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(车辆工程专业论文)电机直接驱动动车转向架方案研究及动力学分析.pdf.pdf 免费下载
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西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 直接驱动动车转向架的研究和开发是城轨车辆领域国际性前沿课题。随 着相关科学和高新技术的迅速发展,研究实用的电机直接驱动的动车车辆成 为可能。国外刚开始研究、开发和制作电机直接驱动的直接驱动动力车。为 减小与国外的差距,我国应加快在此领域里的开发和研究,以适应我国城市 轨道交通的运输需要,促进、协调我国经济既快又好的发展。 在充分研究国内外城市轨道交通车辆发展的基础上,以德国西门子研制 的s y n t e g r a 新型转向架样车照片为参考模型,经过认真分析并仔细推敲,建 立样车仿真模型,绝大多数参数是在参照其它城市轨道车辆参数并结合样车 的特性而初步确定的,经过动力学仿真研究后进行了适当的调整。主要研究 内容: 详细阐述电机直接驱动的动车转向架结构的总体方案,并对其导向原理 进行了理论分析;然后在参考现有城轨车辆动力学仿真模型的基础上,利用 多刚体动力学仿真软件s i m p a c k 建立电机直接驱动的直接驱动动车的动力学 模型,进行了大量的仿真计算和分析。计算内容主要包含直接驱动动车参数 优选和确认,在参数优选的基础上再进行动车的非线性临界速度的计算、各 参数变化对动车垂向、横向稳定性和动态曲线通过性能的影响。 直接驱动是一种新型的驱动方式,对其应用范围还不明确,本文以同步 电机扭矩为出发点,以样车牵引力为依据,按城轨列车的编组方式对其适应 性进行了计算。 计算和分析表明:直接驱动动力车结构简单、实用,具有良好的曲线通 过性能和制动性能,牵引能力也比较强,比较适合于城市地铁车、轻轨车等。 论文工作为我国研究、开发这种直接驱动的动力车做了一些前期准备。 关键词:直接驱动;同步电机;动力车;转向架方案:曲线性能 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i r e c t d r i v em o t o rc a l b o g i ea r et h e f o r e f r o n ti n t e r n a t i o n a li s s u e si nt h ef i e l do fu r b a nr a i lv e h i c l e s w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h er e l e v a n ts c i e n c ea n dh i g h - t e c h ,i ti sp o s s i b l et or e s e a r c h p r a c t i c a ld i r e c t - d r i v em o t o rc a ln o w t h i sm o t o rc a ri sb e i n gr e s e a r c h e d ,d e v e l o p e d , a n dm a n u f a c t u r e da b r o a d i no r d e rt or e d u c et h eg a pw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s ,o u r c o u n t r ys h o u l ds p e e du pd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h i n t h i s f i e l d , t om e e t t r a n s p o r t a t i o nn e e d so fu r b a nr a i lt r a n s i t , p r o m o t ea n dc o o r d i n a t et h ed e v e l o p m e n t o fc h i n a se c o n o m i cq u i c k e ra n db e t t e r a f t e rf u l l yr e s e a r c h i n go ft h eu r b a nr a i lt r a n s i tv e h i c l ed e v e l o p m e n ta th o m e a n da b r o a da n dt h ep h o t o so ft h es y n t e g r an e w b o g i es a m p l ev e h i c l ew h i c hi s r e s e a r c h e db yg e r m a ns i e m e n s ,w eb u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es a m p l e v e h i c l ew i t hc a r e f u la n a l y s i s m o s to ft h ep a r a m e t e r so ft h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h es a m p l ev e h i c l ea r ed e t e r m i n e dp r e l i m i n a r i l yb yr e f e r r i n gt ot h ep a r a m e t e r so f o t h e ru r b a nr a i lv e h i c l e sa n dc o m b i n i n gw i t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l ev e h i c l e s o m ep a r a m e t e r sa r ea d j u s t e da f t e rd y n a m i cs i m u l a t i o nr e s e a r c h t h e r ea r et h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s : t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sd e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tg e n e r a ls c h e m eo ft h e m o t o rc a rb o g i es t r u c t u r ew h i c hi sd r i v e nb ym o t o rd i r e c t l y , a n dp r o c e e d s t h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h e d i r e c t i o n p r i n c i p l e a n dt h e nb u i l d s t h ed y n a m i c s i m u l a t i o nm o d e lo ft h em o t o rc a rw i t hm u l t i - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r e s i m p a c kb a s e do nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fe x i s t i n gu r b a nr a i lv e h i c l e t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sm u l t i t u d es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s c a l c u l a t i o n c o n t e n t sm a i n l yc o n t a i n sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n dd e t e r m i n a t i o nf o rt h em o t o r c a r a n dt h e nt h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sn o n l i n e a rc r i t i c a ls p e e dc a l c u l a t i o nf o rt h e m o t o rc a r , a n ds t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fe a c hp a r a m e t e rv a r i a t i o no nt h eh o r i z o n t a l s t a b i l i t y , v e r t i c a ls t a b i l i t y , a n dd y n a m i cc u r v en e g o t i a t i o np e r f o r m a n c e d i r e c t - d r i v ei san e wd r i v i n gm o d e ,a n di t sa p p l i c a t i o ns c o p ei sa m p h i b o l o u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 r e g a r d i n gm o t o ri n p h a s et o r q u ea st h es t a r t i n gp o i n ta n db a s i n go ns a m p l ec a r t r a c t i o n f o r c e ,t h i s d i s s e r t a t i o nc a l c u l a t e st h e a d a p t a b i l i t ya c c o r d i n gt o t h e g r o u p i n g - m o d eo f u r b a nr a i lv e h i c l e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r u c t u r eo ft h ed i r e c t d r i v e m o t o rc a ri ss i m p l ea n dp r a c t i c a l ,i th a se x c e l l e n tc u r v en e g o t i a t i o np e r f o r m a n c e a n db r a k i n gp e r f o r m a n c e ,t h et r a c t i v ea b i l i t yi sr e l a t i v e l y s t r o n g ,s oi ti ss u i t a b l e f o ru r b a ns u b w a yv e h i c l e s ,u r b a nr a i l v e h i c l e s ,e t c t h i sd i s s e r t a t i o nw o r k st o m a k ep r e v i o u sp r e p a r a t i o nf o rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gd i r e c t d r i v em o t o r c a r k e yw o r d s :d i r e c t d r i v e ;m o t o ri n - p h a s e ;m o t o rc a r ;b o g i ep r o g r a m ;c u r v e p e r f o r m a n c e 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本学 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。 本学位论文属于 1 保密口,在年解密后适用本授权书; 2 不保密口,适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名:否匙壁、杰、指导教师签名:茑石垴 日期: 渺7 年7 月多日 日期:扫。7 年7 月么日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下独立 进行研究工作所取得的成果。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已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体,均已在本文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:形。匀刁 日期:7 年7 月日 - 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 目前,电机直接驱动的动力转向架的研究和开发是城轨车辆领域的国际 性前沿课题。近年来,城市轨道交通因其节能、环保、高效等优点而迅速发 展,随着对车辆运行性能要求的提高和相关科学技术发展,使得研究实用的 城轨车辆动力转向架成为需要和可能。因此要加快在此领域里的开发和研究, 以适应我国城市轨道交通发展的需要。 1 1 选题背景 随着全球工业化、城市化的日益发展,世界各国大型城市的人口迅速增 加,汽车数量剧增,特别是私人汽车成倍增长,使得城市交通日益拥挤,各 国都在寻求发展与之相适应的城市交通工具。城市轨道交通因其具有运量大、 速度快、准时、高效、节约能源、环保、占地少、乘坐舒适等优点而迅速发 展。城市轨道交通有效缓解大城市交通压力,在一定程度上调和了城市发展 和环境保护矛盾,所以发展城市轨道交通是解决城市公共交通问题的根本途 径,也是城市可持续发展战略的必然选择。也因此城市轨道交通自问世以来 就得到了重视和迅速的发展,一直作为大型城市中最重要的交通运输工具之 一。 轻轨、地铁作为典型的公用交通工具,行业垄断性和排它性极高,“资 源稀缺”概念十分突出。随着国际化大都市进程的加速发展,轻轨、地铁作 为市民上班、出行的主要交通工具将获得较大的发展机会。各国研制了种类 繁多的轻轨列车、地铁列车,体现了社会需求的多样性,也体现了轻轨车辆、 地铁车辆的复杂性。我国有必要在借鉴国外经验的基础上研究出适合我国国 情的轻轨车辆、地铁车辆的形式。下面简单介绍一下对轻轨车辆、地铁车辆 的一些基本要求n 1 : ( 1 ) 乘客的乘坐舒适度: ( 2 ) 车辆的稳定性( 主要指蛇形运动、脱轨、车辆倾覆等的稳定性) ; ( 3 ) 通过曲线时的磨耗性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 进入2 0 世纪7 0 年代,各大工业国家尽管受到能源危机的影响,公路交 通和航空运输仍然得到了高速的发展,有轨车辆的生存空间有所被挤压。但 是随着城市化的进一步发展,城市环境污染和资源短缺日益严重,因此近年 来轨道交通重新受到了重视并得到了较快的发展。与此同时轨道交通在技术 上也取得了长足进步,对城市轨道车辆的关键部分转向架的研究也有了新的 进展,提出了和设计了新型的动车转向架。如德国西门子开发的新型s y n t e g r a 动车转向架,它集高效、低自重和环保于一体。理论计算及试验研究表明, 应用这种走行装置,其性能明显优于传统的走行装置嘲。 本论文在充分研究国内外城市轨道交通车辆发展的基础上,为提高我国 城市轨道技术与实现城市轨道系统国产化而做出相应的理论研究与探索。 1 2 国内外发展的情况 现代城市轨道交通车辆的类型一般可以分为a 型、b 型、c 型和低地板轻 轨车。其中,低地板轻轨车又可分为7 0 低地板和1 0 0 低地板2 种。目前, 同时具有发展城市轨道交通的现实需要和经济实力的城市多为客流量大的大 中型城市,其快速轨道交通系统发展的主流是以a 型车或b 型车为基础,基 本编组单元多为2 m + i t 的电动车组立体化运行。整个轨道交通系统正朝着地 下铁道、高架轻轨和近郊地面三位一体的立体化、网络化方向发展。采用w v f 交流传动技术和轻量化不锈钢车体的b 型车,能够满足我国一些城市轨道交 通系统的发展要求,并有一定的技术经济性,其走行部为轻量化、低噪声的 无摇枕转向架。 目前先进的铁路机车大都是在使用三相交流异步电机的基础上研制和开 发的驱动装置。其驱动、走行、制动基本上都是由独立的部件来执行,但它 们之间是可以相互协调的,其技术水平反映在部件优化过程中改进的各种子 系统。这些子系统一起组成一个动车转向架,广义地说就是一个动轮走行装 置引。 转向架是轨道交通车辆的重要技术部件,它除了发挥支承、导向和隔振等 重要作用外,还要起传递发挥牵引力和制动力的作用,对车辆的运行性能起着 决定性的作用。与干线铁路相比,城市轨道交通有以下特点: ( 1 ) 间距短,启停频繁,对牵引和制动性能要求很高; ( 2 ) 曲线半径小,对走行部要求高; 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 ) 线路坡度大,可达3 0 4 0 ; ( 4 ) 空重车质量差大; ( 5 ) 行车密度大,最短行车间隔可达1 5 m i n - , 2 m i n ,自动控制程度高; ( 6 ) 运行环境特殊,安全可靠性要求高; ( 7 ) 对噪声要求严格; ( 8 ) 需满足城市总体风格和居民的审美要求,车辆造型和色彩要求极富 创造性。 对于转向架的运行稳定性、轻量化、低噪声、高可靠性、易维护及特殊 的运行环境必须给予足够的重视。转向架对车辆的运行性能和行车安全至关 重要,对轨道交通系统运行的经济性有重大影响。所以在满足转向架性能要 求的前提下,设计中尽可能采用简单可靠的结构;各运动部件要尽可能实现 无磨耗或少磨耗的结构形式;要求具有较高的互换性,便于转向架的运用维 修;在转向架一、二系悬挂处应考虑易于加垫调整车辆高度;在最不利的情 况下,所有转向架的零部件均能保证车辆的安全运行。 我国城轨交通车辆多采用b 型车,其走行部为轻量化、低噪声的无摇枕 转向架。转向架分为动车转向架( 图1 - 1 ) 和拖车转向架( 图1 - 2 ) 。动车转向架 采用f l o 一& 轴式,在动车转向架的每根车轴上装有1 台交流牵引电动机、齿轮 传动箱和联轴器。动车转向架与拖车转向架相比,除轴箱弹簧的特性参数不 同外,其他零部件可完全互换。 图卜1 动车转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 2 拖车转向架 对于轻轨、地铁动力车的驱动系统来说,它一般包括一个牵引变流器, 这个变流器给2 个或4 个并联的异步牵引电动机供电。为了把牵引电动机的 转矩传递给动轴,必须有一个传动齿轮组,这是因为异步电动机在现有的结 构空间里自己不能产生足够大的转矩。而这个传动齿轮组会增加许多投资费 用,而且会产生能量损失、噪音并增加维修保养费用。 以传动齿轮组为基础而设计的驱动系统有两种形式:一种是以弹簧进行 半减振的横向驱动装置,这种装置装有一个抱在轴上的传动齿轮装置和一个 悬挂在走形装置内以弹簧进行完全减振的牵引电动机。为协调小齿轮轴和牵 引电动机之间的运动,通过一个短的、加油润滑并装有万向节的联轴器传递 转矩。而另一种驱动系统是把牵引电动机和传动齿轮集成为一个单元并加以 弹簧进行全减振,这个单元全部悬挂在走行装置内的弹簧之上。为协调轮对 和驱动单元之间的运动,这里通过带橡胶的联轴器和一个相对较长带万向接 头的空心轴把转矩传递给轮对。 目前,国外刚开始研究、开发和研制电机直接驱动的动车转向架。例如: 西门子公司对动轮走行装置这个机电系统提出了一种创新设计,即把一个结 构简单的无传动齿轮的三相交流电动机代替现在的机械结构很复杂的牵引电 动机,其基础是永磁电机。新技术的第二个核心部分是全新的动轮走行装置 的设计理念。这样,牵引电动机将成为整个走行装置的一个组成部分。用内 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 置的电磁制动机代替了传统的贯通式机械制动机心3 1 3 发展趋势 国内外城市轨道交通的迅速发展,对轻轨车辆、地铁车辆的需求也日益 增加,与此同时轻轨车辆、地铁车辆供货市场的竞争也日趋激烈。纵观国内 外情况,城市轨道交通车辆走行部的发展趋势是轻量化、低噪声的无摇枕转 向架。城市轨道交通车辆有以下几方面的特征:方便乘客;绿色交通;利于维 护;易于制造;价格较低;驱动、走行、制动整合的优化。 城市轨道交通车辆的线路条件和走行特性与干线铁路车辆有很大不同, 如转向架的结构设计空间十分苛刻;载客量很大,运行环境特殊,安全可靠 性要求极高等等。这些因素的综合作用给城市轨道交通车辆转向架的设计带 来了特殊的困难。 总之,未来的城市轨道交通车辆设计力求造价低、维修量小,运营费用 低和对乘客有吸引力等优点。 1 4 论文的主要研究内容 ( 1 ) 电机直接驱动动车转向架方案的研究; ( 2 ) 直接驱动动车的牵引力适应性计算; ( 3 ) 建立电机直接驱动的动车转向架及其动车的物理模型,进行参数优 选,即分析一系、二系悬挂参数对该车性能的影响,确定优选的参数; ( 4 ) 按照优选的参数,分析直接驱动动车能通过的晟小半径和通过曲线 的各项动力学性能,得出结论; ( 5 ) 三角形导杆横向刚度对曲线通过性能的分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章直接驱动动车转向架方案研究 转向架作为铁道车辆的关键部件,其主要功能是支承车体载荷,并使车 辆沿轨道运行,所以转向架对车辆的运行品质、动力性能、安全性和经济性 起着决定性的作用。通过安装减振装置,使之具有良好的减振性能,以缓和 车辆和线路间的相互作用,减少振动和动应力,提高车辆运行平稳性和安全 性。电机直接驱动动车转向架的设计也必须保证上述性能,其设计内容不仅 包含转向架结构方案设计,还包括该车动力学性能的分析计算。 由于城市轨道交通车辆的轮对直径相对较小,因此电机的安装空间相对 比较小,这就决定了电机体积相对小,而电机体积决定着可利用扭矩的大小, 又由于是电机直接驱动,所以速度如何调节和电机可利用扭矩的大小是直接 驱动动车转向架设计成功与否的关键因素。 本章从转向架所涉及的传统机械制造原理和关键技术出发,并结合西门 子公司研发的使驱动、走行和制动装置完全体化的装置,分析得出我国直 接驱动动车转向架的初始方案。 2 1 转向架总体方案的研究和分析 2 1 1 转向架的结构原理 2 1 1 1 转向架的作用与组成 铁路运输发展的初期,世界各国大多采用将轮对直接安装于车体下面的 二轴车结构。由于要通过小半径曲线,二轴车的轴距不能太大,另外,车辆 载重、长度和容积均受到限制。后来所有的轨道交通车辆均采用了转向架, 车体坐落在两转向架上的结构形式。所谓的转向架就是把两个或者多个轮对 用专门的构架( 侧架) 连接起来,组成一个小车。转向架的作用如下n 1 : 1 采用转向架可增加车体的载重、长度和容积; 2 转向架相对车体可以自由回转,使较长的车辆能自由通过小半径曲线, 减少运行阻力与噪声,提高运行速度; 3 便于安装弹簧减振装置,保证车辆具有良好的动力性能和运行品质; 4 支撑车体,承受并传递从车体至轮轨的各种载荷及作用力,使各轴重 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 均匀分配; 5 便于安装制动装置,传递制动力,满足运行要求; 6 便于在转向架上安装牵引电机及减速装置,驱动轮对( 或车轮) ,使车 辆沿轨道运行: 7 转向架为车辆的一个独立部件,便于转向架的互换、制造和维修。 由于车辆的用途、运用条件与要求的不同,使得转向架的类型非常多, 结构各异。但它们又都具有转向架的共同特点,其基本组成部分和主要功能 是相同的。一般转向架的组成可分为以下几个部分口1 :轮对轴箱装置、弹性悬 挂装置、构架( 侧架) 、基础制动装置、牵引电机与齿轮变速传动装置、转向 架支承车体的装置。 2 1 1 2 转向架的一般分类 由于车辆的用途不同,运行条件的差异,制造维修方法的制约和经济效 益等具体因素的影响,对转向架的性能、结构、参数和采用的材料及工艺等 要求就有差别,因而出现了多种型式的转向架。各种转向架的主要区别在于口1 : 转向架的轴数和类型,弹簧悬挂系统的结构与参数,垂向载荷的传递方式, 轮对支承方式,轴箱定位方式,制动装置的类型与安装,以及构架、侧架结 构等方面。 转向架按有无动力方式来说,一般可分为动力转向架和非动力转向架两 种形式。所谓动力转向架就是有自己动力驱动装置的转向架,而非动力转向 架没有自己的动力驱动装置,主要只起支承作用n 1 。 2 1 2 转向架设计基本要求、特点、原则 2 1 2 1 基本要求 1 安全性要求 安全性是城市轨道交通车辆转向架设计的首要考虑条件,在转向架设计 时首先必须保证装有该转向架的直接驱动动车车辆在规定的线路条件下,不 会产生脱轨、颠覆和对轨道产生破坏。 目前对直接驱动动车车辆的安全性要求采用铁路车辆标准6 8 5 5 9 9 8 5 ( 铁 道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范进行评定。直接驱动动车转向架设 计除满足g b 5 5 9 9 8 5 中规定的脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、轮对导 向力、倾覆系数、磨耗功率的要求外,还必须考虑以下一些因素:转向架各 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 零部件必须满足强度设计要求,并达到技术规格书设定的设计寿命;转向架 的设计能保证蛇行运动的稳定性等。 2 平稳性要求 一般均以测量车体指定部位的振动加速度及其计算值作为评定平稳性的 指标。测量部位一般在车体地板或司机室。 g b 7 9 2 8 - 8 7 地下铁道车辆通用技术条件规定了城轨车辆的平稳性参照 铁路车辆标准g b 5 5 9 9 - 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范,其平 稳性指标值不大于3 0 。 3 互换性要求 直接驱动动车车辆动力转向架和非动力转向架在设计中除尽可能的采用 标准件外,还应满足以下几方面的互换性要求: a 在同一型号直接驱动动车车辆中,所有动力转向架彼此应能互换,所 有非动力转向架也能彼此互换,动力转向架与非动力转向架尽可能采用相同 的结构; b 相同功能的所有构架可以互换,具有相同功能的所有轮对可以互换。 4 噪声要求 直接驱动动车交通一般包含了地下、地面和高架3 种线路,因此直接驱 动动车交通所引起的噪声不仅影响直接驱动动车乘客,同时也影响直接驱动 动车沿线的周边环境。直接驱动动车交通的噪声来源有多种,主要包括轮轨 接触噪声、车载设备噪声等。 根据i s 0 3 0 9 5 标准的规定h 1 :当直接驱动动车列车在自由声场内以稳定速 度6 0 k m h 运行时,在距轨道中心7 5 m 处测量的等效噪声不得超过8 2 d b ( a ) ; 当列车在自由声场内静止时,在距轨道中心7 5 m 处连续5 秒测量的等效噪声 不超过6 9 d b ( a ) 。 i s 0 3 3 8 1 标准规定畸1 :当列车以8 0 k m h 的速度运行,而客室和司机室的车 窗关闭,所有辅助设备处于正常运转状态时,客室中心处噪声不得超过 7 3 d b ( a ) ,司机室中心处噪声不得超过7 5 d b ( a ) ;列车静止而所有机组运行时, 车内中心处的噪声不得超过6 8 d b ( a ) ;开关门时,在距门0 3 m 和离地板高1 6 m 处的噪声不得超过7 5 d b ( a ) 。 2 1 2 2 基本特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 良好的通过小半径曲线性能 直接驱动动车交通系统的线路往往受街道和建筑物的限制,要求曲线半 径尽可能地减小,一般为r = 8 0 m - 一l o o m 。同时,由于小半径曲线地段较多,使 轮轨间产生严重磨耗,造成曲线上的钢轨和车轮踏面的使用期限大大缩短, 换轨频繁,影响正常运输,这是目前在国内外直接驱动动车交通车辆运用中 出现的突出技术难题之一,必须予以解决。 2 减小城市交通噪声污染 噪声污染是当今城市中的主要公害之一。据统计,交通噪声约占城市环 境噪声能量的7 5 。直接驱动动车交通车辆之所以被用来替代公共汽车,其噪 声和空气污染较小是一个重要因素。直接驱动动车交通车辆的运行噪声与转 向架的结构有密切关系,所以应作为转向架结构方案选择时着重解决的技术 问题之一。 3 降低转向架的运行能耗 列车牵引能主要消耗在列车质量的加速动能;克服转动零件之间的摩擦 阻力和空气阻力等所消耗的能量;线路不平顺引起车辆振动所消耗的能;轮、 轨之间产生相对滑动所消耗的摩擦能和牵引能在转换中的损失等。特别是城 市轨道交通车辆的站距较短,停车频繁,要求起动加速快,故其加速动能消 耗为最大,约占总能耗的5 0 9 6 8 0 9 6 ,且此能耗与车辆的质量成正比。因此, 降低转向架质量对降低运行能耗有重要意义。此外,减小通过曲线时轮轨的 相对滑动率、减小转向架的空气阻力和车辆的振动等,对降低运行能耗也有 一定意义。 4 便于维护、检修 城市轨道交通车辆的主要任务是运送上下班职工和市民的出行,都是短 途乘客,而且车速又不太高,一般市区平均车速在3 5 k m h 左右,瞬时速度也 大都在6 0 - - - 8 0k m h 以下。因此,与转向架运行安全性指标要求相比,对转 向架运行平稳性指标的要求稍低,应摆在次要位置考虑。 2 1 2 3 基本原则 电机直接驱动动车转向架的设计与牵引电机的设计是同时进行的。电机 直接驱动动车的转向架结构设计要遵循机械制造中的一些典型设计原则乜1 , 如: 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 直接传递牵引力; 2 按静定系统设计; 3 避免结构件中叠加弯曲力和扭曲力; 4 结构件的数量尽量最少j 2 1 3 转向架的主要技术参数 从电机直接驱动动车转向架设计的基本要求、基本特点、基本原则出发, 根据我国技术水平和转向架的传统特点,再结合西门子所研制的s y n t e g r a 新 型转向架样车,试估计出电机直接驱动动车转向架结构的主要技术参数。主 要技术参数详见表2 1 。 表2 - 1 主要技术参数 名称( 单位)参数 设计最高速度( k i n h ) 1 3 0 运行最高速度( k i n h )8 0 1 0 0 轨距( 咖) 1 4 3 5 轮对内侧距( 衄) 1 3 5 3 2 固定轴距( 衄)1 6 0 0 轴重( t ) 1 4 车轮新轮直径( 衄) 6 9 0 车轮全磨耗直径( 咖) 6 3 0 一系弹簧形式钢弹簧 二系弹簧形式空气弹簧 空气弹簧横向跨距( 衄) 1 8 0 0 空气弹簧上平面距轨面高度( 咖) 7 0 0 8 0 0 牵引点高度( 衄)1 4 5 5 4 5 ( 中间上下双牵引拉杆) 制动形式内置式电力制动器( 常用) 转向架长度宽度( 衄)2 4 0 0 2 4 0 0 拟通过最小曲线半径( m ) 4 0 限界符合城市轨道交通a 型车限界 轴式 风一风 2 1 4 转向架的结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 转向架结构形式、参数决定了直接驱动动车车辆运行品质的好坏,因此, 转向架是决定城市轨道交通车辆成败的关键。 动车转向架必须具有运行平稳、噪声低、频繁启动和制动以及怠好的曲 线通过能力。国外轨道交通动车已经普遍采用无摇枕转向架,我国也有部分 城轨交通车辆的动车转向架采用了无摇枕转向架。这种转向架具有结构简单、 质量轻、维修简便等优点,它符合当代转向架向高稳定性、高可靠性、少维 护和轻量化方向发展的趋势。所以直接驱动动车车辆动车转向架多采用两轴 无摇枕转向架,它主要由构架,一系、二系悬挂装置,牵引驱动装置,制动 装置,轮对等组成嘲。 对于同型号的动车转向架和非动车转向架主要部件的结构及参数应该完 全相同,这样有利于两种转向架的互换性。动车转向架的结构图见图2 - 1 。 图2 - 1 动车转向颦 2 1 4 1 直接驱动动车车辆转向架构架 转向架构架属于承载构件,在具有足够强度和满足系统动载荷作用力的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 条件下,尽可能减小自重,以降低牵引能耗和减小动力作用,这是转向架构 架选择的基本出发点。为了进一步减轻构架自重,国外有的采用铝合金材料 或纤维复合材料制作但目前我国尚不具备采用这些材料的条件。常用的构 架有铸铜整体式结构、焊接式结构和铰接式结构等。 图2 - 2 新型动车转向架构架 a 一水平横粱;b 一纵向侧粱;硼接装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 3 新型动车转向架仰视图 f - - - - 角形导杆 直接驱动动车转向架构架采用无摇枕的h 型构架结构( 图2 2 ) ,由两根纵 向侧粱和一根水平横梁组成。侧梁与水平横粱通过铰接装置相互铰接在一起, 这样在走行装置的设计中,扭转柔性和摆动刚性之间就不会产生矛盾。在这 种转向架结构中,水平横梁承受大部分水平导向力( 很小一部分水平导向力由 一系弹簧的横向刚度来提供) ,而两根纵向侧梁作为弯曲梁主要起把列车重量 传递到一系弹簧的作用。在水平横梁上设计一个三角形导杆( 图2 - 3 ,f ) ,与 轮对的直接铰接装置杆相互铰接在一起,三角形导杆在轮对的连接侧是一块 硬平板,这样能对轮对进行非常精确的导向,一系弹簧几乎不起水平导向作 用。 转向架构架是转向架其它零部件的载体,在其上设置了各种安装座,包 括减振器的安装座、二系弹簧的安装座、牵引座等,因此除保证构架本身具 有足够的强度和刚度外,各种安装座也必须具有足够的强度和刚度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 4 2 直接驱动动车车辆的转向架轮对、轴承和牵引驱动装置 直接驱动动车车辆转向架的轮对一般由一根实心车轴和两个整体辗钢车 轮组装而成,车轮踏面多采用l m 磨耗型踏面( 本文采用l m 磨耗型踏面,详见 4 2 节) 。所谓的磨耗型踏面就是把车轮踏面一开始就做成类似磨耗后的稳定 形状。采用磨耗型踏面后,可明显减少轮与轨的磨耗、减少车轮磨耗过限后 修复成原形时旋切掉的材料、延长了使用寿命,减少了换轮、旋轮的检修工 作量。另外磨耗型踏面可减小轮轨间的接触应力,即能保证车辆直线运行的 横向稳定,又有利于曲线通过口1 。对于电机直接驱动动车转向架来说,实心车 轴就是电机的转子。 根据我国城市快速轨道交通工程项目建设标准( 试行本) 的规定( 一 般城轨车辆转向架的车轮直径为8 4 0 r a m ( 新轮) 7 7 0 硼( 磨耗到限) ) ,并结合西 门子所研制的s y n t e g r a 新型转向架,选择车轮直径为6 9 0 m m ( 新轮) 6 3 0 n , n ( 磨 耗到限) 。根据城轨交通的特点,车轮的最大不圆度应小于等于0 5 n m ,同一 轮对的车轮直径差不应大于0 5 m 。 直接驱动动车转向架的轴承是由轮对轴承和牵引电动机轴承合并而成共 用的主轴承,这个主轴承设计为内支撑形式。牵引电机和轮对共用的主轴承 采用圆柱滚子轴承。这种轴承的设计考虑了一体化支承的特殊使用条件。 牵引驱动装置应尽量采用传统的机械制造原理,如直接传递牵引力、静 定系统设计等。直接驱动动车转向架的牵引驱动装置采用直接驱动式牵引电 动机,它利用了直接传递牵引力的原理,即把驱动电机与负载车轴直接 连接起来,电动机产生的转矩不经齿轮而直接传递到车辆轮对上。这种设计 具有以下特点: 1 它可以省却齿轮传动装置,使得车辆驱动装置结构变得更加紧凑,重量 更轻,更省维修以及列车运行时铁路沿线噪声更小的特点; 2 它去掉传动齿轮后,必须按传动比相应增大牵引电机的转矩,而转矩大 小对电机体积、重量有决定性影响。 所以,一般对直接驱动式牵引电机要求转矩大、重量轻、结实可靠等盯1 。 2 1 4 3 直接驱动动车车辆转向架的轴箱和一系悬挂装置, 由于直接驱动动车转向架的主轴承是轮对和牵引电动机共用的轴承且设 计为内支撑形式,即牵引电动机的轴承盖同时也是轮对的轴箱,这样对主轴 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 承进行保养时可以方便地添加润滑油。 内支承轮轴与外支承的轮轴有所不同,它作用在车轮垂直方向上的轴承 力所产生轮饼弯矩的一部分抵消了由轮缘力所产生的轮饼弯矩,所以内支承 轮轴的载荷比外支承的轮轴的载荷有所减小。原理简图如图2 - 4 所示( 图中q 1 为内支撑的垂向力,m 2 是由q 1 引起的轮饼弯矩,f 1 是轨道对轮缘的力,m 1 是由f 1 引起的轮饼弯矩) 。另外内支承的走形装置所占空间尺寸明显小于外 置式,能更好的满足了建筑物接近限界窄的要求。 、 、 f h 2 1 1l l :i 。l a ,一 图2 4 内支撑轴承的轮饼弯矩简图 牵引电动机和轮对共用的主轴承轴箱用来安放一系弹簧装置。直接驱动 动车转向架的一系悬挂装置采用钢弹簧+ 橡胶垫+ 一系垂向减振器的方式。其 一系悬挂的垂向刚度、横向刚度主要由钢弹簧提供,而垂向阻尼主要由垂向 减振器提供,钢弹簧两端安装的是减振橡胶垫。 2 1 4 4 直接驱动动车车辆转向架的二系悬挂装置 直接驱动动车车辆转向架的二系悬挂装置主要由两个传统结构形式的空 气弹簧( 自由膜式空气弹簧) 、两个垂向液压减振器、一个横向液压减振器及 其辅助元件组成。此时可分别按抗摇摆刚度和走行舒适度的要求来设计空气 弹簧的附加容积、弹簧控制装置或者抗蛇行稳定器。由于枕梁安装位置低, 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 再加上与装在里面的侧梁相连接,所以空气弹簧能很好适用于转向架的设计。 空气弹簧的主要作用是承担车体的垂向及横向载荷。在空气囊和附加空 气室之间设置节流孔,利用节流孔的阻尼还可以有效的隔离振动且具有垂向 减振器的作用。空气弹簧具有质量轻、良好的隔音性能:还具有较小的横向 刚度,可以适应车体与转向架间的横向及回转运动。每个转向架的两个空气 弹簧配一个差压阀,保证两个空气弹簧的压差变化不大,如果一侧的空气弹 簧破裂时,差压阀使另一侧空气弹簧也随之把空气放掉,避免车体倾斜过大, 影响安全呻1 。 另外,空气弹簧在空重车载荷差较大的情况下,能保持车体地板面有恒 定的高度( 利用高度阀机构调节) ,便于乘客上下车,同时也能使车体在空重 车的不同载重状态下具有几乎相等的自振领率,保证在空车或重车下有相同 的运行平稳性。 2 1 4 5 直接驱动动车车辆转向架基础制动装置 直接驱动动车车辆对基础制动装置系统有较高的要求,主要表现以下几 个方面u 。: 1 具有较高的制动减速度,操作灵活,作用灵敏可靠,车组前后车辆制 动、缓解作用一致; 2 直接驱动动车车辆必须能达到定点停车,因此要求制动系统具有非常 可靠的制动性能,其制动距离误差较小,一般小于1 m : 3 直接驱动动车车辆一般要具有动力制动能力,并且在正常制动过程 中,应尽量充分发挥动力制动能力,以减少对城市环境的污染和降低运行成 本,同时应具有动力制动与摩擦制动的联合制动能力; 4 直接驱动动车车辆转向架的轴距和车轮的直径相对较小,基础制动装 置的安装空间有限,因此要求基础制动装置要具有较小的尺寸或者采用其它 形式制动; 5 直接驱动动车车辆运营的线路坡度相对较大n 1 :正线一般达到了3 5 ,而辅助线路更达到了4 0 ,因此要求基础制动装置具有足够的停车制动 能力; 6 直接驱动动车车辆应具有紧急制动性能,遇到紧急情况时,应能在规 定距离内安全停车。紧急制动除可由司机操纵外,必要时还可由行车人员利 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 用紧急按钮( 紧急阀) 进行操纵。 直接驱动动车车辆的制动系统按动能的转移方式可以分为两类阳1 :一是摩 擦制动方式,即动能通过摩擦副摩擦转变为热能,然后消散于大气;二是动 力制动方式,即把动能通过发电机转化为电能,然后将电能从车上转移出去 或者是把动能通过电阻转化为热能,然后将热量消失于大气中。直接驱动动 车车辆常用的摩擦制动方式主要有闸瓦制动和盘形制动,而常用的动力制动 主要有再生制动和电阻制动。制动优先级以再生制动为最高,电阻制动次之, 最后为摩擦制动。在设计制动系统时,一般设置双重制动系统,一个用于常 用制动、一个用于紧急和事故制动。 根据直接驱动式牵引电机的特性,本文选择的牵引电机是永磁同步电机, 因为永磁同步电机具有这样的一个特性位1 :接上电阻时,不需要附加控制就能 进行制动,直至列车停住。内置式电力制动器( i e d ) 制动系统具有防滑保护 性能,这种效果也是由永磁同步电机的特性产生的。利用永磁同步电机的这 种特性,选择内置式电力制动器作为常用制动;由于空间有限,辅助制动不 能选用盘形制动,而选用闸瓦制动机作为辅助制动机,它具有轻便、小巧、 经济而可靠的特性。 内置式电力制动器由一个附加的制动保护装置和一个附加的制动电阻组 成,作为常用制动。i e d 制动机的电路图乜1 如图2 - 5 。内置式电力制动器部件 数量远远少于传统的机械式制动系统部件的数量。此外,在结构方面实现了 真正冗余,因为即使是i e d 系统,每个轮对也都装备了一个单独系统。因此 从总体上说,与现今的机械式制动机相比,这两个制动系统的可用性都提高 了。从接通到可供使用的最大制动力矩,响应时间少于1 5 0 m s ,明显短于空气 制动系统的平均相应时间,空气制动系统一般在1 5 s 之后才响应。 轻便、小巧、经济而可靠的闸瓦制动机作为在站台线路上使用的停车制 动机以及在机务段作为车辆停放制动机和安全制动时的辅助制动机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 变 频 器 连 接 线 电动机接触器永磁同步电机 图2 - 5i e d 制动机的电路图 2 2 直接驱动动车的驱动装置 2 2 1 直接驱动式电机的选择及其特点 2 2 1 1 直接驱动式牵引电机的选择 近年来,省维修、节约能源、降低噪声等需求在铁路公司内外越来越高 涨,然而,按照原来的系统很难得到更大的改善效果。而人们又一直希望简 化传动装置,尤其是希望不用传动齿轮,为此对直接驱动动车的直接驱动装 置作了许多研究试验。德国西门子公司研究开发中心废弃了齿轮减速装置, 开发了大转矩的、包在轮对轴上永磁同步电机,即直接驱动式牵引电机系统, 带动了直接驱动电机的技术革新。 所谓直接驱动式牵引电机就是将驱动电机与负载一车轴直接连接起来, 电机产生的转矩不经齿轮而
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