（车辆工程专业论文）高速动车组转向架动力学性能仿真分析与对比.pdf

摘要 摘要 在客运高速化及其引进技术消化与再创新过程中，高速转向架的非线性影响已经得 到业内人士的重视，如c r h 5 转向架轮对纵向定位刚度高达1 4 m n m 以上，而且轴距 2 7 m 比通常轴距大0 2 m 。在高速转向架的众多非线性因素中，一系定位装置需要权衡 横向稳定性与曲线通过性能，更好地理解轨道友好型设计的内涵。 本文以c r h 5 高速转向架作为研究对象。在理解与掌握a l s t o m 计算方法和结果 的基础上，建立了c r h 5 转向架的非线性与线性模型。高速转向架非线性模型是指包括 一系定位机构、抗侧滚扭杆装置和空气弹簧悬挂等典型非线性环节，主要应用于非线性 临界速度和曲线通过性能等分析；而线性模型则是将上述非线性环节进行等效线性化后 等到的，主要应用于整车运动模态分析等。 与a l s t o m 计算结果相比，c r h 5 高速转向架的线性与非线性模型具有可比性的 仿真结果。a l s t o m 的转向架模型是利用v a m p i r e 建立的，相当于上述线性模型。 在整车模态分析、临界速度和轮轴横向力等方面对比中，两者具有相似的数据变化规律， 其产生误差的主要原因：基础数据差距，如车轮踏面型面的拟合误差等；非线性环 节影响，如一系定位机构对车轴横向力等所产生不利的影响。 利用a d m a s 的非线性仿真特点，整车与四车组动态仿真分析可以更好地理解高速 转向架性能的非线性影响。根据a l s t o m 等欧洲高铁经验，临界速度计算需要考虑诸 如轮对内侧距、轨距控制误差和轮轨磨耗等不利因素影响，而采用保守计算观点。一般 以满载工况临界速度定义最高时速，以7 0 载荷工况定义最高运行速度。按照a l s t o m 适当缩小轨距提高等效锥度的保守计算方法，车轮踏面l m 临界速度对比表明：两者计 算结果一致，都满足2 5 0 k m h 的最高速度要求。在此基础上，四种典型车轮踏面( l m 、 l m a 、x p 5 5 和s 1 0 0 2 ) 对比计算进一步说明：x p 5 5 踏面具有很好的参数变化光滑性， l m a 踏面可以满足3 0 0 3 5 0 k m h 速度要求。 在曲线通过仿真对比中，两者的车轴横向力具有一致的变化规律，但是存在差距， 最大误差约为1 0 k n 。轮对纵向定位高度越高，曲线通过时车轮纵向蠕滑力越大，因而 牵引系数也会相应提高，从而发生车轮“打滑”的可能性增大。这种车轮“打滑”可能 性主要取决于车轮踏面，如x p 5 5 和l m a 踏面的牵引系数相对较低。车轮“打滑是 造成轮缘接触的主要原因之一。由于高速转向架主要依靠车轮纵向蠕滑力实现偏转，因 而车轴横向力比较高的计算结果是合理的。 关键词：高速转向架；轮轨匹配计算；临界速度；车轴横向力 大连交通人学丁学硕+ 学位论文 a bs t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dp a s s e n g e rv e h i c l e sa n dt h eu n d e r s t a n da n d r e i n n o v a t i o no ft h e i rt e c h n o l o g i e s ，t h en o n l i n e a ri n f l u e n c e so fh i 曲- s p e e db o g i eh a sb e e n p a i dg r e a ta t t e n t i o nb ym a n ys p e c i a l i s t s ，i e ，f o rc r h 5b o g i e ，t h el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s si n w h e e l s e tl o c a t i n gi sm o r et h a n14 m n m 。t h ea x l el e n g t hi s2 7 m ，w h i c hi s0 2 mm o r et h a nt h e u s u a la x l el e n g t h i nm a n yn o n - l i n e a ri n f l u e n t i a lf a c t o r so fh i g h - s p e e db o g i e ，t h ep r i m a r y l o c a t i n gm e c h a n i s mn e e d st ob et r a d e do f fb e t w e e nt h el a t e r a ls t a b i l i t ya n dt h ec u r v e n e g o t i a t i o np e r f o r m a n c e ，i no r d e rt of u r t h e rc o m p r e h e n dt h ec o n c e p to ft h er a i l f r i e n d l y d e s i g n c r h 5h i g h s p e e db o g i ei st a k e na st h ei n v e s t i g a t i o ns u b j e c ti nt h i sp a p e r o nt h e f o u n d a t i o no ft h eu n d e r s t a n d i n ga n dm a s t e r i n go fa l s t o m sc a l c u l a t i o nm e t h o d o l o g ya n d r e s u l t s t h en o n 1 i n e a ra n dl i n e a rm o d e l so fc r h 5b o g i ew e r ee s t a b l i s h e d t h en o n 1 i n e a r m o d e lo fh i g h s p e e db o g i ei si n c l u d e dt h et y p i c a ln o n l i n e a rl i n k s ，f o ri n s t a n c e ，t h ep r i m a r y l o c a t i n gg e a r ，t h ea n t i r o l lr o dm e c h a n i s ma n da i r s p r i n gs u s p e n s i o n , e t c ，w h i c hi sa p p l i e d m a i n l y t ot h ea n a l y s e so fn o n 1 i n e a rc r i t i c a lv e l o c i t ya n dc u r v en e g o t i a t i o n m e a n w h i l et h e l i n e a rm o d e li sb a s e do nt h ee q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o no ft h ea b o v et y p i c a ln o n 1 i n e a rl i n k s w h i c hi sa p p l i e dp r i m a r i l yt ot h em o t i o nm o d a la n a l y s i so ff u l lv e h i c l e e t c o nc o n t r a s tw i t ha l s t o m sr e s u l t s t h el i n e a ra n dn o n - l i n e a rm o d e l so fc r h 5 l l i g l l s p e e db o g i eh a v et h ec o n s i s t e n c yi ns i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n s t h ea l s t o m sb o g i ei s m o d e l e di nv a m p i r e w h i c hi se q u i v a l e n tt ot h ea b o v el i n e a rm o d e l t h eb o t hc a l c u l a t i n g d a t ar e g u l a r i t i e sa r es i m i l a ri nt h ef o l l o w i n ga n a l y s e s ：削lv e h i c l em o d a l c r i t i c a lv e l o c i t ya n d c u r v en e g o t i a t i o n ，b u tt h ed i s t a n c eo fw h i c hi se x i s t e db e c a u s eo ft h eb a s i cd a t aa l l o w a n c e ( f o r e x a m p l e ，t h ew h e e lt r e a dp r o f i l es p l i n ea p p r o x i m a t i o n ) a n dn o n - l i n e a rl i n k si n f l u e n c e ( f o r e x a m p l e ，t h ep r i m a r yl o c a t i n gm e c h a n i s mp r o d u c e dt h ed i s a d v a n t a g ee f f e c t so nt h e a x l e l a t e r a lf o r c e ) b yt h en o n 1 i n e a rs i m u l a t i o nf e a t u r eo fa d a m s t h ef u l lv e h i c l ea n d4 v e h i c l et r a i n s e t d y n a m i c a la n a l y s e sc a nm a k et h eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h en o n 1 i n e a ri n f l u e n c e so f 1 1 i 曲一s p e e db o g i e a c c o r d i n gt ot h eh i 曲- s p e e dr a i le x p e r i e n c e sf r o ma l s t o ma n do t h e r e u r o p e a nc o m p a n i e s ，t h ev i e w p o i n to fc o n s e r v a t i v ec a l c u l a t i o ns h o u l db ea d o p t e ds i n c et h e d i s a d v a n t a g ei n f l u e n c e sf r o ms u c ha st h ew h e e l s e tb a c k b a c kd i s t a n c e ，t h ec o n t r o l l e dg a u g e a l l o w a n c ea n dt h ew h e e l - r a i lw e a r e t e 。g e n e r a l l y 。t h ec r i t i c a lv e l o c i t yi nt h ef u l l 一l a d e n c o n d i t i o ni sd e f i n e da sm a x v e l o c i t y a n dt h eo n ei n7 0 l a d e nc o n d i t i o ni sd e f i n e da sm a x c o m m e r c i a lv e l o c i t y a st h ea l s t o m sc o n s e r v a t i v ec a l c u l a t i o nm e t h o d 。w h i c ht h eg a u g ei s s h o r t e ns u i t a b l ei no r d e rt oi n c r e a s et h ee q u i v a l e n tc o n i c i t y ，i ti ss h o w ni nt h ec r i t i c a l v e l o c i t y c o n t r a s to ft h el mp r o f i l et h a tb o t hc a l c u l a t i n gr e s u l t si sc o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r ， h 摘要 w h i c ha l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f2 5 0 k m h f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p a r i s o no ft h ef o u rt y p i c a l w h e e lt r e a d s 化m 、l m a 、x p 5 5a n ds 10 0 2 ) s h o w st h a tp r o f i l ex p 5 5h a st h eb e t t e rs m o o t hi n p a r a m e t e rv a r i a t i o n s a n dp r o f i l el m a c a nb ea c h i e v e dt h e3 0 0 - 3 5 0 k m hr e q u i r e m e n t i nt h ec u r v en e g o t i a t i o nc o n t r a s t t h eb o t hr e g u l a r i t i e sa r ec o n f o r m e do nt h ea x l el a t e r a l f o r c ev a r i a t i o n s b u tt h ed i s t a n c eo fw h i c hi se x i s t e d a n dt h em a xe r r o ra r r i v e da ta b o u t10 k n t h em o r et h el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s si nw h e e l s e tl o c a t i n gi s t h em o r et h el o n g i t u d i n a lc r e e p a g e f o r c ei nc u r v en e g o t i a t i o np r o c e s s c o r r e s p o n d i n g l y ，t h et r a c t i o nc o e f f i c i e n t sb e c o m e i n c r e a s e d i 1 1r e s u l ti nt h eo c c u r r e n c ep r o b a b i l i t yo ft h ew h e e ls l i pe n h a n c e d t h ew h e e ls l i p p r o b a b i l i t yi sd e p e n d a n to nt h ew h e e lt r e a dp r o f i l e ，f o ri n s t a n c e ，t h et r a c t i o nc o e f f i c i e n tf o r p r o f i l ex p 5 5a n dl m a i sr e l a t i v el o w e r t h ew h e e ls l i pi so n eo ft h em a i nr e a s o n so ff l a n g e c o n t a c t s i n c et h eo r i e n t a t i o no fh i g h - s p e e db o g i ei sd e f l e x e di nc u r v en e g o t i a t i o nm o s t l yb y t h ew h e e l sl o n g i t u d i n a lc r e e p a g ef o r c e s ，t h e r e f o r e ，t h eh i g h e rr e s u l t so ft h ea x l el a t e r a lf o r c e s i sr a t i o n a l k e yw o r d s ：h i g h - s p e e db o g i e ：w h e e l r a i lm a t c h i n gc a l c u l a t i o n ：c r i t i c a lv e l o c i t y ；a x l e l a t e r a lf o r c e i i i 大连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太董塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为一太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：焚詹季 日期：m 年p 月2 z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 锄张杉穆小惘韦 日期：似彩年f 月相 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：樊在夸 日期： 枷年，) 月2 2 日 绪论 绪论 一课题研究内容及意义 高速铁路作为当代一项综合科技应用成果，己赢得举世公认。高速动车组以其高速， 舒适，安全，灵活的优势将成为客运交通的主力军，并且在基于社会效益的基础上带来 巨大的经济效益。为适应我国经济持续发展的需要，修建高速铁路这种运量大、速度高、 能耗低、安全舒适、环境污染小的陆上交通系统具有十分重要的意义，而大力发展高速 动车组技术必然成为发展高速铁路的首要课题。 转向架作为高速列车最为重要的部件之一，其高速运行时的稳定性和安全性等动力 学性能对列车的安全性、可靠性和舒适性有决定性影响，为了实现我国高速列车的发展 需求，必须对高速列车转向架动力学进行仿真研究。由于高速动车组技术是一个多学科 综合的研究领域，有很多因素对高速车性能非线性影响比较明显，例如轮对定位方式复 杂一“上拉杆与叉形转臂”组合定位，“一架两杆结构等问题，成为高速车转向架动 力学研究的难点。我国高速动车组技术刚刚开始，高速轮轨技术的关键问题解决到目前 还没有能力完全依靠实际试验测试，因此，在重要基础试验支持条件下，利用现代动态 仿真技术及其创新发展技术成果，大力开展高速动车组的关键技术研究，是迅速提高轮 轨、车辆以及线路的集成技术水平的重要手段【l 】。 课题源自国家8 6 3 计划“协同仿真、协同设计、协同优化 一体化平台，大连交通 大学承担的c r h 5 动车组单领域动力学仿真任务。主要基于动力学理论，应用多体动力 学仿真分析软件a d a m s 对c r h 5 动车组转向架动力学性能进行仿真分析，并与 a l s t o m 提供的动力学分析报告进行对比，在此基础上进一步对动力学参数进行仿真 对比，从而加深对高速动车组转向架动力学性能的分析研究。文章主要对以下5 个方面 着手进行分析研究：根据c a 2 5 0 转向架的构造特点，对转向架结构特点进行分析， 建立动力学仿真模型，并与传统车辆转向架结构进行对比分析。基本动力学数据一致 性分析，分别建立纵向与横向模态分析模型，对一系悬挂与二系悬挂系统进行频率响应 分析，并与有关提供数据进行对比，最后验证并确定车体及转向架的转动惯量和各级悬 挂系统的刚度等特性值。对l m ，l m a ，x p 5 5 ，s 1 0 0 2 四种踏面进行对比分析，并 分别在仿真模型中进行轮轨匹配计算对比。针对轮对蛇行极限环分叉理论在车辆工程 应用上忽略了不同轮轨接触条件下的车辆横向自激振动概念，线性和非线性临界速度存 在很大的差距。应用结构临界速度分析方法，基于非线性转向架模型得到线性和非线性 临界速度。尝试改变轨距、滚动圆跨距、轴距等参数后临界速度的变化规律，进步分 析转向架结构参数对临界速度的影响。通过对一列四车模型的曲线通过性能仿真得到 大连交通人学丁学硕十学位论文 不同踏面在不同曲线半径下的轮轨横向力，轮轨磨耗系数等参数，然后与a l s t o m 报 告进行对比分析，将重点研究转向架“上拉杆和叉形转臂”轮对定位方式对曲线通过性 能的影响。 二国内外高速转向架的发展和研究现状 高速客车转向架的历史可以追溯到1 9 世纪中期，转向架的应用不仅提高了客车的 运行速度，同时使车辆具有良好的曲线通过性能和舒适性。早期的客车转向架主要以铸钢 结构或钢板铆焊结构为主，一系悬挂采用导框式轴箱加板簧方式，基础制动为踏面制动。 随着制造水平的提高，客车转向架开始采用焊接构架结构，2 0 世纪2 0 年代开始出现了摇 动台结构的转向架，有效地降低了二系的横向刚度，从而大幅度提高了车辆的横向动力学 性能，5 0 年代后，盘形制动、磁轨制动等新技术在客车上的应用为客车运行速度的提高 奠定了基础。在此之后，空气弹簧的应用以及中心销取代传统的心盘结构，使客车的动力 学性能得到了进一步改善。7 0 年代后，无摇枕转向架开始出现，使客车转向架朝着轻量化、 模块化、无磨耗、高舒适度的方向发展。进入9 0 年代，磁轨涡流制动开始应用，不仅消除 了磨耗，降低了噪声，还大大提高了制动功率，转向架始终伴随着高速动车组的发展不断 发展和创新。 2 0 世纪6 0 年代，日本开发了第1 代0 系新干线动车组用d t 2 0 0 型动力转向架，其一 系悬挂采用i s 拉板双圆簧模式，中央悬挂由空气弹簧、液压减振器等组成。随着研究的 不断深入又先后开发了3 0 0 系动车组用d t 2 0 3 型、5 0 0 系用w d t 9 1 0 1 9 1 0 2 9 1 0 3 型 等2 0 余种转向架。转向架结构不断得到简化，通过采用轻量化焊接构架、铝合金轴箱和 空心车轴等技术使转向架质量和簧下质量得到降低。对于轴箱定位方式，新干线动车组则 通过多方案对比确定最优模式。5 0 0 系、n 7 0 0 系等动车组分别采用了半主动控制横向 减振器、主动控制空气弹簧等新技术，以改善车辆动力学性能，提高车辆运行速度。 欧洲早期高速动车组采用动力集中模式，其动力转向架模式与现代动力分散型动车 组转向架有较大的区别，而其拖车转向架则由常规客车转向架演化而来。近年来，欧洲国 家开发的动力分散型动车组用动力转向架模式与日本新干线动车组转向架模式基本相 同，一般采用无摇枕结构，构架为轻量化焊接构架；轴箱定位采用转臂定位或橡胶弹簧定 位：中央悬挂装置由空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器和抗侧滚扭杆等部件组成；牵 引机构采用单拉杆或z 形拉杆牵引。此外，部分欧洲国家还通过采用摆式列车技术实现 在既有铁路线上的高速运行【2 j 。 我国客车转向架的发展分为三个阶段：常规客车转向架阶段，准高速客车转向架阶 段，高速客车转向架阶段。我国从9 0 年代中期开始研制高速客车转向架所研制的c w 一 2 0 0 型转向架已投入运行，最高运行速度2 0 0 k m h ，并在此基础上研制出c w - - 3 0 0 型高速 2 绪论 客车转向架。同时，在引进日本技术的基础上开发了运行速度为2 2 0 k m h 的s w - - 2 2 0 型 客车转向架，并在此基础上开发出s w - - 3 0 0 型高速客车转向架。这两种转向架在首列国 产高速列车上进行了线路试验，其最高速度均达到了3 2 1 5 k m h 。随着铁路运行速度的不 断提高，我国在设计动力分散型动车组时先后设计了多种动力和非动力转向架，其中较具 代表性的有“春城号动车组用c w d 厂r 型“，中原之星”动车组系列转向架【3 】。 从第1 8 届在日本举行的国际车辆系统动力学学会( i a v s d ) 学术大会来看，目前国际 上有关铁道车辆系统动力学的研究重点主要集中在车辆曲线通过性能、车辆运动的稳定 性及轮轨作用三个方面。曲线通过性能研究可归纳为两个方面：改进转向架结构；采用 主动导向控制技术，以实现在不降低车辆运行稳定性的前提下提高曲线通过性能。日本学 者提出了“主动导向转向架”的概念以减小内外侧车轮横向力，可以有效提高曲线通过 能力：日本东京的y s u d a 提出的轮轨摩擦控制器也是提高曲线通过的方法；英国 s w s h e n 开展了转向架主动导向控制策略的基础性研究以此提高曲线通过能力，；瑞士 b o m b a r d i e r 公司o p o l a c h 研究了耦合轮对机车转向架及其稳定性优化问题，试图同时提 高曲线通过与稳定性；美国运输中心的h w u 则主要研究了转向架心盘对于稳定性的影 响，在不同的运输条件下，心盘摩擦起的作用是不一样的。国际上在车辆非线性运动稳 定性的研究方面主要还是以理论研究为主，但出现了一些新观点如曲线上的运动稳定 性、轨道体系对车辆运动稳定性的影响等。德国的j a r n o l d 等探讨了车轮弹性对铁道车 辆行为的影响，认为轮对结构弹性会导致较刚性轮对更大的横向振幅，因而也会影响整 车运行状态；波兰的k z b o i n s k i 则认为车辆在曲线轨道上的运动稳定性问题，而之前人 们研究车辆运动稳定性问题一般只是针对直线轨道上车辆自激振动横向稳定性。曲线轨 道被认为是一种外界激扰源而抑制了自激振动的产生。德国g s e h u p p 从理论上讨论了 机械系统数值分叉分析方法在铁道车辆运动稳定性中的应用可能性。英国的j t p e a r s o n 等开展了高速转向架主动稳定性控制系统的设计与实验，分别对单轴控制策略和模态控 制策略进行了研究。轮轨相互作用一直是铁路车辆系统动力学领域的研究热点之一。近年 来该专题的研究可归纳为2 个方面：一是发展更为完整的车辆轨道相互作用模型；二是 结合铁路轮轨运输中出现的实际接触问题，采用车辆动力学仿真的分析研究手段提供理 论解释及解决途径。瑞典的j c o n i e l s e n 重点讨论了轮轨作用及不规则磨耗机理方面； 日本专家则考虑了线型对轨道动力学的影响；此外英、法、南非等国的研究人员分别研 究了轮轨接触疲劳问题和应用遗传算法进行车轮型面优化、接触斑求解问题和大轴重条 件下的踏面磨耗及接触疲劳问题。我国西南交通大学的翟婉明教授等开展了列车轨道 桥梁系统动力学仿真研究，研制成功“高速列车轨道桥梁动力学仿真通用软件 1 限s m ”。同为西南交大的邬平波，曾京将车辆速度视为时间的慢变函数，提出了一 大连交通人学t 学硕十学位论文 种近似计算线性临界速度、非线性临界速度和极限环的数值方法，该方法亦可对机车车 辆蛇行稳定性的滚动振动试验台试验起到指导作用【4 】；邬平波等还采用柔性车体模型并 考虑半主动悬挂研究了客车的动力学响应【5 1 。 转向架是保证高速动车组平稳、安全运行的基础。经过数十年的工作，我国车辆设计、 研究部门在转向架设计方面积累了相当的经验。但是，列车运行速度的进一步提高对车辆 转向架性能提出了更高的要求。因此，国内相关部门应该从基础做起，充分研究转向架结 构对高速动车组动力学性能的影响，在学习国外高速动车组转向架设计理念和相关试验 标准的基础上，将现代数值分析方法与车辆线路动力学试验有效地结合起来，研制出适合 中国铁路的、具有优良动力学性能的高速动车组转向架。 三课题研究的技术方案 以多体动力学理论与车辆动力学理论为基础【6 一，以现代仿真分析软件为工具，利 用模板化建模思想和参数化的建模新技术，通过对高速动车组整车的仿真分析，研究高 速动车组转向架动力学性能。图l 为课题研究流程图。 基本动力学参数仿真报告 l s t o m 公司长客挺供 建立转向架整车模璀 参数一致性验证 悬挂特性分析 = = = = = = = = = = = = 整午模态分析 轮轨匹配计算对比 临界速度分析对比 曲线通过性能对比 图l 动力学分析与对比的研究流程 f i g 1t h ep r o c e s so fr e s e a r c ho l ld y n a m i c sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n 首先，为了验证给出的基本参数是否合理，在动力学仿真分析软件a d a m s 中建立 整车模态计算简化模型，计算和效验得其基本固有模态属于正常范围内。然后在 a d a m s r i a l 模块中建立整车动力学模型。 1 、高速动车组转向架的构造特点分析 4 一m 告比l l | 鬻 ， _ i l t j f 一刮到一憷 绪论 根据高速转向架的构造特点，利用多体动力学理论及m s c a d a m s 软价建立动力 学模型，分析高速动车组转向架与传统客车转向架在设计结构上的不同之处。从而从动 力学性能方面初步分析高速转向架不同构造的优点及缺点p j 。 建模步骤具体如下：利用m s c a d a m s r a i l 模块，可以快速的建立轨道车辆系统 的动力学模型。首先在t e m p l a t eb u i l d e r 模版中建立转向架的初始模型。转向架主要有 轮对、轴箱、一系悬挂、构架、横向阻尼器及止挡、空气弹簧、摇枕、z 型座、牵引拉 杆抗测滚扭力杆和简化的运动约束副等组成，然后建立车体模型，转换到s t a n d a r d i n t e r f a c e 模版进行装配，已经建立了转向架初始模型，并进行了初始的仿真计算，然后 对各项动力学性能进行仿真分析。在此过程中必须做必要仿真调试和验证工作。由于提 供初始模型为c a t n 模型，曲面较多，导入a d a m s 以后速度影响很大，但是转化及 简化模型是一个方便以后操作同时也提高仿真速度的过程，此项工作非常重要，精确的 模型是整个仿真分析的基础。 2 、高速动车组转向架模型数据一致性分析 为了验证一系与二系悬挂原始参数及转动惯量等的一致性，利用车辆纵向与横向模 态分析模型对三种车型车体和转向架的沉浮、点头、侧滚固有频率进行初步分析。并与 有关提供数据进行对比，最后验证并确定车体及转向架的转动惯量和各级悬挂系统的刚 度等特性值。利用简化模型对车体和转向架的沉浮、点头、侧滚固有频率进行初步分析。 3 、车辆轮轨匹配计算、横向稳定性分析及参数敏感性分析。 轮轨匹配是车辆横向稳定性分析的重要基础工作之一。对于客车转向架，轮轨 匹配( 等效锥度、接触角系数和侧滚角系数等) 直接影响其车辆临界速度。而轮对一系 纵横向定位刚度是车辆临界速度的敏感参数，同时，也是决定曲线通过能力和轮轨磨耗 等的重要性能参数。通过复杂线路仿真分析，在轮轨动力作用、曲线通过能力和轮轨磨 耗等方面加以权衡得到车辆临界速度优化的一系悬挂参数最佳选择。 主要对高速车的稳定性进行分析，稳定性是高速动车组系统动力学性能的重要方 面之一，正常运行速度范围内，车辆系统不应发生失稳现象，否则将出现剧烈的蛇形运 动，严重时产生脱轨等重大安全事故，因此，稳定性决定高速动车组的最高运行速度。 高速动车组转向架轮对的一系纵横向定位刚度是影响临界速度和决定曲线通过能力和 轮轨磨耗等的重要参数。因此，需要在准确计算轮轨匹配的基础上，借助虚拟仿真技术， 深入研究轮轨动力作用、曲线通过能力和轮轨磨耗等因素和车辆临界速度的综合影响， 从而掌握高速动车组一系悬挂参数选择的机理。 目前，国内主要采用极限环分叉理论来做车辆临界速度分析。极限环分叉理论的应 用在轨道车辆动力学理论上具有学术研究意义，但由于车辆系统的复杂性，其应用研究 5 大连交通人学t 学硕十学位论文 割舍了轮轨匹配对车辆横向非保守动力学系统的影响，因此我们采用结构临界速度分析 方法进行分析。 4 、高速动车组曲线通过性能分析 曲线通过性能的好坏直接影响到车辆的行车安全，用于评价它的指标( 主要包括轮 轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等) 也很多，通过计算得出这些动力学 指标值后，根据我国现行的相关规范加以评价。同时分析高速车辆在曲线上的脱轨安全 性，将重点研究非线性转向架对高速车在曲线通过时的影响情况l l 。 四课题的科学性 论文总体设计的科学性：考虑了转向架上实际存在的非线性因素，建立非线性转 向架，较a l s t o m 提供等效线性化模型仿真结果更能反映实实际构造特点和各个悬挂 功能构件的特性，如在安装位置、各构件定位方式上均与实际转向架非常接近；各级悬 挂固有频率经过了反复核对，数据准确。采用基于轮轨匹配的车辆结构速度分析方法， 使线性与非线性临界速度得到的结果基本吻合，便于进行敏度分析和影响车辆在直线和 曲线通过性能上的参数优选。线性临界速度分析方法和非线性临界速度验证以合理的轮 轨匹配为基础，考虑了不同轮轨接触条件下的车辆横向自激振动影响。应用多体动力 学理论，研究大范围的大型非线性系统仿真，对后期进行的复杂曲线上轮轨安全性仿真 分析提供理论依据。 6 第一章理论基础 第一章理论基础 1 1 车辆运动稳定性理论 车辆系统的运动稳定性是衡量其动力学性能的一个最基本和最关键的指标，早在发 展铁路运输的初级阶段就己经被注意和研究了。随着车辆运行速度的提高，特别是高速 机车车辆的提出，车辆的蛇行运动稳定性的研究越发显得重要。 稳定性这个词最先出现在力学中，它描述了一个刚体运动的平衡状态。如果说这个 平衡状态是稳定的，就是说刚体在干扰的作用下从原来位置微微移动后，仍回到它原来 的位置。反之，如果它趋于一个新位置，这时的平衡状态就是不稳定的。 运动系统的稳定性概念是平衡稳定性概念的直接扩大。李雅普诺夫意义下的运动稳 定性理论，是研究微小干扰因素对于物质系统运动的影响c 微小的干扰因素( 或者说涨落) 总是存在的，而且不可确定，他首次给出了运动稳定性的精确定义，建立了运动稳定性一 整套严密的理论体系。对于一些运动，微小于扰因素的影响并不显著，因而受干扰的运 动与不受干扰的运动差得很少，称为是稳定的；对于另外一些运动，无论干扰多么小， 随着时间的发展，受干扰的运动与不受干扰的运动相差很多，这类运动称为不稳定的。 由于干扰总是不可避免的，所以运动稳定性问题就有其重要的理论和实际意义，在自然 科学与工程技术领域内受到人们的普遍关注。 对于运动稳定性的研究已经取得了长足的进展，在理论上从原来的常微分方程发展 到偏微分方程、泛函、随机微分方程，从有限维空间发展到无穷维空间，从离散系统发 展到连续介质系统，从单一的稳定性问题发展到极限环、分叉、混沌理论【1 1 1 3 1 。 1 1 。1 李亚普诺夫稳定定义 渐进稳定性是基于李亚普诺夫稳定性理论定义的，李亚普诺夫稳定性理论是研究系 统初始条件受到微小干扰时系统将来的运动变化情况。其定义如下： 设系统的扰动方程为 x j = z ( ，x l ，x 2 ，矗) ( f = 1 , 2 ，刀) ( 1 1 ) 在平衡位置x ，= 0 ( i = 1 , 2 ，刀) 的领域q ：m 0 ( 0 ，使得当满足 k 。i t o 有 l x ，o ，f o ，x l o ，x 2 0 ，x 。o ) i o ( t ，至少有一个薯不满足 x ，i 0 ，总可以找到一个6 0 ，在t = t o 时，从以原定0 为中心，2 5 位边长的正方形内任意一点出发的运动，将永远留在以0 为 中心，以2 为边长的正方形内( 图1 1 ( a ) ) ：若原点位渐近稳定，则随着时间f o o ， 运动趋向于原点( 图1 1 ( b ) ) ；若原点不稳定，则随着时间r - 9 0 0 ，运动远离原点( 图 】( c ) 。 ji 工 h一沪磁 _ 一 五 劾珑 一 ( a ) h i 工 e斧缘 h 戮兹 工j 一 一i x ( v n 2 e矜 ，l 勿 兹 - 一 锄 工i 一 何 ( b )( c ) 图1 1 原点的稳定性定义 f i g1 1o r i g i ns t a b i l i t yd e f i n e 若在一般情况下，找不到定义一中要求的6 ，但初始扰动x i o ( f = 1 , 2 ，刀) 满足某些 条件，例如以下条件时 q j ( x l o ，x 2 0 ，x 。o ) = 0 或0 ( 1 4 ) ( - ，= 1 , 2 ，朋，l m 嚣) 可以求得6 ，则称平衡位置在( 1 4 ) 下的条件稳定也属于不稳定。 8 第一章理论基础 吸引域定义一和二都是指在平衡位置附近的稳定性定义，或称局部稳定性定义， 即6 不能太大。若6 是一个有限的正数，即初始条件可以在有限的区域内取值，平衡 位置都是稳定的，则称该有限区域为平衡位置的吸引域。 正如上节所述，扰动方程( 1 1 ) 零解得稳定性等价未扰运动的稳定性，所以未扰运 动的稳定、渐近稳定和不稳定性的定义与扰动方程( 1 1 ) 平衡的稳定、渐近稳定和不稳 定的定义一四就完全相同，这只要把每个x ，换成q ，( f ) 一g ) 就行了。 上述定义是运动稳定性理论的基础，都是以求解x i ( ，) 为前提条件的，许多非线性问 题，很难求出解析解来，因此，按定义判断稳定性是很困难的。 1 1 ，2 李亚普诺夫第一近似理论 设系统的扰动方程为 x ，= z ( x i , z 2 x 。) ( f = 1 , 2 ，拧) ( 1 5 ) 其中，为x ，( f - 1 , 2 ，力) 的非线性函数，将z 在原点工，：o ( i ：1 , 2 ，刀) 附近展开成泰 勒级数 z ( 五，x 2 ，矗) = z o + z l + z 2 + + 艺+ 厂，( 而，而，吒) ( f = 1 , 2 ，甩) ( 1 6 ) 式中z 。是常数项，由于扰动方程在原点恒有z ( o ，o ，0 ) 三0 ，故厶= 0 ，是一次 项系数，均为常数；，( 一，x ：，x 。) 是不低于二次方项的和。于是方程( 1 5 ) 可写为一 薯= l x j + z “，x 2 ，) ( f = 1 ，2 ，z ) ( 1 7 ) j = l 如果略去高次项，就得到非线性系统的线性化系统 x ，= x ( 1 8 ) j = l 方程( 1 4 ) 称为方程( 1 5 ) 的次近似。 李亚普诺夫证明了如下定理，可以判断在什么条件下按一次近似判断非线性系统的 ( 1 5 ) 的稳定性。 定理一如果一次近似( 1 8 ) 的所有特征根都具有负实部，则原非线性系统( 1 1 1 ) 的原点时渐近稳定的。 定理二如果一次近似( 1 8 ) 至少有一个特征根具有正实部，则原非线性系统 ( 1 1 5 ) 的原点是不稳定的。 9 大连交通人学1 i 学硕十学位论文 定理三如果一次近似( 1 8 ) 有实部为零的特征根，而其余的特征根是不为负， 则原非线性系统( 1 8 ) 原点的稳定性还取决于高次项，即原点可能稳定，也可能不稳定， 称此为临界情况。 上述李亚普诺夫第一近似理论为线性化方法提供了理论基础，实用价值也很大，任 意一个非线性系统，若其第一近似方程原点是稳定、渐近稳定或是不稳定的，则原非线 性系统的原点也是稳定、渐近稳定或不稳定的，但若第一个四方程有实部为的零的特征 根而其余特征根均为负实部时，则原非线性系统原点的稳定性还取决于高次项。 1 1 3 霍尔维茨判据 根据李亚普诺夫第一近似理论，非线性系统的运动稳定性取决于一次近似系统特征 根的性质。若能算出所有的特征根和对应的特征向量，那么判断稳定性就没有困难。但 当方程组维数很大，特别是有复特征根时，计算就会很复杂。根据下面介绍的几个定理， 可以不求特征根而直接判断特征根的性质，进而判断系统的稳定性。 设系统的特征方程为 d ( l ) = a o 九”+ a l 丸”- 1 + + a n _ l 九+ 口。= 0 ( 1 9 ) 定理一霍尔维茨( h u r w i t z ，a ) 定理给定一1 1 次方程( 1 9 ) ，其中。 0 ， 作霍尔维茨行列式 f