（车辆工程专业论文）弹性膜薄气垫运输装置偏载自动平衡系统设计.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 页 摘要 弹性膜薄气垫运输装置是高速列车检修动车段中的主要设 备之一，但是当运输装置有偏心裁荷时，容易产生拖拉甚至压 死的现象。本文利用自动控制的原理，采用压缩空气作为原动 力，通过气压反馈回路，把承载单元上的载荷变化转换为驱动 气动执行器的压力信号，对装置中各单元的耗气量实行按载荷 的大小自动成比例分配，使装置偏载时也能正常工作。 f 在偏栽自动平衡系统设计过程中，通过对承栽单元的模型 化处理，利用缝隙节流的原理和线性系统控制理论，对系统进 行稳定性分析，并采用r o t h h u n i t z 判据，找出系统稳定性 条件。 本文写作过程中进行了大量的实验操作，对设计的产品进 行了多种性能的测试，并与理论的结果相比较，找到最佳运行 参数，验证了设计的可行性。 本文理论分析和实验研究的结果，为弹性膜薄气垫运输装 置的设计、制造，推广和运用打下了良好的基础，对高速铁路 的发展和物料搬运方式的进步，具有较大的实际意义和参考价 值。 关犍词：弹性膜薄气垫 稳定性分析 偏裁自动平衡系统设计 实验研究 c h e n g d u 1 9 9 4 4 西南交通大学研究生学位论文第2 甄 a b s t r a c t t r a n s p o r t d e v i c eo fm i n f i l ma i r c u s h i o nw i t he l a s t i c m e m b r a n ei so n eo fm a i nd e v i c e si nt h er e p a i r i n gb a s eo fh i g h s p e e dr a i l w a y b u tw h e n t h e r ei se c c e n t r i ci o a d i ti sd r a g g e d e v e np r e s s e d i nt h i sp a p e r , t a k i n gc o m p r e s s e da i ra ss o u r c e p o w e r , w i t ht h eh e l po f a n t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n dt h ea i r - p r e s s e df e e d b a c k it u r nt h el o a dc h a n g eo n t h el o a d b e a r i n g u n i t i n t ot h e a i r p r e s ss i g n a l w h i c h m o v e st h e e x e c u t i n g d e v i c e a c c o r d i n gt ot h ed e f e r e n tl o a do ne v e r yl o a d b e a r i n g u n i t ，t h e a i r l o s s e so f e v e r y u n i tc a nb e a u t o m a t i c a l l y d i s t r i b u t e di np r o p o r t i o n s o t h et r a n s p o r td e v i c ec a l ln o r m a l l y m o v ew h e ne c c e n t r i cl o a dh a p p e n s d u r i n gt h ed e s i g n o fe c c e n t r i cl o a da u t o m a t i cb a l a n c e s y s t e m ( e l a b s ) t h r o u g hp r o c e s s i n g t h em o d e lo fl o a d - b e a r i n gu n i ta n du t i l i z i n gt h et h e o r i e so fc r a c kt h r o t t l e a n d l i n e a rc o n t r 0 1 t h e s y s t e ms t a b i l i t y i ss t u d i e d t h e s t e a d y c o n d i t i o ni sc o n c l u d e db yt h eh u r w i t zc r i t e r i o n i nt h ep e r i o do f w r i t i n gp a p e r , al o to fe x p e r i m e n t sa r e d o n e m a n yk i n d s o fp r o p e r t i e sa r et e s t e dt ot h e d e s i g n e d p r o d u c t i o n t h eo p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r ef o u n do u t a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g ni st e s t i f l e d i nm i sp a p e r t h ec o n c l u s i o n so ft h e o r y a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n tr e s e a r c h e s t a b l i s ha g o o db a s e f o rt h e d e s i g n ， m a n u f a c t u r e s p r e a da n da p p l i c a t i o no fe l a b s t h e yh a v e g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dr e f e r e n c ev a l u a b l ef o rt h e d e v e l o p m e n t o f h i g h s p e e dr a i l w a ya n dt h i n g sm o v i n g m e a n s k e y w o r d s ：t h i n - f i l m a i r - c u s h i o nw i t he l a s t i cm e m b r a n e d e s i g n o fe c c e n t r i cl o a da u t o m a t i cb a l a n c e s y s t e m t h e a n a l y s i so fs t a b i l i t y e x p e r i m e n ta n d r e s e a r c h c h e a g d u 1 9 9 9 4 西南交通大学研究生学位论文第5 页 绪论 随着时代的进步和科技水平的提高，各行各业在理论 和实践上都得到了突飞猛进的大发展。铁路作为各个国家 扣地区的运输大动脉，也受到了前所未有的重视。客运高 速和货运重载已经成为当今铁路发展的方向和主流。与 低、中速列车相比，高速列车具有极大的优越性和广阔的 发展前帚。 首先，高速列车运营速度快。高速列车一般都在2 0 0 公里小时以上，可以大大地缩短乘客的旅行时间，在与 公路和航空的竞争中，具有不可低估的优势。 其次，高速列车技术设备先进，乘客乘坐舒适安全。 高速列车实行车体结构轻型化，使用无摇动台的转向架， 采用两种以上的制动装置。列车外型充分考虑空气动力学 的性能。车上设备航空化，并带有先进的车辆故障自动巡 回检测报警记录功能，大大地提高了车体高速运行的安全 性和舒适程度。 再次，高速列车采用了全新的运营管理模式。列车运 营时间长、库停时间短，运行交路完全由计算机控制。检 修时采用整列车不摘钩进段、三平面立体检修，保证了列 车具有较高的运用率。 最后，高速列车节约能源，减少污染。由于使用电力 牵引，不但提高了列车的运行速度，同时也减少了列车对 环境污染。 当然，高速列车也有其不容忽视的特点。 首先，必须有一整套正确的理论知识，并以先进的技 术实验设备为基础。理论知识能指导高速列车的实验研 究，同时，实验研究的结果也能充实高速的理论。 c h e n g l d u 1 9 9 9 4 西南交通大学研究生学位论文第6 页 其次，必须建设新站线、改造旧站线，设计制造新型 机车车辆。这就使兴建高速列车的初期投资巨大。 再次，必须有切实可行的运营管理机制和高效实用的 维修保养基地。 最后，要培养一批为高速列车服务的管理人员和技术 熟练工人。 综上所述，我们知道新造动车组、新建铁路线、科学 的运营管理机制扣高效动车检修段是高速铁路的四大要 素。从资料中我们可以看到，对于前面的三个要素，国内 外各大铁路科研机构的资料浩如烟海，而对于动车段的论 述却凤毛麟角。本文将对检修动车段的主要设备一一轮对 及转向架更换装置做一个初步探讨，并希望在高速列车、 地铁、轻轨车辆以及当前的车辆段、机务段的检修中得到 应用与推广，提高检修作业的现代化程度。 c b e n g d u1 9 9 9 4 西南交通大学研究生学位论文第，页 第一章弹性膜薄气垫技术简介 1 1 物料搬运方式的发展 人类从事任何一种社会活动往往都离不开物料搬运。最初，人类采 取的是强拉硬拖而使之滑动的方法。但是，这种方法非常费力，而且与 承载地坪的高低不平有着密切的关系。偶尔，人们将水洒落在承载地坪 上，使承载地坪与物体之间湿润，虽然物体被水沾污了，然而活动却轻 快了一些。因此，后来当搬动重物时，人们学会了泼洒些水或者油， 这就是润滑的起源。 后来，人们 又采用滚动的方 法来搬运。也就 是在被搬动的物 体下面，并排垫 上数根圆木棒， 拖拉物体使之移 动。这种利用圆 木的方法，是一 个看到圆木棒滚 动的聪明人想出 来的。这样，可 以使搬动变得很 轻松。这就是具 有滚动摩擦的各 种轮式运载工具 的雏形。 如果把需要 搬运的物体，用 某种方法使它悬 浮起来，在物体 和承载地坪之间 只存在一层空 气，那么用很小 引。霹孥暨底l l 一。，壅 图1 1物料搬运方式的发展 c h e n g d u 1 9 9 9 4 西南交通大学研究生学位论文第8 页 的力就可以使物体移动( 如图1 1 ) 。类似这种的物料搬运方式就是本文 所要研究的薄气垫运输。 1 2 弹性膜薄气垫技术简单介绍 薄气垫技术早在十九世纪后期，就有不少人提出了各种设计方案， 直到本世纪二卜年代，薄气垫技术才由理想变成现实。气垫运输装置足 以压缩空气为润滑介质，来消除支承面与重物之间摩擦力的一种裟置。 由于这种运输装置具有结构简单、成本低廉、承载能力强、运用安伞1 1 j 靠等一系列优点，所以它一经出现，便引起了广泛的注意和应用。 1 2 1 薄气垫系统工作原理 薄气垫技术利用空气静力学的地面效应原理悬浮承载物，见下图i 2 ： 匿1 2 弹性膜薄气垫系统的工作原理 首先给出如下的定义，见图1 2 ： 悬浮间隙h 指弹性膜最低点到支承表面的空气层厚度； 最小间隙区空气薄膜的形成区： 浮力室膜片与支承面所围成的充有连续压缩空气的空间； 气囊室弹性膜片与安装底板所围成的空间； 缓冲室气囊室上部并向气囊室提供压缩空气的空间； 起升高度气垫单元由开始充气到稳定工作状态时使载荷悬浮 的高度； 薄气垫元件： 作的原理是：不供给压缩空气时，气垫单元依靠支承 块静止在支承地坪上。当压缩空气由进气口经缓冲室进入气囊室时，气 囊受噩膨胀，与承载地坪一起形成一个封闭的气压浮力室。气囊室通过 囊上的小孔不断向浮力室供气，使浮力室压力不断升岛，浮力也不断增 大。当浮力室压力升高到与外载荷平衡时，弹性膜开始离开支承表面， 窄气由两者之间的间隙泄露。此时浮力室的压力不再升高，弹性膜变 c h e n g d u 1 9 9 9 4 西南交通大学研究生学位论文第9 贰 形达到稳定。这样载荷就悬浮在层薄薄的空气膜上。 由于接触间隙区形成了空气润滑薄层，使相互运动时的摩擦系数大 大降低，从而也大幅度降低了使物体移动所需的作用力。这一点也是薄 气垫技术之所以引起广泛注意的主要原因。 1 2 2弹性膜薄气垫单元的分类 e 1 g1 1 口g 量寿盘z 交煎2 - _ ，- - 署z厂4 、0 ，c 、 坯! 0 ，则口2 ，b 。，c i 呻寸，系统稳定。 赫尔维茨指出，对于线性定常系数系统，如果式子( 3 4 ) ： c h e n g d u1 9 9 9 4 )2 3( 吼孝 m m d一水一妒 西南交通大学研究生学位论文第3 5 艇 ，( j ) = a 3 5 3 + 口2 s2 + 口i s + 口o ( 3 4 ) 中特征多项式各项系数为正且赫尔维茨行列式也全为正，则系统稳定。 赫尔维茨行列式如下： d i5 口2 卟 ：蚓 1 0 2a o d 3 。i a ，0 1 1 0 a 2 其中，赫尔维茨行列式的主对角线元素为口。，口。d ，。a ，每列元 素是以主对角线为基准，往上脚标递减的顺序，往下脚标递增的顺序， 凡是脚标大于n 或小于0 的系数均为0 。 李纳德威伯特( l i e n a r d c h i p a n ) 证明，在特征多项式各项 系数为正的情况下，若所有奇数阶行列式为正，则所有偶数阶行列式也 为正。由此，判据计算可以减少一半。 两种判据在表面形式上有所不同，但是对同个系统的判定，两者 的结果都是致的。因此。用一种判据就可以判定系统的稳定性。本文 用的是赫尔维茨判据。通常称稳定系统的多项式为赫尔维茨行列式或稳 定多项式。 3 4 弹性膜薄气垫系统的稳定性条件 3 4 1 薄气垫系统的模型化处理 为防止气垫单元浮力室的压力因为各种原因而突然损失，造成拖拉 现象，设计中采用了拥有缓冲室的双腔结构。缓冲室的目的是限制浮力 室压力的改变，及时向浮力室补充气或容纳浮力室挤压后的多余空气。 薄气垫单元稳定工作状态如图3 2 。 为便于推导，定义弹性膜与支持表面间的容积( 郦浮力室容袱) 为 控制容积v ，同时做如下的假设 3 1 ( 1 ) 浮力室中的压力p 足等压的匀匝场； ( 2 ) 间隙区的气流流动是由压差( p - - p 。) 引起的层流 ( 3 ) 在气垫单元的垂向运动中，弹性膜形状保持不变： c h e n g d u 1 9 9 9 4 o3 o o 嘞 西南交通大学研究生学位论文第3 s 页 ( 4 ) 系统中缓冲室对浮力室的供气压力p 。不变； ( 5 ) 间隙区宽度( r ：r 。) 保持不变。 上面的假设与实际运用中的情况相比有些差异，但对于理论研究却 大有帮助。 缸叮皿圈璀 r a 图3 2 弹越猫随p 也系统 3 4 2 系统特征方程的推导 ( 1 ) 从控制容积泄露的流量 对于稳定状态的薄气垫系统我们町以按气密半径展开而形成的缝 隙节流来计算。缝隙的长度为气膜间隙区的宽度l = ( r ：一r 。) ，而其宽 度为气密圆周的长度b = 2 m o ，缝隙高度为空气膜的高度h 。展开后的缝 隙节流如下图所示： 一 匿3 3 缝隙节流示意图 对于图3 _ 3 中的缝隙节流取其中的微元六面体”，如图3 4 所示， 圈3 4 平行板中的问陈_ l j f c 动 c h e n g d u 1 9 9 9 4 西南交通大学研究生学位论文第37 贝 它的力平衡方程为： p 舭一( p + 咖) 两旧匕一r d x d z + ( f + d f ) d i 出= 0 接理后得：孕：华 d rd v 引入f = ，小咖，得维诺克一斯托克斯方程： ( 3 _ 6 ) ( 3 7 ) 印d 1 ”浦d 2 1u p 孟2 孑或矿一p d x 将上式对y 积分两次，町得速度沿y 的分布： v ( y ) = 瓦1 y 2 d 忑p + 砂+ 口 由于缝隙上f 两平面固定不动，故当y = o 及y = 时，v ( o ) = v ( ) = 0 ，代 入上式，可以得到：b = o 及一= 一上2 1 u 尘d x 所以： v ( y ) = 五l 忑a p y ( y 一 ) ( 3 8 ) 流经缝隙上下两平面间的质量流量为： q 。= 圳f v ( y ) 方一p d pf ( y 2 _ y h ) d y 6 础3 咖 一蒜言 d 。p ；一1 2 x l 丁m( 3 9 ) 出 b # n 3 由于气体在间隙中产生的热量不多，因而可认为流动具有恒定的温 度。利用理想气体状态方t 陧p p = r 7 代入上式，并分离变量得： 西南交通大学研究生学位论