（车辆工程专业论文）耦合轮对车辆动力学性能的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 自铁路运营以来，铁道机车车辆的轮对基本上都采用两个车轮紧固在一 根车轴两端的形式。这种传统固定轮对的优点在于它具有纵向蠕滑力产生的 偏转力矩从而使轮对具有自导向功能，但是在纵向蠕滑力矩的作用下，当车 辆运行速度较高时就可能产生蛇行失稳。因此，近年来独立回转车轮日益受 到重视，与传统轮对相比，独立回转车轮不存在纵向蠕滑力产生的偏转力矩， 因而不产生蛇行运动，对提高稳定性有好处。但这一优点也同对是它的缺点， 因为独立回转车轮失去了纵向蠕滑力矩的导向作用，因而降低了轮对的直线 复位性能和曲线通过性能。鉴于此，国外一些专家学者又提出了耦合轮对的 设想，即轮对的左右车轮通过某种形式进行适当的耦合，这样便可产生适量 的纵向蠕滑力，从而使轮对既具有导向功能，又能保证车辆具有较高的临界 速度。国外在这方面已做了一些开拓性的研究工作，而国内关于耦合轮对的 研究还基本上是一片空白。为了填补国内在这方面的研究空白，也为了促进 列车的高速化进程，很有必要对这一新技术作深入的研究。本文在国外对耦 合轮对的研究基础之上，提出了一种新型的耦合轮对磁流变耦合轮对， 进而对磁流变耦合轮对车辆的动力学性能进行了系统深入的研究。 本文根据磁流变流体的流变特点，首次设计出了磁流变耦合轮对的结构 方案，分析了磁流变耦合轮对的工作原理，然后建立了包含3 8 个自由度的磁 流变耦合轮对车辆系统的非线性动力学模型，编制了磁流变耦合轮对车辆系 统动力学的计算仿真软件。 根据磁流变耦合轮对车辆系统动力学计算程序的仿真结果，对磁流变耦 合轮对车辆的直线平稳性、稳定性和动态曲线通过性能进行了系统全面的分 析，找出了轮对耦合度对车辆动力学性能的影响规律。 为了考察线路条件( 特别是曲线半径r ) 的变化对轮对耦合度取值大小的 影响，本文采用遗传算法对磁流变耦合轮对车辆通过不同半径曲线时转向架 前后轮对耦合度的匹配关系进行了优化研究。经过遗传算法的优化分析，找 出了转向架前后轮对的耦合度的取值随曲线半径的变化规律。 本文还从列车动力学的角度对磁流变耦合轮对的动力学性能进行了研 究，提出了一种计算列车动力学的新方法循环变量法，建立了基于循环 变量法的列车动力学模型，编制了列车动力学计算软件。通过对传统固定轮 对、独立回转车轮和磁流变耦合轮对列车动力学性能的分析比较进一步论证 西南交通大学博士研究生学位论文第1l 页 了磁流变耦合轮对的优越性。 磁流变耦合转对的优越性在予它可以在控制系统的作用下根擐实际嚣 要来调整其耦合程度从而使车辆的动力学性能在各种工况下都可保持最佐， 但是这种优越性的发挥还需要相关的检测、控制等配套技术的支持，丽本文 对磁流变藕合轮对动力学性能的研究恰好为下一步磁流变耦合轮对控制系统 的研匍提供了重要的理论依据。 关键谣；藕合轮对；磁流交流体；动力学性能；遗传算法；剜车动力学 堕妻奎垄查堂堂主堡塞兰兰焦鲨塞 蔓! ! ! 要 a b s t r a c t s i n c er a i l w a yi sp l u n g e di n t ob u s i n e s s ，t h ew h e e l s e t sw i t ht w ow h e e l sf i x e d t ot w oe n d so fo n ea x l ea r ec o m m o n l y a d o p t e di nr a i lv e h i c l e t h ea d v a n t a g eo f c o n v e n t i o n a lf i x e dw h e e l s e t si st h a tt h e yh a v es e l f - s t e e r i n gc a p a b i l i t yp r o d u c e d b yl o g n i t u d i n a lc r e e pm o m e n t s ，h o w e v e rh u n t i n gu n s t a b i l i t yp o s s i b l yo c c u rw h e n t h e s p e e do fv e h i c l eb e c o m e sh i g h e r , s oi n d e p e n d e n t l y r o t a t i n g w h e e l sa r e a t t a c h e d i m p o r t a n c e t o i n c r e a s i n g l y i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n g w h e e l sd o n t e n g e n d e rl o g n i t u d i n a lc r e e pf o r c e s ，s oh u n t i n gw o n to c c u ra n dt h es t a b i l i t yo f v e h i c l es y s t e mi sv e r yg o o d b u ti n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sl o s es e l f - s t e e r i n g c a p a b i l i t y o f l o g n i t u d i n a lc r e e pm o m e n t s ，s o i t sr e s t o r a t i o n c a p a b i l i t y a n d c u r v i n gp e r f o r m a n c eb e c o m e sw o r s e t h e r e u p o n ，t h ei d e ao fc o u p l e dw h e e l s e t si s b r o u g h tf o r w a r dt h a tt h el e f ta n df i g h tw h e e l so fw h e e l s e t sa r ec o u p l e dp r o p e r l y t op r o d u c eaf e wl o g n i t u d i n a lc r e e pf o r c e s i nt h i sw a y , c o u p l e dw h e e l s e t sh a v e b o t hs e l f - s t e e r i n g c a p a b i l i t ya n dh i g h e rc r i t i c a ls p e e d s o m er e s e a r c h e sa b o u t c o u p l e dw h e e l s e t sh a v eb e e nc a r r i e dt h r o u g ha b r o a d ，h o w e v e rr e s e a r c ha b o u t c o u p l e dw h e e l s e t s i s b a s i c a l l y ab l a n ki nh o m e l a n d i no r d e rt o f i l l u pt h e r e s e a r c hb l a n ka n ds p e e d u pt h ep r o g r e s so fh e i g h t e n i n gt r a i n s s p e e d ，i n - d e p t h r e s e a r c ha b o u tc o u p l e dw h e e l s e t si s v e r yn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h e s t u d ya b o u tc o u p l e dw h e e l s e t sa b r o a d ，a u t h o rh a v eb r o u g h tf o r w a r dak i n do f n e w c o u p l e dw h e e l s e t s - - m a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t s ( m r c w ) i nt h i s p a p e r ，t h e s t r u c t u r es c h e m eo f m a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e d w h e e l s e t si sd e s i g n e da n di t sw o r kp r i n c i p l ei sa n a l y z e d a f t e r w a r d s a3 8d o f n o n l i n e a rd y n a m i c sm o d e lo fv e h i c l es y s t e mw i t hm a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e d w h e e l s e t si se s t a b l i s h e da n dt h er e l e v a n tc o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a mi sw r i t t e n a c c o r d i n gt o t h ec o m p u t a t i o nr e s u l to fd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h e r e s p o n s ea n ds t a b i l i t yo nt h et a n g e n tt r a c ka n dc u r v ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e w i t hm a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t sa r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l ya n d t h el a w s o f c o u p l e d c o e f f i c i e n tt od y n a m i cp e r f o r m a n c eo f v e h i c l ea r ef o u n d i nt h i sp a p e r ，o p t i m i z a t i o no fc o u p l e dc o e f f i c i e n tf o rt h el e a d i n gw h e e l s e t s a n dt r a i l i n gw h e e l s e t so fb o g i ei sr e s e a r c h e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dt h e o p t i m a lm a t c h i n gl a wo fc o u p l e dc o e f f i c i e n t f o rl e a d i n ga n dt r a i l i n gw h e e l s e t s h a sb e e nf o u n dw h e nav e h i c l en e g o t i a t e sa l lk i n d so fr a d i ic u r v e 西南交通犬学博士研究生学位论文第1v 页 i nt h i s p a p e r , t h ed y n a m i c sp r o b l e m o ft r a i nw i t h m a g n e t o r h e o l o g i c a l c o u p l e d w h e e l s e t sa r ea l s or e s e a r c h e da n d p u t f o r w a r dan e wm e t h o do f c o m p u t i n g t r a i n d y n a m i c s - - - c y c l e v a r i a b l em e t h o d i n s u c c e s s i o n ，a t r a i n d y n a m i c sm o d e lb a s e do nc y c l ev a r i a b l em e t h o di se s t a b l i s h e da n dt h er e l e v a n t c o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r eo nt r a i nd y n a m i c si s d r a w nu p 。b yc o m p a r i n g d y n a m i c sp e f f o r m a n c e o ft h et r a i nw i t ht r a d i t i o n a lf i x e d w h e e l s e t s ， i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sa n dm a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t s ，i ti s a p p r o v e d t h a tm a g n e t o - r h e o l o g i c a l c o u p l e dw h e e l s e t sa r es u p e r i o rt ot h eo t h e r s t h em e r i to fm a g n e t o r h e o l o g i c a l c o u p l e dw h e e l s e t si s t h a tt h ec o u p l e d c o e f f i c i e n to fm r c w n e a t l yc o u l db ec h a n g e du n d e r t h ec o n t r o ls y s t e m ss ot h a t v e h i c l ed y n a m i c sp e r f o r m a n c ec o u l dk e e pb e s te v e ra n da g a i n h o w e v e r , t h e e x e r t i o no fi t ss u p e r i o r i t yn e e d st h es u p p o r to fr e l e v a n tt e s t ，c o n t r o lt e c h n i q u e s i t j u s tr i g h tp r o v i d e di m p e l l i n gt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o l s y s t e m t h a tt h er e s e a r c h o n 岛n a m i c sp e r f o r m a n c e o fm a g n e t o - t h e o l o g i c a l c o u p l e d w h e e l s e t si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o u p l e dw h e e l s e t ；m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ；d y n a m i c sp e r f o r m a n c e ； g e n e t i ca l g o r i t h m ；t r a i nd y n a m i c s 亘壹奎夔盎堂堂士研究生学位论文第1 页 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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 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 不保密留名用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：枞年月。日 指导教师签名 日期：跏；年厶月上日 西南交逝大学博士研究生学位论文第页 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：爨呈交的学馒论文，是本人程导师指导下狻立逡行矫究 工作所取褥的成果。除文中已经注甥弓l 用的呋容夕 ，本论文不包含镁露其链 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的婿究徽如贡献懿令人帮 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到零声明的法律缝果幽本 人承担。 本学位论文的主要创瓣点擞下： 1 善次把磁滚变技术瘫用瓣铁道车辆耦合轮对豹藕合器审，并率先设计 是了磁浚变糨会器的据步结梅方案。体现在本文第2 章。 2 。蓠次建立磁滚交辍含轮对擎辆系统全自由寝( 3 8 个诌由度) 酌菲线性 礁力学模型，扶对域疮对磁滚变耩含轮对车辆瓣壹线运幸亍平稳性、稳定髅稻 动态曲线通过性能送行了系绞全垂鳃分辑。俸现在本文第3 章秘第4 章。 3 赘次采用遗传算法对磁滚变辏会轮对车辆邋遘不嗣半径趋线时转淘粱 藏最轮慰糕合度匏甄配关系进摇了饯能研究，找爨了转囊架蘸嚣轮对藕合度 的最佳取值照曲线半径的变化规律，这一觏德约发现为下一步磁漩变援合轮 对控制系统的研制提供了重要的理论依据。体现在本文第5 章。 4 提出了一神计算列擎动力学阀题的叛方法缀舔变量法，并逶造算 例验证了该方法的有效性。体现在本文第6 章。 学位论文作者签名： 日期： 卵箨 占穷目 堕煎窒通拳皇堕士姆究生学位论文第1 页 董。1 论文选惩鹜素 第1 章绪论 自铁路运营以来，铁道机车率辆的轮对基本上都采用两个率轮紧颤在一 檄车辘两端静形式，嚣麓这释轮辩的左森车轮鹣旋转速度始终怒藕司静，为 了保证攀辆顺利通过曲线，车轮的踏面采用了具有一定镶度的踏湎形式( 车轮 瓣滚动豢半径出轮缘囱羚逐濒城奎) 。这秘蒂有锥疫懿鞫定轮j c 孝戆主鬟侥点 悬：可以利用左农车轮滚动圆半径的变化和轮轨蠕滑力的作用，使轮对在直 线主霹以逶过蛇褥运动熬形式鑫瀵谖节它囱魏邋中央的对孛性裁；在夔线上 可以通过纵向蠕滑力产生的偏转力矩使它具有自导向功能。j 。 但是，随着列车高速他进程姻发展，传统固定轮对天生鲍不足之处靛逐 渐暴露出来了t 3 “4 1 ；一是带锥度的固定轮对固有的蛇行自激振动将随蓿列车 运行速度的提高蕊变得越来越剧烈，蛇行运动惩化了泵坐舒适燃，增大了轮 簸磨耗，严重时还危及行车安全；二是捌车在魏线上运行时，国子内外钢轨 长度不一致，尽镣车轮踏面具有锥度，但因安全性和稳定性等多种因素的制 约，车轮豹蹊萄镶度不艇设诗褥太大，翔之轮轨横窝瀚蒎遣是露限的，所敬 左右车轮滚动圆半径差不能完全匹配内外轨长度差，因而造成轮轨间的相对 瀵动帮轮缘凌蛙，获露鸯曩裁了耱辘瘗损( 特尉楚小半径魏线段) ，这撰会造或 率轮和曲线段的频繁维修和换轨。 嚣毙，在铁遽车辆瓣毽不久，裁剪入提崮髑“毽立旋转车轮”代蛰“露 怒轮对”的设想。最初的“独立旋转车轮”设想是简单地将“阉定轮对”的 左右车轮艇勰，使它们务自独立缝绕车轴旋转，示意图如图l 所示 l 。轮对 的左右车轮解耦盾可以自由旋转，不再产生纵向蠕滑力，因而不会产擞蛇行 运动，临界速度可以达到很高，对提高攀辆系统的稳定性有好处。但这一优 煮也同时是它的缺点p ”，嚣为独立圈转车轮失去了级向蠕滑力矩的白导囱 功能，在车轮制造和安装误差及轨道不平顺的影响下，即使在平直轨道上， 猿立鼙转车轮一般逡会懿靠钢轨熬菜一穗运行，丽不髓巍动鑫鞔道串夹复经， 因而加剧了脱轨的倾向：在曲线上，独立回转率轮主癸依靠轮绦来导向，一 羹发生轮缘接皴，缀难绦证轮辕一点接皴，嚣琵缀容曩逡成轮缘豹巨大瘥撰。 许多理论和试验研究也都表明隅“”，由于独立阐转车轮缺乏蠕滑力的自导向 西南交通大学博士研究生学位论文第2 页 作用因丽使碍独立回转车轮不但直线复位性毙缀差嚣曼越线遴过性能也缀 差，因此导向问题一直是独立回转车轮发展的“瓶颈”。围绕藿独立回转车轮 的导向问题，图外提出了很多解决方案，比如把独立回转车轮转向架做成拖 动式的1 2 “、加大车轮踏面的锥度【2 2 3 1 、加设特殊的导向机构2 4 2 6 1 等。 随着人们对车辆动力学研究的深入，研究者们发现轮轨纵向蠕滑力在轮 对的导向中起着不可低估的律用，于是国外一些学者提出了一种介予传统固 定轮对和独立圈转车轮之间的藕合轮对的设想1 2 7 。“，其原理可以用图1 2 来 示意。耦合轮时鄯通过某种藕合器把独立回转的左右车轮的自由回转运动迸 行透当豹耩联，这样裁_ 玎淡产生邋量的缀淘蠕滑力，放蕊使车辆在保证有较 裹的临界遽度豹冠时，还霹以提褰轮对窝辘邀牵夹复位酶性麓帮改善转向檠 的曲线通过姓麓。 胬1 - 1 独立旋转车轮模燮简豳 辫1 - 2 藕合轮对模登简潮 耦含轮对的概念一提出，就受到很多研究人员的关注，英国、美国、加 拿大、德国、法国锌国家的许多学者投入了大量的精力来对耦合轮对进幸亍理 论和试验研究，其中以加拿大的a h r n e d 研究的弹性一阻尼耦合轮对 e d c w ( e l a s t o d a m p e rc o u p l e dw h e e l s e t ) 3 1 7 孙1 和德国m b b 公司开发的磁力 耦含轮对m p c w ( m a g n e t i cp o w d e rc o u p l i n gw h e e l s e t ) 4 1 ”最为著名。 褶院之下，我国在稻合轮对的研究领域基本上是片空臼。为了填补国 内在这方蔼研究静理论空囱，也为了促进剜军酌商速纯遴程，很有登要对这 一薪技术俸深入静研究。本文在国外对耦合轮对静研究基础上提出了一稀新 型懿藕合轮对皴浚变糕会轮对。磁漉变藕合轮对是零l 鼹磁流变溅俸特有 的磁滚变效应来工作的。磁漉变流体燕一辨智裁性麴浚俸，如图1 3 蹶示p 7 j ， 在钋加磁场的作用下，磁淡变漉体能农毫秒级的酎间内由牛顿流体变必舆鸯 较商屈服应力的半固体，并且这种变化是可逆和可控的。磁流变耦合器妪是 利用磁流变流体的这种特性来改变耦仑轮对的耦台度 3 8 “】，从而改变轮轨蠕 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 滑力，进而改善车辆的动力学性能。 ：毫? 0 ：z ：裔：矿j 皇，：。差：誊麓 善乏量主三i 五9 么_ + 咛二。口- ( a ) 未加磁场时( b ) 施加磁场时 图1 3 磁流变流体的流变机理 1 2 轮对导向原理 轮对的导向是指当其相对于轨道中心线发生偏离后能够回归到轨道中央 的现象。轮轨蠕滑力在轮对的导向过程中起着重要的作用，由文献 1 可知， 作用在轮对上的横向蠕滑力与纵向蠕滑力矩如图1 4 所示，其表达式可初略 写为： l = & + * 2 l ：y ( 1 一1 ) m ：。一2 1 ：2 b y ，( 1 - 2 ) 式中，_ ，：。，厶分别为轮轨纵向和横向蠕滑系数，五为车轮踏面有效锥 度，b 为左右轮轨接触点间距之半，矗为车轮标称滚动圆半径，y 。为轮对横 移量，v 为轮对摇头角。 对于传统固定轮对来说，其左右车轮紧固在同一车轴上，因此左右车轮 的旋转速度和摇头角都相同。如图1 - 5 ( a ) 所示，当轮对向右( 正方向) 偏移y 。 时，在左右轮轨接触点处形成滚动圆半径差，而左右车轮的旋转速度又是相 同的，这样必然在左右轮轨接触点处产生相对滑动，从而产生相应的纵向蠕 滑力t ，k 。纵向蠕滑力t ，和产生的偏转力矩使轮对向逆时针方向偏 转，有公式( 1 一1 ) 可知，负偏转角会产生负的横向蠕滑力，加之，此时的重力 复原力也为负，在横向蠕滑力和重力复原力的作用下，促使轮对向轨道中央 西南交竭! 呈大学博士研究生擎位论文第4 页 复位。当轮对顺时针偏转妒角度时，如图1 - 5 ( b ) 所示，轮对的纵向速度在横 向要产生一个速度分量，造成轮对的横向相对滑动，从i 酊产生横向蠕滑力， 迫使轮对向右运动。由公式( i 一2 ) 可知，正横移量会产生负的蠕滑力矩，促使 轮对复位方向偏转。可见传统固定轮对的横穆和摇头是相伴而行的，促使轮 对在前进的过藕中不断追丽绕轨道中心线作正弦波状来回摆动，即蛇行运动。 蛇行运渤的优悫是可使轮对向辘道中央动态筮位；其缺点是轮轨磨耗较大， 对行车安全还蠢一释潜在性的藏耪。 豳1 。4 作用在轮对上的蠕滑力 ( a ) 轮对横移 f b ) 轮对摇头 图1 - 5 传统轮对导向原理 当传统固定轮慰左右车轮聪辍成独立迥转车轮踺，茳右车轮鑫基覆绕车 轴自由旋转，因面不存在蛇行运动的动态复位性能，当轮对横移对，轮对是 轨道中心线复位主要靠藿力复原力。但重力复原力必须要大予攮魔零擦力才 足以使轮对向轨道中心线复位。重力复原力主要是因轮对左右车轮接触角差 而产生的。霪力复原力l 与横向摩擦力f ；可糕略表示为【”1 ： f * w t a 艿1 ( 1 3 ) f 。* 译l l 3 式中，缈表示轴重，巧表示左右车轮接触角差，“表示滑动摩擦系数。 从公式( 1 3 ) 可以看出，左右车轮的接触角麓至少要与滑动摩擦系数相当才能 产生能使轮对复位的重力复原力，这样接触角蒺至少应达到0 2 o 3 弧度左 右。舀本的e i s a k us a t h o 设计了一种大锥度的独立回转车轮踏面，它与一般 锥形踏西和瀚弧形踏面的接舷角比较情况如图i - 6 所示”5 ，4 ”。从黼中可以看 爨，强弧形路瑟车轮在横移8 r a m 还不能褥蓟酌重力复原力，而商锥度踏面 西南銮通大学博士研究生学位论文第5 页 的独立回转车轮横移3 m m 左右就能得到。此外，英国的e i c k h o f f 和意大利 的p a n a g i n 、m a l a v a s i 、c r o a z z a 等也都对独立回转车轮的高锥度踏面进行过 一些研究2 2 。2 ”。 二l = ； 制三 芸一 叠； i ： 艳对一位善( - 一， f 目r ( a ) 轮对横移( b ) 轮对摇头 图1 6 不同踏面的接触角差比较图1 7 独立回转车轮导向原理 踏面的锥度越大，轮对的重力刚度和重力角刚度值就越大。重力刚度值 始终为正，所以它可以使发生横移的轮对回到轨道中央；但是重力角刚度却 是一个负刚度，它是一个不稳定因素，如图l 一7 ( b ) 所示，一旦轮对偏转一个 角度，由于独立回转车轮不产生纵向蠕滑力矩来与重力角刚度形成的偏转力 矩相平衡，因此重力角刚度就迫使偏转角继续增大，直至轮缘斜靠钢轨发生 两点接触而形成的轮缘力矩与重力角刚度形成的偏转力矩平衡为止。因此如 何避免两点接触一直是独立回转车轮高锥度踏面设计的一个重要课题。 德国的f r e d e r i c h 教授巧妙地解决了 独立回转车轮偏转和不能归位的弊病，他 把独立回转车轮前后布置成轮座的形式， 如图1 8 所示( 4 3 “。轮座也是利用高锥度 踏面产生的重力复原力来使发生横移和偏 转的独立回转车轮复位的。当轮座横移时， 如图1 9 ( a ) 所示，前后车轮的重力复原力 使轮座向轨道中心线复位。当轮座发生偏 转时，如图1 9 ( b ) 所示，由于前后车轮的 偏转角相同，所以前后车轮产生的横向蠕 产 _ 。 k “- 二 图1 8 轮座转向架简图 滑力相等，因而相对于回转中心产生的横向蠕滑力矩相互抵消。但是前后车 轮轮轨接触点处的有效踏砸锥度不同，图1 - 9 ( b ) 中是前轮的锥度大而后轮的 西南交通大学博士研究妻e 学位论文第6 页 锥度小，因而前轮的重力复原力大于后轮的重力复原力从恧形成一令重力复 原力矩使轮座反向偏转而! 黩位。 f g y r 2f g y a a ) 轮座横移 ( b ) 轮瘫摇头 图i - 9 独立澜转车轮轮座导淘原理 从理论上分析，轮座怒独立回转车轮一种较理想的导向形式，但是轮座 豹擎轮和构粲都属于簧下部分，因而簧下质量较大。此外高锻度踏面的自旋 孀滑产生的轮鞔癌耗遣逶不可，j 、视的。 在解决独立圈转车轮静导肉闯遂中，褡本的k 0 y a n a g i ，s h i r o 还提出了采 用第三孰来导蠢【2 4 越5 1 ，霭予脆把车轮黯瑶徽藏霭辕形，这样还可避免自旋蠕 滑的产生。c h o l l e t ，h 等人：j 丕提如了用磁导轶寒导翘，翅国1 1 0 绣示1 2 “。这 种方寨的成本较高，且过道岔的阉题墩缀难解决，魇以到晷懿为止，也逐只 停留在小型的模型试验阶段。 r 一 广 f 一 龠一蔷，一再，p 一要i 銎迥 蹙l l o 磁导孰匮柱黪覆独立车轮图1 1 l 拖动式独立车轮静连接形式 独立鹜转车轮逡溺疑成功的要算西班牙的t a l g o 摆式列车，玄采用了如 颦1 1l 掰示蛇撼动式连接形式川。每节车嚣静焉端支撑在2 个独立回转车轮 织成鳇支座上，藩端铰接在藩一车耀尾韶撰梁豹中央，从舔形成三点支撑， 这样每一对独立圊转车霉仑均以撼动的形式兹进。这秘设计馕独立圈转车轮获 得了适当的罨向姥力，趿面这秘拖动式独立凰转车轮是垦魏为止嚷一能够投 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 入商业运营的成功典范。但是由于其转向架为单轴转向架，这种拖动式独立 车轮转向架一般只用于轻量化的车辆上。 在寻找独立回转车轮的导向措施过程中，还有人提出了耦合轮对的设想： 让轮对既不完全固定，也不完全独立，而是通过某种装置使左右车轮进行适 当的耦合，这样既降低了轮轨蠕滑，同时又可保留传统固定轮对的自导向特 性，因而直线稳定性和曲线通过性能都能得到改善。 1 3 耦合轮对的发展与研究概况 耦合轮对的概念最早是由英国的b e n i n g t o n 于1 9 6 8 年提出的【2 ”，他初步 分析认为轮对通过阻尼适当耦合可以缓解直线稳定性与曲线通过性能之间的 矛盾。紧接着d u k k i p a t i 利用b e n i n g t o n 的耦合轮对模型考察了轮对耦合参数 及悬挂参数对稳定性的影响，发现阻尼耦合轮对的动力学性能确实比传统固 定轮对好1 2 。二十世纪七十年代，d o y l e 、p r a u s e 和h a d d e n 进步对耦合轮 对进行了研究1 2 ”l ，他们得出的结论是：轮对的耦合阻尼对系统稳定性的影 响可以忽略不计：而耦合刚度对稳定性的影响很大，车辆的稳定性随着轮对 耦合刚度的增加而增大，当耦合刚度达到很大而使左右车轮成为固定轮对时 的临界速度最高( 后来的研究表明，这个结论是不正确的) 。 二十世纪八十年代，掀起对耦合轮对研究的热潮，其中对耦合轮对的理 论研究贡献最大的要算加拿大的a h m e d 。他首先建立了弹性一阻尼耦合轮对 e d c w ( e l a s t o d a m p e rc o u p l e dw h e e l s e t ) 的横向线性动力学模型，如图1 一1 2 所示f 3 “，考虑了轮对的横移、摇头和自旋三个自由度，构架被假设为是沿轨 道前进的固定参考系。 图l 1 2 弹性一阻尼耦合轮对模型 a h m e d 在频域内对分析了扭转刚度和扭转阻尼对轮对的临界速度的影 响，其影响趋势如图1 1 3 所示【3 ”。从图中可以看出扭转刚度和扭转阻尼对轮 西南交通火学博士研究生学位论文 第8 页 辩静箍赛速度都裔较大的影响。 嚣 1 蜊 艘 撩 瞧 e d c w 扭转刚度k 。( k n m r a d ) ( a ) 荡 童 拦 瑙 豫 蝗 e d c w 扭转阻尼c “( n m s f a d ) ( b ) 圈1 1 3 稳转刚度和扭转黻尼对临界速度的影晌 由于仅考虑轮对运动的动力学模型过于简单，不能考察藕合参数澍转向 絮和车辆稳定性的影响，所以a h m e d 紧接着又建立了包含1 1 个自由度的 e d c w 货车转向架的横向线性稳定性模型p ”。分析的结果是当摁转阻熙过小 时，扭转潮度不能提高系统翡稳定性。与诧同时，a h m e d 又建立了轮辩仅有 阻尼耦合的三大件转向架货车的稳态曲线通过模型 3 3 1 ，分析结果认为适当的 黻愿藕会霹戳疆麓轮对浆导囱戆隽改善车辆静鑫籍线逶j 箜性链。a h m e d 簸宏得 出的结论是：当轮对左右车轮的耦合力增大时。轮对导向能力增强，临界速 度下降；巍轮对戆禚会力猿冬露，轮对鼯囱戆力减弱，睡赛速度上瑟。这样 直线稳定性和曲线通过性能的矛盾可以通过优化轮对的耦合参数来加以优化 摄中。 ( a ) 结构方案( b ) 外观圈 图l - 1 4 磁力耀会轮慰 德国的m b b 公司在发展i c e 计划时对阻尼耦合轮对进行了试验研究， 西南交通大学博士研究生学位论文 第9 页 他们研制了一种蠕滑力可控的磁力耦合轮对，如图l 1 4 所示3 4 3 ”。轮对的 左右车轮之间由一磁力元件进行耦合，轮轨间的纵向蠕滑力可以通过磁力耦 合元件来加以控制。车轮采用磨耗型踏面，其构架由纤维复合材料制造，如 图1 1 5 所示1 3 。这种设计的目的是：将车辆的速度提高到3 5 0 k m h 以上， 在直线和曲线上减小横向力、减小磨耗和噪声。 通过滚动台试验得出：通过磁力 耦合元件控制作用可以使轮轨间的动 作用力减小2 0 ；应用纤维复合材料 使转向架重量减轻后，对横向舒适性 有所改善，但它并不能消除速度变化 对舒适度的影响，只有采用蠕滑力可 控的耦合轮对才能减小速度变化对舒 适度的影响，从而真正个改善运行中 竺要差竺母质；滚苎苎竺篓耋矍二竺 图1 1 5 磁力耦合轮对转向架 统轮对在1 0 7 k m h 时就开始失稳而蠕 一。一。 滑力可控耦合轮对在5 0 3 k m h 的速度下还未失稳。 法国g e ca l s t h o m a c r 为了减少t g v 列车轮轨间的摩擦、滚动阻力、 能耗和噪声，也开展了对耦合轮对的理论和试验研究，建立了弹性阻尼耦合 轮对的非线性横向动力学模型，并对装有阻尼耦合轮对的车辆在高速线路上 进行了动力学性能试验，最高速度达到2 9 0 k m h 【4 “。研究结果表明：非线性 模型的计算结果与线性模型的计算结果两者的变化趋势是相似的：优化两轮 间的弹性一阻尼耦合参数，可以使轮对具有足够的中心复原能力，又有很高的 蛇行失稳临界速度 在阻尼耦合轮对的线路试验中没有发现轮缘贴靠钢轨一 侧的现象，虽然耦合轮对的踏面锥度比传统轮对大，但其临界速度远高于传 统轮对，在高速时车辆的舒适度还提高了5 0 。 我国在二十世纪九十年代也对耦合轮对有过一些探索性的研究1 4 “，当时 铁道部科技司以科技机( 1 9 9 5 ) 1 4 5 号文下达了独立轮转向架的研制任务，该项 目由上海铁道大学和铜陵车辆厂共同承担。他们研制的独立轮对左右车轮通 过摩擦片进行了适当的耦合。只是由于种种原因，研究没有继续深入下去。 二十世纪九十年代以来，国外研究者们对耦合轮对的研究主要集中在耦 合技术与控制技术上。除了德国的磁力耦合技术外，还有人提出过机械齿轮 耦合技术、离心力耦合技术和液压耦合技术等设想1 4 ”。本文正是在这种背景 下提出了用磁流变技术来实现轮对的耦合。 堕要塞塑查里堂主塑窭塞堂垡熊塞 蔓! 壁要 1 4 本文的主要工作 本文在国外对耦会轮对的研究基础之上，提出了一种新型鲍撼合轮对 磁流变祸合轮对。本文围绕这种新型的耦合轮对作了以下工作： ( t ) 根据磁流变流体的流变特点，首次设计出了磁流变耦合轮对的结构 方案，分析了磁流变藕合器的工作原理，建立了磁流变耦合器的等效数学模 型。 ( 2 ) 建立磁流交藕合轮对车辆系统三大动力学问趣( 平稳健、稳定性和曲 线邋过性熊) 懿统一动力学模登。在建立藕合轮对车辆模整时一共考虑了3 8 个自由发( 赊糕会轮对由手受钢软煞约束褥只有5 个猿立的爨出发井，车体 和构架的6 个自由度全部都考虑了进去) 。建模孵还充分考虑了轮轨接触凡 何、轮轨蠕滑以及悬挂系统的非线性坯节。编割了磁漉变龋合轮对擎辆系统 动力学计算仿真程序。 ( 3 ) 从时域内分析比较了磁流变藕合轮对车辆与传统固定轮对和独立回 转车轮车辆的直线运行平稳性、稳定性和动态曲线通过性能的各项指标。找 出了转向架前后轮对耦合度分别对车辆动力学性能的影响规律。 ( 4 ) 采厢遗传算法对藕合轮对车辆通过不同半径曲线时转向架前后轮对 藕合度的莲配关系进行了优亿研究。设计了基于遗传算法的车辆曲线通过性 箍鑫每优仡方案，编镅遗传算法优亿程穿。经过遗传算法的优化结果分析，找 如了转两架藤器轮对的耦含度穗凿线半径的交纯兢律，这一规律的发现为磁 滚交凝会轮对控制系统戆磷剑撼供了有力憝依据。 ( 5 ) 对磁滤变糕会鲶对列车动力学送纷了探索性瓣研究，提嬲了种计 算列车动力学的新方法覆坯变燕法。建立了基于循巧变璧法黪列车动力 学模型，编制了列车动力学计算程序。分耩了列车中躯蜃车螅魂力学性戆； 比较了列车动力学计算结果与率辆动力学计算结果的差别；逐分析比较了传 统固定轮对、独立回转车轮和磁流变藕合轮对列车的曲线通过性能优劣，从 而迸一步论证了磁流变耦合轮对的优越性。 西南交通大学博士研究生学位论文第1 1 页 第2 章磁流变技术在铁道车辆耦合轮对中的应用 磁流变耦合轮对主要是利用磁流变流体在磁场的作用下能够在液态和固 态之间进行相互转换的特点来改变轮对左右车轮的耦合程度进而改善其动力 学性能。为了清楚地认识磁流变耦合轮对的工作原理，有必要先对磁流变技 术作一个大致的分析。 2 1 磁流变技术概况 磁流变技术是指将磁流变效应或磁流变现象成功地应用于工程实践的 项技术。它所涉及的内容主要包括：磁流变流体材料、磁流变效应的机理以 及磁流变效应的工程应用。 2 1 1 磁流变流体的成分 磁流变技术的物质基础是磁流变流体。磁流变流体是指将饱和磁感应强 度很高而磁矫顽力和剩磁很小的优质磁性材料的极性粒子均匀分散在不导磁 的基液中所制成的悬浮体1 4 “。 作为基液，一般为硅油、矿物油、辛烷、烃类、聚苯醚等。要求粘度低、 沸点和燃点高以及化学稳定性好。 作为极性粒子，应用较多的为铁、钴、镍、钒等合金和羟基铁粉。极性 粒子的大小有严格的规定，一般为3 5 ，颗粒过小会使饱和磁感应强度降 低，而颗粒太大则很难使悬浮体保持均匀稳定。 2 1 2 磁流变效应的机理 磁流变技术的理论基础是磁流变效应。磁流变效应是指磁流变流体在磁 场的作用下，其流动状态和属性会发生强烈变化，当磁场强度达到某一临界 值时，液体停止流动而达到固化并表现为固体所特有的屈服现象这一特殊 的物理现象被称为磁流变效应【4 。 磁流变效应内在的科学解释是：当无磁场作用时，极性粒子随机悬浮在 基液中作杂乱无章的热运动，如图1 3 ( a ) 所示p ”，此时磁流变流体表现为液 体的属性。当施加磁场作用后，粒子表面出现极化现象，形成偶极子，偶极 子在作用场中克服热运动而沿磁场方向结成链状结构，如图1 3 ( b ) 所示( j “， 极化链中各相邻粒子间的吸引力随外加磁场强度的增大而增强，当磁场强度 西南交通大学博士研究生学位论文第12 页 增至一l 临界值时，偶极子相互作用超过热运动，粒子链转化为宏观的柱状结 构，磁流变流体转化为粘塑性的宾汉姆体，表现为具有一定屈服应力的类似 于固体的本构关系【3 8 】。 许多学者的研究表明，磁流变流体的宾汉姆粘塑性模型的本构关系可表 示为3 9 1 ： f = f 。( h ) s g n ( y ) + 叩户( 2 - 1 ) 式中，f 为磁流变流体的剪应力，户为剪应变速率，可为液体的动力粘 度，h 为磁场强度，r ，( 片) 为与磁场强度有关的剪切屈服强度( w e i s s ( 1 9 9 3 ) 和l o r d 公司( 1 9 9 4 ) 得到的f 。( ) 关 系曲线如图2 1 所示1 。 从式( 2 1 ) 可明显看出，磁流变 流体的剪应力分为两部分：其中彬 是由液体的粘性引起的，而 f 。( h ) s g n ( 2 ) 是由磁流变效应所引 起的。图2 - l 磁变流液体f 。一h 的关系曲线 2 1 3 磁流变效应的特点及工程用途 磁流变流体之所以被喻为二十一世纪最有前途的智能材料之一，主要是 因为磁流变流体在磁场的作用下产生的磁流变效应具有如下特点【5 1 、5 3 ： ( 1 ) 磁流变流体可以在液态和固态之间转换。可以利用磁流变流体的液 固二相转换的特点来改变操作对象的刚度、阻尼和强度等，从而达到所 需的目的。如磁流变离合器、磁流变减振器、流变阀等就是根据此原理来工 作的。 f 2 ) 磁流变流体的液固二相转换是可逆的。随着磁场强度的增大， 磁流变流体可以从液态变为固态；随着磁场强度的减小，它又可从固态变为 液态。如果这种变换过程是不可逆的，那么磁流变流体的工程应用价值将大 打折扣。 f 3 ) 磁流变流体的液固二相转换是可控的。这是磁流变流体的一个 重要特点，可以利用一个简单的电流信号来改变磁场强度的大小从而控制磁 西南交通大学博士研究生学位论文第13 页 流变流体的液固转换程度。磁流变效应的这一特点使它极易与微机技术 相结合从而实现完全自动的智能控制，这正是磁流变流体被称为智能材料的 由来。 ( 4 ) 磁流变流体的液固二相转换是连续的和无级的。这一特点可以 保证工作柔和、噪音低、控制精度高。 ( 5 ) 磁流变流体的液固二相转换的响应速度极快。响应时间一般为 毫秒级，这一特点可以保证控制的灵敏度。 ( 6 ) 磁