（车辆工程专业论文）驱动工况下机车动力学仿真.pdf

躐赢交通大掌颈士磷究生学位论文第l 攒 摘要 为了零用多钵动力学较馋s i m p a c k 碜 究槛车静驱动系统动力学，原舂愤 季亍槛车穰艇不符合要求，必须在秘车模型中热入驱动力矩。零论文以国产檠 悬式准商速机车为基础，建立了带有驱动力矩、不带有驱动力矩及简化骝动 装置到构架。k 的三种机车模型。通过频域和时域内的计算，分析比较三种模 型翡动力攀蛙麓及各爨逶矮豹范豳。频壤内静诗算蠢摄鞔蘧分辑、频酶分缓 和谱分桁；时域内的计算包括直孰上机车和驱动装篝的平稳性和稳定性，曲 线通过时机车的平稳憔和稳定性，辩着重对轮轨蠕滑进行了分析。同时研究 加入驱动力矩时，驱动装簧的结构参数变化对机车及驱动装瀑本身的动力学 瞧缝麴影晌。裁蠲骥擞特点攘羧掇车夔莛动工援，主要诗冀分褥轮簸阗蠛涝 关系和轮轨作用力，讨论了模型对研究驱动系统动力学的可行性。 关键词：多体动力学；驱动系统动力学；频域分析；时域分析；曲线通过 蠕滑分析 鞭南交通大学弼l 士研究生学位论文第1l 页 a b s t r a c t t h em u l t i b o d yd y n a m i c ss o f t w a r ep a c k a g es i m p a c ki so n eo ft h ep o w e r f u l t o o l sf o rs t u d y i n gd y n a m i c so fd r i v es y s t e mo fl o c o m o t i v e 。b u tt h el o c o m o t i v e m o d e lw i t h o u td r i v i n gm o m e n ti sn o ta p p r o p r i a t ef o rd y n a m i c so fd r i v i n gu n i t s od r i v i n gm o m e n ti sa d d e dt ot h el o c o m o t i v em o d e li nt h i sp a p e r b a s e do nt h e h o m e m a d eq u a s i - h i g hs p e e dl o c o m o t i v e ，t h em o d e lw i t hd r i v i n gm o m e n t ，t h e o n ew i t h o u tt h em o m e n ta n dt h eo n ew i t h s i m p l i f i e dd r i v i n gu n i t a r es e t u p ， d y n a m i cb e h a v i o u r o ft h et h r e em o d e l si s a n a l y z e d i nt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n s ot h eo b j e c te a c hm o d e la d a p t e dt o c a nb ef i x e do n t h e c a l c u l a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i ni n c l u d e sr o o tl o c i i ，f r e q u e n c yr e s p o n s ea n d s p e c t r aa n a l y s i s a n dt h eo n ei n t i m ed o m a i nc o n s i s t so fs t a b i l i t ya n dr i d e q u a l i t yo fv e h i d ea n dd r i v i n gu n i to nt a n g e n tt r a c k a tt h es a m et i m e ，d y n a m i c c u r v i n gm o d e l s a r ec a l c u l a t e di nt i m e d o m a i n s p e c i a l l y , t h e d i f f e r e n c e so f m o d e l si n c r e e pf o r c e c r e e p a g er e l a t i o n s h i p a r e e m p h a s i z e d ，t h e e f f e c to f p a r a m e t e r so fd r i v i n gu n i ti sa n a l y s e d 。f i n a l l ) ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h ec r e e p a n dt h ef o r c eb e t w e e nw h e e la n dr a i l ，t h ef e a s i b i l i t yo fs t u d y i n gd y n a m i c so f e l e c t r i cd r i v es y s t e mu s i n gt h em o d e lw i t hd r i v i n gm o m e n tc a nb ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：m u l t i - b o d yd y n a m i c ；d y n a m i c so fd r i v es y s t e m ；f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ；t i m ed o m a i na n a l y s i s ；c u r v en e g o t i a t i o n ；c r e e p r e l 采i o n s h i p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景及意义 随着国民经济的发展，人民生活水平的不断改善，乘客对客运质量的 要求日益提高，方便、舒适、快捷、节省旅途时间鹪黉求日盛强烈。由于 公路和航空运输的快速发展，铁路运输面临十分严峻的挑战，表现在客货 运量的份额急毒蹲下降。而铁路要与公路和航空竞争并夺回失去的市场和改 善被动局面，就必须从提高运行速度、缩短旅行时间、增加旅客舒适性、 增加旅客列车的频率、合理规划运行图等方面着手。 众所局知，提高机车的速度，主要受两个方面的影响：1 、驱动系统的 功率：2 、轮轨的粘着利用率。随着电力电子技术的进步使机车牵引功率大 幅度提高，但粘着控制系统的实用和普及8 0 年代初才开始。机车动轮与 钢轨之间的作用力是机车牵引列车运行的基础，如何利用机车的有限轴重 和机车重量，在机车结构型式与参数选择、机车控制以及轮轨表面的处理 等方面采取措施，提高机车的牵引能力，是发挥机车牵引动力的一个重要 问题。铁路机车车辆利用车轮和钢轨之间的摩擦，如果这种摩擦在某种情 况下失去，无论机车的输出功率如何小机车动轮也要发生空转，以至不能 获得所需要的牵引力与速度，这种摩擦的现象就称为粘着。为了提高机车 的粘着性能，需要对粘着问题着手研究。在现代化机车功率逐步增大，机 车运行速度逐步提高的情况下，试图实现提高机车牵引力或速度等性能的 努力，大多数都面临粘着的挑战，迫使机车牵引力的发挥接近于轮轨粘着 极限。另外由于钢轨表面状况的随机性很大，一旦遇到钢轨表面的油污、 树叶渣等，就会引起轮轨间能利用的粘着系数急剧下降，引起机车动轮的 打滑，甚至会导致机车的空转，这必将引起机车牵引力的损失，轮轨表面 的磨损，严重时传动系统的扭转共振会导致机车传动装置损坏i2 1 ，高速空 转引起驱动轮箍迟缓等事故1 2 】 3 。虽然这在机车运用过程中是极力避免， 但是国内外铁路还是时有发生，如奥地利联邦铁路1 0 4 4 型电力机车在运行 初期发生的断轴事故【”，这需要我们对这些现象的机理进行分析，以便采 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 取相应的预防措施。国外铁路在机车传动装置，机车操纵与控制等方面的 研究与试验已经证明机车驱动动力学的研究对铁路的发展具有重要意义。 1 2 机车驱动系统动力学研究的历史及现状 大约在上个世纪三十年代就有人着手研究机车动轮驱动动力学的问题 p j 。l e n k 从驱动系统的扭转弹性以及轮轨间摩擦耦合的相互作用，即纯粹 从机械角度来研究机车驱动系统的问题。六t 年代，s e k i k a w a 研究分析了 采用串励牵引电机的机车驱动系统，不计驱动系统的扭转弹性，考虑轮轨 之间的摩擦耦合特性。七十年代末期，德国人g s t e m p i n a 以异步电动机牵 引时机车动轴的动态特性为题做博士论文 6 】，系统地研究讨论了异步电动 机转矩由于高次偕波的影响而产生的畸变，并在一定负荷状态时，使机车 弹性传动装置发生振荡。论述了这种性能对机车运行的影响。论文把电气 系统和机械作为一个完整的系统( 包括电机、机械传动、轮轨间耦合) 来 研究机车驱动装置的动态特性。在分析过程中，也考虑了电机磁饱和、轮 轨间力的非线性耦合，模拟了粘着极限附近的粘滑振动以及进入空转的过 程。进入九十年代以来，随着大功率、高速机车的使用，各国都加强了对 驱动系统动力学的研究，尤其是驱动系统机电控制耦合动力学的研究。1 9 9 3 年6 月，在第5 届国际重载会议上，美国g m 公司和德国s i e m e n s 公司 介绍了他们发展具有高粘着性能的s d 6 0 m - - a c 及s d 7 0 m - - a c 重载内燃 机车【7 】的经验。十分强调系统匹配的重要性。他们在论文中指出( 8 ：“高的 可用粘着及运行可靠性质量要求几个关键系统的开发和综合：牵弓i 系统、 转向架及先进的机车计算机系统，三者缺一不可。”随着计算机和实验设备 的发展，越来越多的技术人员建立了驱动系统部分或整体的模型。意大利的 r r i z z o 和d i a n n u z z i 薅人对铁路牵引中发生的车轮滑行现象进行分析，找 到一种间接识别轮轨蠕滑力方法，并在实验室中在按比例缩小的e 4 0 2 电 力机车模型上得到验证，优化了传统的基于标量或矢量的蠕滑控制算法1 9 】。 澳大利亚昆士南大学的s s e n i n i ，e f i n d e r s ，w o g h a n n a 研究了牵引电动机 应用控制策略和控制技术时，轮轨间相互作用的动态特性【”】。其包括了牵 引电动机、控制器及轮轨粘着特性的相互影响而产生的轮的滑动回旋及动 轮滚动圆直径差异对电机的作用。且提供了一种可用以模拟三相交流牵引 电机的轮轨粘着特性的动力学模型，此模型可模拟轮的滑动和动轮直径差 异造成的对牵引电动机的影响。并用s i m u l i n k 仿真软件进行了系统仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 1 1 。荷兰代夫特大学的m w i n t e r l i n g ，e t u i n a m ，w d e l e r o i t 专门研究特定 工况即驱动系统电气部分失效时，引起的大扭矩、大振荡激励，而大扭矩、 大振荡极有可能造成驱动装置机械部分的失效1 1 2 i 。并建立了机电耦合的驱 动系统模型，模型包括：牵引电动机、变流器、机械传动装置和轮轨接触 特性。此模型丰富了机车设计和检测的范围。 研究驱动系统动力学的目的是大幅度提高机车动轮与钢轨之间的作用 力，更有效的利用轮轨间的摩擦作用。为此要没计先进的粘着控制系统， 使机车无论在何种工况下都发挥轮轨间最大的粘着力。从对传统粘着控制 方法【”j 的分析可以发现，传统粘着控制方法没有对粘着峰值点进行搜寻， 自然无法获得较高的粘着利用率。有别于传统粘着控制方法，现代粘着控 制方法的一个显著特点是能够自动搜寻粘着峰值点，并使粘着工作点保持 在粘着峰值点的附近，从而能够获得较高的粘着利用率。根据搜寻粘着峰 值点方法的不同，现代粘着控制方法可以分为蠕滑速度法和粘着斜率法两 大类。基于蠕滑速度的粘着控制方法原理比较直观，它是根据粘着特性曲 线，通过调节蠕滑速度，使其反复地增加和降低，从而自动地搜寻粘着峰 值点。根据蠕滑速度是否直接参与控制，蠕滑速度法又分为直接法1 1 4 j 和间 接法【1 5 】 1 6 】【l 。而粘着斜率法是通过对粘着曲线斜率的判别实现粘着峰值点 的搜寻。显然，目前是无法获得实际的粘着特性曲线，因而无法直接计算 出粘着斜率，更无法完成对粘着峰值点的搜寻。为了解决以上问题，相位 移法和粘着因数导数法1 1 8 】【1 9 】【2 0 】被相继提出，它们都能间接地获得粘着特性 曲线的斜率，并实现对粘着峰值点的搜寻。 我国的研究单位也在较早的时间就开始对机车驱动系统动力学各方面 展开了研究。我校的孙翔教授建立了机车万向轴驱动系统动力学计算的通 用方程，利用计算机模拟计算的结果，透彻的分析了万向轴驱动机车的粘 着机理，指出解决液力传动机车存在粘着性能不良问题的途径【3 】，为我国 液力传动机车的设计、制造提供理论依据。在其理论基础之上，吴永芳又 开展了电传动机车驱动动力学的探讨研究【2 l l 。论文把电气系统和机械作为 一个完整的系统( 包括电机、机械传动、轮轨间耦合) 来研究机车驱动装 置的动态特性。在分析过程中，也考虑了电机磁饱和、轮轨间力的非线性 耦合，模拟了粘着极限附近的粘滑振动以及进入空转的过程。我校的张立 民老师深入研究粘滑振动的形成机制，对两接触体的粘滑振动进行了详细 分析，给出了粘滑振动发生条件【2 2 i ，分析了驱动速度对粘滑振动的影响， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 应用数值方法对三种摩擦模型进行了分析计算，最后从蠕滑力出发对轮对 可能产生的扭转粘滑振动进行了详细的分析。李治教授从动力学、图解、 解析、仿真方面较全面地阐述了机车运行过程中，空转形成的原因、空转 再粘着性能、空转恢复条件等问题【2 3 】。在理论上孙翔教授又提出机车的高 粘着利用是一个系统工程问题【2 4 1 。他由粘着牵引力的基本概念出发，从机 械系统、动力与传动系统、控制系统等不同的方面，阐述了高粘着利用机 车的设计要求及方法，并从系统工程的角度论证了各部分间的合理匹配与 协调，提高了我国机车设计水平。在国家“八五”重点科技攻关项目“高 速动力车车体转向架关键部件的研究”中我国首次采用了体悬式二级弹性 轮对空心轴的驱动装置。黄伟老师从粘滑振动的角度分析该驱动系统的振 动稳定性，并对几种影响较大而又易于改变的参数进行分析，优化参数， 进一步提高了动力车的粘着性能【2 5 】。 1 3 对s i m p a c k 软件包的简要说明 机车是复杂的非线性多体系统，建立机车系统动力学模型大致分两种 方法： ( 1 ) 列出一系列机车系统动力学非线性微分方程，编制相应计算程序数 值求解。这种方法需要对机车系统各部件作正确的受力分析以列出机车系 统动力学非线性微分方程组，然后编制计算程序求解方程组，比较常用是 龙格一库塔逐步积分法；或者利用数学软件如m a t l a b 等求解方程组，得 出车辆系统动力学性能参数。总的来讲，这种方法工作量比较大、效率不 高，而且编制出的计算程序适应范围较窄。所以在工程计算中通常已不再 采用自编程的方式，只是在研究系统动力学的理论基础和个别特殊研究需 要时采用。 ( 2 ) 利用车辆系统动力学软件建立机车系统动力学模型。软件中将机车 系统各部件、各部件之间的力和约束都做成单独的模块，用户可以方便地 在软件中调用机车各组件模型并设置其相关参数如质量、质心、转动惯量 等等，同时还可以方便地在各部件之间施加力和约束，组装成完整的机车 系统动力学模型，最后进行数值积分计算其动力学性能。这一类型软件由 于其方便性、高效性及通用性已被大量采用，例如我国自主开发的机车车 辆动力学仿真综合软件t p l d y n a ，以及国外开发的a d a m s m e d n y a 等，而多 体动力学软件s i m p a c k 就是可以运用于计算车辆系统动力学的软件之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 本论文利用多体动力学分析软件包s i m p a c k 8 5 1 4 版本计算驱动工况下机 车的动力学特性。s i m p a c k 是德国i n t e c 公司的产品，在欧美发达国家的 机械工业系统内应用很广泛，如a l s t o m 、b o m b a r d i e r 、s i e m e n s 、b m w 、b o s c h 等公司都用其设计和开发具有市场竞争力的产品。图卜1 是s i m p a c k 主菜 单窗口，图卜2 是s i m p a c k 建模窗口：建模窗口是建立机械模型的g u i ， s i m p a c k 通过计算机图形学，将用户建立的3 d 模型自动转化为o d e 和d a e 方程组【2 6 】： m ( q ) q - f ( a ，尊，；l ，f ) 一g 7 ( q ) a g ( q ) 一0 然后在主菜单窗口中调用其计算内核，最后在后处理中观察和处理结果。 图卜ls i m p a c k 主菜单窗口 图卜2s i m p a c k 建模窗口 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从所查阅资料中可见，应用s i m p a c k 研究机车电传动系统的动力学主 要在德国开展，s c h u p p g 和g r e t z s c h e l 2 7 】还有j a s c h i n s k i 2 8 1 都在他们的 论文中简要提及，而细节部分却找不到相关的资料。笔者认为原因可能有 二：一是国内外相关资料太少，很难找到；二是相关技术和资料认为是能 为产品带来竞争力，故被保密。也可以从少量的资料如b o m b a r d i e r t r a n s p o r t a t i o n 2 0 0 1 年使用s i m p a c k 的报告p 】、s i e m e n s 2 0 0 3 年使用 s i m p a c k 的报告等看出d o ) ，国外公司在利用$ i m p a c k 研究驱动系统动力学 时，是将s i m p a c k 和控制软件如s i m u l i n k 协同使用。而本论文仅用s i m p a c k 建模驱动系统中的机械部分，并研究此模型的合理性，为将来应用s i m p a c k 软件研究驱动系统动力学做好前期工作。 1 4 本文的研究目的和方法 西南交通大学机车车辆研究所已从德国引进了s i m p a c k 软件用以机车 车辆的动力学数值计算和仿真。多年来已经协助我国绝大多数机车车辆工 厂完成了机车选型、悬挂参数的优化和动力转向架设计。然而其中大部分 的机车模型都是在给定的惰性速度下进行数值计算，没有考虑驱动系统对 整车动态性能的影响。这使得我们得到的某些动态指标和实际数据出入较 大。因此，在s i m p a c k 模型中加入驱动部分，通过粘着使模型运行在稳定 速度下，这样s i m p a c k 模型较以前更符合实际情况。在这个基础上，再进 行动力学的数值计算和仿真。 本论文的主要目的就是利用s i m p a c k 建立建立3 种机车模型。模型 卜将驱动系统折算到转向架上，惰行计算：模型b 一建立驱动系统机械 模型，惰行计算；模型c 一建立驱动系统模型，牵引电动机有转矩输出。 论文的主要内容包括： i 、分析在机车系统模型中，考虑驱动装置结构与否对其动力学性能有何 影响。这里的动力学性能不但包括在时域里计算的直线运行平稳性，同时 也包括频域里的直线运行平稳性。各刚体的加速度响应功率谱密度函数、 机车系统的自振频率和频响分析等。通过计算说明两种模型是否存在根本 差别和各自的适应范围； i i 、当机车系统考虑驱动装置的结构时，考虑牵引力在驱动装黄中的传递 与否，对机车系统，特别是驱动装置本身动力学性能的影响。同时也要着 重考虑轮轨接触点上的接触力和接触关系有何不同，机车过曲线时纵、横 鞭赢交通大攀颂鞣究生攀位论文筹7 樊 向蠕滑力的变化等； i i i 、当驱动装置考虑牵引力传递时，驱动装嚣的结构参数变化对机车和驱 动装甏零赛凌力学装携夔影晌。这些结穆参数霞耩空心辘嚣溃六连移掇孝鼋 酶轴向剐度和扭转剐度，电动机与构架的连接刚度等等； 、蜕明能否在s i m p a c k 中实现机车起动工况的模拟以及使用加入牵引力 矩的模型来研究驱渤系统动力学的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章多刚体模型的建立 机车是一个复杂的多体系统，各部件通过悬挂系统相连接，本文利用 多体动力学软件s i m p a c k ，以某国产准高速机车为原型，建立3 种机车 模型。模型a 一将驱动系统折算到转向架上，惰行计算；模型b 一建立驱 动系统机械模型，惰行计算；模型c 一建立驱动系统模型，牵引电动机有 转矩输出。该机车为二系悬挂，其中一系悬挂主要包括轴箱弹簧提供的三 个方向的刚度、轴箱定位装置提供的定位刚度、以及一系垂向减振器提供 的垂向阻尼；二系悬挂主要包括高圆弹簧提供的三个方向的刚度和垂向阻 尼、二系横向减振器提供的横向阻尼、抗蛇行减振器提供的纵向阻尼以及 横向止挡和牵引杆；牵引电动机力矩由齿轮输出，驱动制动单元刚性连接 于构架。在建立机车动力学模型时有如下基本假设： ( 1 ) 车体、构架、轮对、空心轴、驱动制动系统均视为刚体。车体、构 架、轮对、空心轴、驱动制动系统的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，因 此把车体、构架、轮对、空心轴、驱动制动系统视为刚体是可以接受的； ( 2 ) 不考虑钢轨的弹性变形。钢轨的弹性对于机车的动力学性能只在高 频时影响才较大，而在线路的低频激扰下影响不大，因此对线路只考虑其 不平顺的激扰川； ( 3 ) 车体、转向架的结构完全对称。 2 1 空心轴结构驱动制动系统简介 图2 一l ( a ) 描述的是架悬式轮对空心轴驱动机构：图2 1 ( b ) 描述的是带 有架悬式轮对空心轴驱动机构的动力转向架俯视图。牵引电动机架悬式驱 动机构广泛应用于世界各国的高速机车和动车上，也用于重型货运机车上。 其主要特点是将牵引电动机固装在转向架上，因而牵引电动机属于簧上部 分。牵引电动机与轮对之间用能适应各向相对运动的弹性联轴器作为中间 联结装置并传递扭矩。图2 2 所示的本论文模型使用的轮对空心轴驱动机 构示意图结构中，联轴器在结构上采用具有橡胶金属衬套的六连杆关节机 构。轮对空心轴驱动机构的特点是大齿轮由滚动轴承支承在空心轴套上， 而空心轴套内又贯穿一根空心轴，而车轴最于空心轴中。空心轴的一端通 过连接盘、弹性元件与大齿轮相连，另一端也通过连接盘、弹性元件与轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( a ) 取忙三壬三三铂 一k 十t 一一ff f t 、x t1 一十、i【j 一 fj i 蝴飞i i i l j 击匪 。i i 】 * i i 广 l j f 点 l 目k l l r 书i ； 刺f 酊u 墨 ! 雾编l l “开l 氇目虬臣酆f l l 工一。兰l 置曼署一n- _ i i f ，j苛 i n 毒基 j k 麓窜一一 ， 垂弛嚣岂髅 恰i fi 雌 jri 胛口t椭|f 、h l 七w1 单难三i 弋r ( b ) 1 空心轴、2 牵引齿轮箱、3 牵引电机、4 制动盘、5 驱动制动单元悬挂、 6 牵引电机支承内、7 牵引电机支承外、8 球形橡胶关节、9 转向架牵引杆 图2 - 1空心轴结构驱动制动系统及转向架结构简图 对相连。电动机的扭矩由大齿轮经弹性元件、空心轴，再经另一端的弹性 元件传递给轮对。这种驱动机构的型式，称为两级弹性和双空心轴的架悬 式驱动装置。轮对空心轴两级弹性驱动机构的优点是簧下重量轻，轮对与 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 电动机得到两级弹性隔离，因此有较好的动力学性能；两级六连杆机构具 有径向刚度大的特点，因此能保证空心轴相对轮对同心旋转，避免弹性元 件( 即空心轴) 与车轴产生偏心而造成的离心力，形成轮对的轮重变化和 弹性元件中的附加应力。以上的优点是以机构复杂为代价。架悬式驱动机 构可大大减轻簧下重量，从而不仅减小了轮对与线路间的动作用力，还大 大改善了牵引电动机和牵引齿轮的工作条件。这类机构虽然结构比较复杂， 但对速度较高的机车是必要的。因此，构造速度大于1 4 0 k m h 的机车，一 般都采用架悬式驱动机构。例如，我国的d f 9 型客运内燃机车f 3 l 】。 6 5 l 弹性元件、2 空心轴、3 轮对、4 轴承、5 牵引齿轮、6 牵引电机 图2 - 2 论文模型使用的轮对空心轴驱动机构示意图 如图2 3 所示，在实际电传动机车中牵引力的传递路线是：在牵引电 机处通过电磁作用将电能转化为机械能形成电磁力矩，电磁力矩通过齿轮 箱的小齿轮传递到大齿轮上，大齿轮和外空心轴固接，所以力矩就传递到 外空心轴处。外空心轴一端通过六连杆机构和内空心轴相应一端连接，而 内空心轴另一端通过同样的六连杆结构与轮对的相应一端连接，这样力矩 通过外空心轴到内空心轴，又从内空心轴传递到轮对一侧，然后，力矩又 从轮对的一侧传递到轮对的另一侧。通过轮轨蠕滑作用，力矩转化轮轨蠕 滑力使轮对沿着铁轨滚动前移，旋转运动转化为直线运动。牵引力通过轴 箱、一系悬挂传递到构架上，而构架又通过牵引杆、二系悬挂将牵引力传 递到车体上，使车体运动。 对比图2 1 ，在图2 2 中，即研究驱动装置考虑牵引力传递时的模型， 模型省略了外空心轴，原因是外空心轴与制动盘固接，其主要作用体现在 制动方面，用外空心轴将牵引电动机和制动装置合为一体，组成驱动制动 单元。本论文只研究的模型的匀速工况( 包括直线和曲线) 和起动工况， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 所以略去外空心轴，使内空心轴直接和大齿轮连接，将外空心轴结构的径 向刚度和扭转刚度计入联结处六连杆结构的径向刚度和扭转刚度中。所以 模型中牵引力的传递路线为：如图2 3 所示，4 号力元件模拟电磁力矩， 电磁力矩通过5 号小齿轮力元件传递到大齿轮力元件上，大齿轮通过自定 义约束和点弹簧力元件模拟的六连杆结构与空心轴一侧连接，空心轴另一 倒是用点弹簧和扭转弹簧模拟的六连杆结构与轮对一端相连。这样力矩就 通过大齿轮传递到内空心轴，又从内空心轴传递到轮对上。通过轮轨蠕滑 作用，力矩转化轮轨蠕滑力使轮对沿着铁轨滚动前移，旋转运动转化为直 线运动。牵引力通过轴箱、一系悬挂传递到构架上，而构架又通过牵引杆、 二系悬挂将牵引力传递到车体上，使车体运动。 1 、6 d o f 轮轨铰2 、单点轮轨接触约束3 、轮轨蠕滑力4 、施加扭转力矩 5 、齿轮力6 、1 d o f 饺( 绕y 轴转动)7 、1 d o f 铰绕( y 轴转动) 8 、自定义 约束( 3 d o f 绕x ，y 轴转动，沿y 轴平动)9 、直线弹簧1 0 、直线弹簧+ 扭转弹簧 1 1 、自定义铰( 4 d o f 绕x ，y ，z 轴转动，沿y 轴平动)1 2 、一系悬挂 1 3 、电机悬挂1 4 、二系悬挂 图2 - 3 机车系统模型刚体拓扑图 2 2s i m p a c k 中w h e e l r a i l 模块的部分坐标使用介绍 从图2 4 中可以看到，用于描述轮轨接触关系，引入了6 个坐标系，用 以描述刚体的几何和运动关系【32 1 ，分别是： 1 、轨道坐标系( t r a c k f r a m e ) ：它以机车的行驶速度沿轨道中心线向前运动， 褥赢交通大学硕士职突生擎镫论文第1 2 页 它定义了系统中各刚体沿线路前进时的几何位置，刚体的运动方程就是在 该参考坐标系中定义的； 2 、轮瓣爨钵坐标豢( w h e e lr e f e r e n c ef r a m e ) ：鼷名爨义，就是困羧在轮 对上的坐标系，瘸以描述刚体相对于系统参考坐标系戒是其他参考坐标 系、连体坐标系的几何和运幼学关系； 3 、轮的几何参考嫩标系( w h e e lp r o f i l er e f e r e n c ef r a m e ) ；是表示轮轨 凌予箕薅羚形产生豹谈辍关系，轮筑稳对乡 形在轮上麴参考坐标系； 4 、轨的几何参考搬标系( r a i lp r o f i l er e f e r e n c ef r a m e ) ：功能和轨几何 参考坐标系一样，只是位置于轨上。其有一重要功能，就是用于施加激励， 攒述辘面实际状态； 5 、轮的搂魑点壅糖系 斟湘交通大学石页士研究生学位论文第3 2 聪 稳性指标，机车模羹只有前司枫爨。 表3 - 2 机车的垂向平稳性计算结聚( 1 0 0 k m h ) 从袭3 2 中可以辫到，从总体上说三个模型的的垂向平稳性指标和疆 囱轮孰搀矮力差剐不大。扶冬顼撩耘来看，模凝h 戆运行状凝酶缀较摸鍪 b 霸模燃c 恶劣一些。模型c 的瓣向平稳性又要诧模型b 豹垂匈平穗程稍 差一点，而这点差别从工程角度怒可以忽略不记的。 3 3 2 枧车的横向平稳性 横向平稳性计算的条件同垂向平稳性计算一样。为了判断在有干扰线 路上轮轨横向作用力的水平，把轮对的两母向力之和罗霉：。) 作为评价指 舞 嚣l ，藜摄疆蓬为； l i m y ( 2 。1 一o 8 5 ( 1 0 + 2 q 。3 ) ( 七) 一一忒( 32 1 ) 一 f 对予辘熬梵2 0 5 睫的橇车，其静轮载q o = 1 0 1 。8 k n ，此健必6 6 。2 k n 。 表3 一唱中p w l l p 矾_ 努澍舞祝车靛一溷轮对静横淘轮孰力，蹩辩蠛 里经过2 【i i 滤波后轮对横向轮轨力的三倍标准偏差。交中w l 0 是前司机蜜 的横向平稳性指标。 表3 - 3 槛车静横肉平稳性计算缝粜( 1 0 0 k m h ) 模黧w 璩p w l l ( k n ) p w l r ( 1 【n ) p w 驺( k n ) p w l 4 ( k n ) 模溅h 2 7 0 12 7 81 9 52 7 8 2 0 0 模型b 2 6 9 82 6 72 0 52 5 7 2 1 4 模戮e 2 ，7 0 42 7 6 ，2 0 2 2 6 。22 1 1 蕊诗算结莱串霹懿发现，秃谂跫缮一个模黧第一轮辩器第三耱对浆横 向轮轨力的最大力都超过了横向力的极限值，但从表3 3 中的横向轮轨动 作用力研看出，动 乍用力要小于横向力的极隰值。故从轮轨横向力的时间 历程来鬃，在整令动态过程中，只蹩令燃轮辕横肉力静蜂馕越标，焉绝大 多数情况下，轮鞔横囱力餐然在其极鞭蕊之下。麸表3 3 绦果来看，掰褥 结论和灏向平稳性计算得到的结论是一样的。 西南交滋大学硕士研究生学位论文第3 3 灏 3 。4 规车横向稳定性比较 在s i m p a c k 中，非线性蛇幸亍稳定性的计算方法为：簸取一段长度为 5 0 m 的不平颗时域谱作为激扰，让机车一定的速度通过不平顺屠，在焱道 上继续避幸亍，通过器网体位移的收敛和发散馈况来判断机车是否失稳。计 算中我们采用了美篱4 级线路的不平顺时域谱，包括左右轨的横向不平顺 和垂向不平蹶，同时还考虑了不平蹶黪速度零f l 加速发激挽。蛇弦稳定不平 顺激扰，见附录5 。机车以1 0 0 k m h 的速度通过不平顺时，机车第一轮对 螅横疑振动见图3 1 9 疑示。出此霹见，模型a 麴在大麴不劐4 秒处载收敛， 模型b 和模型c 的收敛时间大致相同，但比模型a 明显要晚一些，都在1 0 秒左袁收敛。 根据上述，本文计算了模型a 和模型b 笫一轮对横移缀的极限环p 引。 魏蘧3 - 2 0 瑟暴，模蘩a 在4 2 0 k m h 嚣避天投羧环，郄模墼a 酶稳器邃凄为 4 2 0 k m h ；而模型b 在3 5 0 k m h 时就已缀进入极限环了，即模型b 的临界速 浚为3 5 0 k m h 。魏缝莱较上一章静线毯计算中，模蘩矗静失稳遥度为4 3 0 k m h ，模型b 的失稳速度为3 7 0k m h 这样的结果要小些，原因是非线性 计算中有许多静线馥因素，鼓捐阐豹模鍪在辩域菲线往横麓稿秀速度瘟院 频率线性模型临界速度小些。间样，由图3 - 2 0 清晰可见，模型a 的临界 遮度要离子挨整瑟静箍界遥度。 豳3 - 1 9 笫一轮对的横穆量 运行速度，k m h - 图3 - 2 0 机率模型第一轮对横移量 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 3 5 驱动装置的动力学性能比较 本节比较的模型为模型b 和模型c ，两者的区别在前面已叙述。驱动 装置动力学计算包括：牵引电动机输入输出轴的动力学特性；牵引电动机 本身的动力学特性；驱动系统吊挂处作用力。模型是在一段有激扰的直轨 上匀速运行，运行速度为l o o k m h 。线路不平顺等级为美国5 级线路，包 括左、右轨的横向不平顺和垂向不平顺，计算中除了考虑了不平顺的位移 激扰，也考虑了不平顺的速度和加速度激扰，不平顺激扰输入，见附录4 。 3 5 1 牵引电动机输入输出轴的动力学特陛 从图3 2 1 图3 2 3 是牵引电动机输入输出轴的动力学特性，分别是： 轴的转速、轴上的旋转加速度和轴上的扭矩。从下述的图中我们可以明显 看出：有转矩输出的驱动部分的动力学特性和没有转矩输出的驱动系统的 动力学特性有显著的区别。两个模型都匀速运行，故电机的输入输出轴的 转速的平均值从理论上讲应该是一致的。但从图3 2 1 中明显可以看出，模 型c 无论是输入轴还是输出轴的转速都要比模型b 略高一点，而且模型b 的输入轴还是输出轴的转速有微小的下降趋势。这是因为模型b 的驱动装 置部分在轮对转动方向上存在正阻尼，而惰行实际上是给轮对一初始转速， 即给系统一定的初始动能，如果在轮对转动方向无正阻尼存在，系统将保 持动能不变；若初始动能被阻尼耗散掉一些，则系统动能减小，前进速度 降低。虽然模型b 中存在如此阻尼，但因为数值过小，因此，仍将模型b 看作匀速运行。这样在对轨道同一点激扰的响应时，模型c 就要在时问上 快模型b 一点，如后面的驱动装置悬挂处的力作用曲线。 牵引电动机输入输出轴的旋转加速度差异也是较大的。如图3 2 2 所 示，虽然从图中看，两个模型的平均值应大致一样，加速度均值为零，但 模型b 的牵引电动机输入输出轴的旋转加速度的波动幅度明显大于模型 c 。这是因为两种模型在力矩的传递途径是不同的，模型c 是电机的输入轴 输出扭矩，通过输出轴、大小齿轮传递到轮对上，利用轮轨的粘着产生牵 引力，使机车运动，其他的动作用也是这样一个传递途径；而模型b 正好 相反，惰行，实际上就是相当于外界使机车保持一定的速度运行，其动力 学特性如力矩、速度、加速度等的传递途径是轮轨间传递到轮对，再由变 速齿轮对传递到电机的输入输出轴。故模型b 的驱动系统受轨道不平顺的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 影响较大，而模型c 的驱动部分受轨道不平顺的影响较小。而惰行的模型 b 中电机的输入输出轴上的力矩明显要比模型c 中的电机输入输出轴小的 多，如图3 2 3 这是因为模型c 的输入轴输出扭矩，通过输出轴、大小齿轮 传到轮对上，利用轮轨的粘着产生牵引力，使机车运动；而模型b 由于是 惰行，实际上就是相当于外界使机车保持一定的速度这样一种工况，所以 电机输入输出轴上的力矩只是由转动使齿轮力元件发生的形变产生的力 矩传到输入输出轴上的，故比较小。 t i m e st i m e s 输入轴输出轴 图3 2 1驱动系统1 的输入输出轴转速 三s o 一- - 制c t i m e s 输入轴 t i m e s 输出轴 图3 - 2 2 驱动系统l 的输入输出轴旋转加速度 另外引起两种模型驱动系统动力学特性显著差异原因中，模型c 的控 制误差占的比例很小，可以忽略不计。理由是模型c 的驱动控制模拟的是 牵引电机的牛马特性，是实际相符的；而模拟机车阻力的控制部分其作动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 于车体的质心处的纵向，对驱动系统的影响不大。 t i m e s 输入轴 图3 2 3 驱动系统1 的输入输出轴扭矩 3 5 2 牵引电动机的运行性能 t i m e s 输出轴 牵引电机的运行性能主要是轨道不平顺对牵引电动机在横向、垂向、 纵向三个方向的加速度。表3 4 是牵引电动机在三个方向的加速度均方根 结算结果。比较各项结果，模型b 和模型c 在牵引电机加速度上的差异是 很小的，从工程应用的角度来讲，这种差异是可以忽略的。 表3 4 牵引电动机加速度均方根值 南寻 l 士r i 模型b ( 单位：m s 2 )模型c ( 单位：m s 2 ) 一。 横向垂向纵向横向垂向纵向 牵引电动机l 7 8 91 5 83 9 07 8 51 6 03 6 2 牵引电动机2 6 5 71 4 73 8 l6 6 01 5 13 5 0 3 5 3 驱动系统吊挂处作用力 经过计算，纵向力都在一l k n l k n 之间变化，较横向力和垂向力的变 化是非常小的，故我们在此不讨论纵向力的计算与比较。由3 5 1 节中所 解释的原因，可以发现对于位置处于同一点的激扰，模型b 的响应要比模 型c 的响应在时间上滞后一点，这正好为比较两种模型对同样激励的响应 输出提供了方便。从图3 2 4 中第一转向架前后电机电挂各3 点的横向作用 力时域内变化曲线可以看出，模型b 和模型c 的差别是很小的，这一点也 可以从表3 4 中的横向加速度均方根值得到验证。图3 - 2 5 是驱动系统悬挂 的垂向作用力，其表示的模型b 和模型c 在第一转向架前后电机电挂各3 西南交通大学硕士研究生举位论文第3 7 页 点的纛向箨穰力变仡的差异，基本上氇蔻蹴较小熬。从工程静受发说是可 以忽略不记。如果舆要在图3 2 5 中找到茇昴，那就是对于驱动系统l 中间 吊挂而言，模型b 的平均值饕大于模型c ；而同时对于驱动系统2 中间吊 挂，模型b 懿平均馑要，l 、予摸毽c 。怼予驱动罴绫l 寡侧暴挂瑟言，模型8 的平均值耍略微小于模型c ；对于驱动系统2 右侧吊稳，模型b 的平均值 要大予模型c 。对于驱动系统l 左侧吊挂而言，模型b 的平均值要略微小 于模型c ；对于鞭劝系统2 左侧吊挂面言，模型b 的平均值要略微大于模 型c 。骧嚣就是3 ，2 2 瑟叙述瓣凌车驱动力矩瓣车辘垂囊载芬魏彩噙。 n i 础 驱动系统1 左侧吊攮 i 黪懒 垂脚忡 晰8 t 妇 穗 驱动系统2 左侧吊挂 弓宅#ok一藿叫3 z莲#鐾。址w#盟 n：8定首 西南交通太学硕士研究生学位论文第3 8 页 图3 2 4 驱动系统悬挂酌横南律舔力 驱动系统l 中闻帛挂 1 t m e s 驱动系统l 右侧吊挂 运雠嘲 ：c。! !， 1 4 1 3 2 1 0 g c b 1 8 51 9 01 9 52 0 0 t j m e s 驱动系绞2 中闻吊挂 一搂型c t i m e s 驱动系统2 右侧吊挂 t l m e s 驱动系统l 左餐莓穗驱动系统2 左秘墨挂 图3 2 5 驱动系统悬挂的垂向作用力 聋笔誊okg尊j鲁 瓣础一褥 。 却 一5 一，l 一 一li瓢w 一 薯。晰一 雌蹦常一 虬潍训三=百删菇 越敬酣。 一 础1 l 一5 lmy 一1懒盲 一 彬 一 _1。-pfi，_-tth，；ufprl kt寸叶如鼎_吉止雠 z)l，廿譬ok葛譬c z笔錾要萋 z z ，9 2 0 l i 岢u 琶啦 西南交通犬学硕士研究擞攀位论文第3 9 页 3 6 机车曲线通过时的动力学性熊 3 6 1 曲线的几何描述 诗算魏线路愚在一条交蠢绫一缓嚣麴线一鏊鏊线缓帮整线一纛绫缀 戒的一段完整的曲线轨道上进行的。 表3 -