研究车 钩缓冲器调车作业时阻抗力、缓冲器容量和能量吸收率。 1 3 车钩缓冲器结构及其工作原理 本研究所用车钩缓冲器是新设计的适合国产a 型车使用的棱锥钩头密接式地铁 车钩缓冲器乜引。 1 3 1 车钩分类 a 型车用车钩缓冲器包括自动车钩缓冲器、半自动车钩缓冲器和永久性车钩缓 冲器三种类型。 自动车钩缓冲器如图1 - 1 所示，自动车钩的设计可保证两列车的自动连挂，并 吸收牵引和压缩力。在机械连接完成时，列车之间的电气和气动连接也自动完成。 解钩可从司机室操作完成，或在轨旁手动完成在解钩后和列车分开后，车钩又准 图1 2 全自动车钩 f i g l 2 a u t o m a t i c 周t - 3 半自动车钩 f i gl 3s e m ia u t o m a t i c 医西科技厶堂硕士堂鱼论塞 备好重新连接。 半自动车钩缓冲器如图1 - 2 所示，半自动车钩的设计可保证列车内单元之间的 自动连挂，并吸收牵引和压缩力。在单元间机械连接完成后，紧急制动列车线和主 风缸管的连接就自动完成了，其它单元间的列车线通过跨接线用手动方式连接。解钩 在轨旁手动完成。在解钩后， 半永久性车钩缓冲器 如图1 3 所示，半永久车钩 只进行手动机械连接列车 单元，不进行解钩操作。 三种车钩以自动车钩 结构最为复杂，故本文选 自动车钩作为研究对象。 1 3 2 车钩工作原理 车钩又准备好重新连接。 。图l - 4 半永久车钩 f i 9 1 - 4s e m ip e r m a n e n tc o u p l e r 图1 - 4 自动车钩作用原理 f i g l 4 t h et h e o r yo fa u t o m a t i c 车钩组装后如图1 4 所示，图中1 壳体、2 钩舌、3 中心杆、4 钩锁连接杆、5 钩锁连接杆弹簧、6 钩舌杆、7 - 钩舌杆止动块、8 杆项块、9 项块止动块、1 0 解钩 风缸。组装后要求达到三态，连挂准备位、闭锁位、解钩位，三种状态由钩舌不同 的位僭实现： 6 1 连挂准备位：如图( a ) 所示，钩舌杆6 被固定在连挂准备位，钩锁连接杆弹簧5 在最大拉伸状态，钩锁连接杆4 退至凸锥体内，钩舌上的钩嘴对向外方。 2 闭锁位：如图( b ) 所示，相邻两钩的凸锥体伸入对方的凹锥孔并推动杆顶块8 ，使 其摆动迫使钩钩舌杆6 离开连挂准备位，钩锁连接杆弹簧5 的恢复力使钩舌2 逆时针转动并带动钩锁连接杆4 伸进相邻车钩钩舌2 的钩嘴中，完成两钩的闭锁 位。 3 解钩位：如图( c ) 所示，司机操纵按钮，控制电磁阀使解钩风缸1 0 充气，风缸活 塞杆推动钩舌2 顺时针转动，使两钩的钩锁连接杆4 脱开对方的钩舌的钩嘴，同 时使钩锁连接杆4 克服钩锁连接杆弹簧的拉力，缩进钩头锥体内这时杆顶块8 控制钩舌杆6 使钩舌处于解钩位。 1 3 3 缓冲器结构及工作原理 目前已投入运营或正在设计制造的地铁车辆中钩缓系统的缓冲器其基本类型有 两种：流体静压缓冲器及液气缓冲器。 1 ) 流体静压缓冲器结构形式如图1 5 所示， 流孔、5 缓冲介质、6 导套。其工作原理是： 缸体内充满了缓冲介质，当有外 载作用于导套，导套就推动活塞杆向缸 体内移动，缓冲介质受到活塞杆的挤 压，要从无杆腔流动到有杆腔，在流动 的过程中产生节流阻力序，同时由于活 塞杆压入缸体内，充满于缸体内的缓冲 介质就受到压缩，对活塞产生一个反力 石，所以在整个作用过程中的缓冲力阿 节t 后；当缓冲器被压缩至工作行程结束 时，厅= o ；此时缸体内仍存勘， 该压缩反力后要将活塞杆推回原 位。活塞杆回复至原位的过程中， 要产蛳，当昨 ，活塞杆可以 回到原位，即p 诉一 。缓冲力的 表达式为：产而+ h + 删，式中： 为器件中的初始压力，| | 为与缓冲介 质压缩率有关的刚，x 为缓冲器的位 移，c 为阻尼系数，1 ，为冲击速度 其中1 缸体、2 活塞杆、3 挡圈、4 节 图1 5 流体静压缓冲器 f i g l - 5f l u i ds t a t i cp r e s s u r eb u f f e r 7 图1 6 液气缓冲器 f i g l - 6h y d r o - p n e u m a t i cb u f f e r 壁鱼塑坠茎坠垡邀 2 ) 液气缓冲器结构形式如图1 6 所示，其中1 氮气缸、2 - 油缸、3 销轴阀、4 主活 塞、5 隔离活塞、6 阻尼孔、7 储油室。其工作原理是： 缓冲器主要由一个带有氮气室和储油室的主活塞、一个能储存大量液压油的缸 体和一个缓冲器头组成。主活塞中的气室和储油室由一个隔离活塞分开。当撞击发 生时，主活塞被撞入缸体内，压缩油缸中的液压油使之通过阻尼孔进入储油室推动 隔离活塞，使气室中的氮气受到压缩产生高压，撞击结束后，具有高压的氮气反过 来推动隔离活塞将储油室中的液压油压回油缸，完成缓冲器的复位。 1 4 论文研究的内容及方法 1 4 1 论文研究内容 论文研究主要包括车钩缓冲器的强度研究和车钩缓冲器的动力学研究。 车钩缓冲器的强度研究主要包括钩体的强度研究和钩体内部主要连接件的强度 研究，校核强度是否满足额定载荷。在保证最大应力的基础上对钩体进行减重，并 对钩体内部各连接件进行优化。在保证车钩整体强度的基础上根据各个零件的强度 优化零件材料。 车钩缓冲器的动力学研究包括：车钩钩体部分的固有频率分析：构建缓冲器的 本构方程，计算缓冲器的弹性系数和阻尼系数：建立车体的动力学数学模型，对不 同车组在不同速度下调车作业进行动力学进行研究，在保证车钩强度的基础上对调 车极限速度进行计算。 1 4 2 论文研究方法 1 ) 强度分析 采用s o l i d w o r k s t 2 3 1 软件对车钩缓冲器进行三维实体建模，根据车钩零件之问的 装配关系求解各个零件受力情况，然后运用c o s m o s w o r k 2 4 1 对关键零件进行离散 化、施加边界条件进行强度计算。 2 ) 动力学分析 首先根据缓冲器的实际情况建立参数化的弹性系数和阻尼系数，这是动力学分 析的基础，也是本研究的创新之处。然后在a d a m s t 2 5 卜【2 7 1 中建立车钩缓冲器数学模 型，对不同车组在不同速度下调车作业时车钩缓冲器的纵向冲击载荷进行计算。通 过定义缓冲器的弹性系数和阻尼系数来寻求合理的调车冲击速度。 1 5 论文章节安排 第一章，绪论，介绍了车钩缓冲器研究背景以及地铁车钩缓冲器的结构和工作 原理，并提出了本论文的研究内容和方法。 型壑鲎丝堑塑丝型塑塑垒幽 第二章，利用s o l i d w o r k s 建立车钩缓冲器零件模型，运用有限元方法对关键零 件进行强度分析，检验在额定载荷下车钩关键零件是否满足强度要求。对某些零件 的材料和加工工艺给出了建议。 第三章，对钩体部分进行了模态分析，保证车钩缓冲器不会因为共振而破坏。 第四章，只考虑车钩刚度，在a d a m s 中运用线形动力学理论对车钩受力进行了 仿真分析，并总结了不同车组调车作业的基本规律。 第五章，运用数学方法建立了缓冲器的本构方程，在a d a m s 中建立整车数学模 型，根据第四章结论对6 车编组不同的调车速度计算了车钩缓冲器的冲击力和缓冲 器的行程及吸收率的仿真计算。 第六章，对理想缓冲特性曲线的设计方法提出了新的思路。 第七章，全文总结与展望。 9 医西型技厶堂亟士学鱼论文 2 车钩缓冲器强度分析 2 1 设计准则 2 1 1 建模准则 构建模型的几何，是建模中最费时间与精力的一项任务。许多专用有限元软件 与某些c a d c a e c a m 软件留有接口，其根本原因是借助于后者强大的几何造型功 能，如实体、曲面、曲线的专用功能以提高效率。比如p r o e 和a n s y s 之间就有专 门的接口。其次，专用有限元软件本身虽然也有建模功能，但是c a e 软件与c a d 软件侧重点不同，对于复杂模型就不能准确反应模型的几何信息。这里必须指出的 是构建几何模型的唯一目的就是为了进行划分网格、加载荷与约束，所以必须设计 好在何处用何种网格，在何处加载，以及在何处施加约束条件 一般来说，仿真模型包括两方面内容 2 s t ：一是仿真的几何模型，一是仿真分析 的问题抽象模型。仿真几何模型建立有两种方法：一是应用c a d 建模，一是应用c a e 建模。c a d 建模工具强大而且可以精确逼近几何对象的真实几何，但是不足之处是 导入c a e 软件时存在难以转换的问题。c a e 建模的效率和准确度不如c a d ，而且复 杂几何体很难 建立模型。仿 真分析问题的 抽象模型建立 难度较大，而 且根据任务的 不同，模型也 会发生变化。 本文所研 究的钩体几何 信息复杂，在 常用通用有限 元软件 a n s y s 中很 难建立其模 型，在p r o k e 中建立几何模 型完全可以， 图2 1 铸件模型 f i 9 2 - 1c a s t i n gm o d e l 1 0 型壑鲎丝丝墼墼垫型塑墼垄塑堑 但是导入a n s y s 中时却只能导入面信息而没有实体信息。所以寻找一款集成的 c a d c a e 软件是研究的关键。s l i d w o r k s 作为一款中端c a d 软件本身集成了强 大的有限元分析软件c o s m o s w o r k ，对于分析能得出近似的结果，符合研究的需 要。 精确地反映车钩的几何信息是进行强度分析的保障。对于倒角和圆角小于2 r a m 的特征不在模型中表现出来，目的就是避免在划分有限元网格时发生网格畸变，以 致进行强度分析的时候出现应力集中，造成分析不准确。 2 1 2 强度准则 强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的强度极限。对一次断裂来讲，应 力不得超过材料的强度极限；对疲劳破坏来讲，应力不得超过零件得疲劳准则【2 引。 本文所研究的车钩缓冲器不属于一次断裂，但是等效为强度极限来进行分析。 2 2 车钩缓冲器实体建模 2 2 1 零件实体建模 1 ) 壳体 壳体为整体铸造，内部 型腔复杂，所以采用 s o l i d w o r k s 的模具工具进行 造型。首先建立壳体外形，命 名为“壳体外形p n ”，壳体 外形是在圆锥的基础上进行 “拉伸切除特征”造型：然 后建立壳体内部型腔实体， 命名为“壳体型腔p n 。两 个实体零件模型建立完成 后，以“壳体外形p n ”为实 体基础，利用模具工具在选 定的分型面上采用“型腔一 工具在“壳体外形p r t ”内部 去掉“壳体型腔p r t ”。 图2 2 壳体模型 f i 9 2 - 2c o u p l em o d e l 壳体外壳有支撑座与壳体焊接，支承座主要起到支撑电气风管接口的作用。壳 体加上支承座后如图2 2 所示。对壳体各部分名称介绍见附录。 2 ) 壳体内部零件 壳体内部主要零件包括，钩锁连接杆，钩舌和中心杆。实体模型如斟2 ，3 所示 圜2 - 3 内部零件 。飞 2 3 车钩受力分析 2 3 1 壳体受力分析 根据研究要求，车钩壳体的拉压强度为6 2 0 m p a ，整个车钩纵向拉压载荷 8 9 0 k n 。内部零什强度应在满足拉压载荷的基础上，强度不大于车钩壳体拉压强度， 以保证整个 车钩的强 度。零件由 于车钩在正 常使用的工 况下所受的 载荷远低于 拉压强度 即使在纵向 力很大的作 用下，由于 强度不足发 生断裂的可 能性也不 大，但在实 际使用过程 2 图2 4 内部零件受力关系 f i 9 2 - 4 t h e i n n e r p a r t sr e l a t i o n s h i po f f o r e 。爹 密接惑地迭车钩缍冲器强廑和麴力堂分蚯 中可能在远低于断裂强度的循环载荷作用下发生疲劳破坏，所以从提高钩缓装置强 度的角度出发，本课题研究车钩的强度以6 2 0 m p a 作为衡量极限的标准1 。 根据图1 4 ( b ) 所示的车钩连挂关系，壳体面板承受压缩载荷；又如图卜4 ( a ) 所示的车钩装配关系，中心杆装配在壳体上，所以在拉伸时壳体也承受拉伸载荷。 2 3 2 内部零件受力关系分析 内部零件装配关系如图2 - 4a ) 所示，其中1 钩舌，2 钩锁连接杆，3 钩舌杆， 4 中心杆。他们可以简化b ) 所示的四边形关系，左右边线关于中心点化线对称。上 下两条边代表简化的钩舌，左右两条边代表简化的钩锁连接杆。假设上部钩舌受到 力f 作用，由于两个钩舌连接杆关于钩舌简化线对称，那么钩舌连接杆上受力f i 、 分别为f 2 。这也就说明了在受拉压载荷f 的时候一根钩锁连接杆只承受拉f 2 ，而中 心杆和钩舌承受载荷为f 。 2 4 壳体强度分析 进行强度分析也就是静载荷分析，分析一般有三个步骤【3 0 】： 1 前处理：指定材料属性，主要包括材料的弹性模量和泊松比；施加载荷和边界 约束；进行模型的有限元网格划分。 2 求解：指定解算器类型进行求解。 3 后处理：对求解结果进行信息提取，分析计算结果。 2 4 1 前处理 1 材料属性 壳体材料为z g 3 5 c r m o ，壳体经过热处理，表面喷丸强化，强度极限o b 6 2 0 m p a ， 分析时取6 2 0 m p a 。根据材料性能可知材料的弹性模量e = 2 1 0 g p a ，泊松比扣0 2 8 。 2 施加载荷和约束 由于壳体和缓冲器之间，以及壳体和壳体连接后接触表面之间都可能存在间隙， 所以载荷和约束分别计算四种情况，第一种是壳体在承受压缩载荷时，面板受到压 缩力的作用，壳体尾部端面完全约束，第二种是壳体在承受压缩载荷时，面板完全 约束，壳体尾部端面受到压缩力的作用；第三种是在承受拉伸载荷时壳体中心杆孔 受拉伸载荷，壳体尾部圆锥面完全约束。第四种是在承受拉伸载荷时壳体中心杆孔 位置完全约束，壳体尾部圆锥面受拉伸力。其中第一和第三种情况是考虑到壳体和 缓冲器之间是无间隙配合，第二和第四种情况是考虑到壳体和壳体接触面板之间是 无间隙配合。 3 网格类型介绍 c o s m o s w o r k 中有限元网格的分类包括实体网格、壳网格。对于复杂造型则 1 3 使用混合网格，也就是同时使用实体网格和壳网格1 3 1 】。 实体网格主要对厚度比较大的实体进行网格划分，网格 类型为抛物线四面体单元，抛物线四面单元由四个边角 节、六个中侧节和六条边线来定义，如图2 5 所示。对 于结构算例，实体单元中的每个节都有三种自由度，分 别代表三个正交方向上的平移。该软件在以公式方式阐 述问题时，使用的是整体笛卡尔坐标系的x 、y 和z 方向。 壳网格主要对薄壁实体进行网格划分，网格类型为 抛物线三角形面单元，抛物线三角形单元由三个边角 节、三个中侧节和三个抛物线边线来定义，如图2 - 6 所 示。对于通过使用中面的壳网格选项生成的算例，将自 动从模型的几何体中提取单元的厚度。外壳单元是能够 承载膜片和折弯载荷的2 d 单元。对于结构算例，外壳 单元中的每个节都有六种自由度，三种是平移自由度， 三种是旋转自由度。平移自由度是沿全局x 、y 和z 方向的运动。旋转自由度是绕全局x 、y 和z 轴的旋 转。 网格控制参数如下： 指定实体的单元大小( e ) 单元增长比率( r 单元层数( n ) 图2 5 f i 9 2 5 图2 - 6 抛物线三角形单元 f i 9 2 - 6p a r a b o l at r i a n g l e 假定用于网格化实体的单元大小为( e ) r ，则自实体延展的各图层的平均单元大 小将为：e 、e * r 、e r 2 、e r 3 、e + m 。如果计算出的图层平均单元大小超过了( e ) ( 其中e 是全局大小，该程序将转而使用( e ) 。如果指定的图层数( n ) 对于平滑 过渡而言过小，该程序会自动添加更多图层。网格会从顶点延展到边线，从边线延 展到面，从面延展到零部件，再从零部件延展到连接的零部件。 对于划分网格还必须执行雅可比检查。与相同大小的线性单元相比，抛物线单 元映射曲面几何体的精度要高得多。单元边界边线的中侧节被置于模型的实际几何 体上。在尖锐度或曲度极大的边界中，在实际几何体上放置中侧节会导致生成边线 相互交叉的扭曲单元。极度扭曲单元的雅可比值会变为负值。雅可比值为负的单元 会使分析程序停止运行。雅可比检查基于每个单元内存在的点数。 4 壳体网格划分 1 4 e l 一壳体薄厚币均匀，最薄处也有8 r a m 所以选