上海中低速磁浮交通车辆的数字化研发论文.doc

上海中低速磁浮交通车辆的数字化研发论文 中低速磁浮交通模式和传统的交通模式（如轻轨、单轨、道路公交等）相比具有自己的特点该技术带来的社会和经济效益包括：乘坐舒适度好无污染运行噪声小能适应中等运量（单向23万人次/h）旅行时间短（100150km/h）爬坡能力强（7%）轨道弯道半径小工程造价低（在2亿元/km以内）等 日本的中低速磁浮交通HSST磁浮系统已经发展了25年业已发展了多种实用的形式 韩国目前正在建设6.1km的仁川国际机场磁浮交通线预计年完成年投入运营 1上海中低速磁浮项目 年2月上海市启动了中低速磁浮工程化试验线项目建设芦潮港试验基地；同时也启动了中低速磁浮工程化车辆的研发项目该项目借鉴国内外数年来的中低速磁浮成果和经验聚集国内各方面科研单位、企业的优势资源采用产、学、研的研发模式建成了1.7km上海临港中低速（城轨）磁浮试验线和一列三节编组的工程化试验列车 上海中低速磁浮车辆设计目标：列车按3节编组编组形式设为2节端车和1节中车组成初期制定的技术规格见表1；可扩展为6节编组满足高峰小时单方向运能23万人的需要列车满载约为1000人 由于本项目投资大、时间紧为避免物理样机出错而造成巨大经济损失采用了高端的三维数字化软件在研发过程中进行了16次总体3D数模调整及仿真分析对数字化车辆进行了反复多次的设计和分析最终保证了车辆一次性组装成功未发生任何动静干涉问题全面验证了数字样机的正确性磁浮列车研制周期按常规计算设计至少为2.5年采用三维设计和全机数字样机技术后仅仅用用了6个月的时间就完成了设计任务缩短了60%设计周期提高了设计质量减少了40%设计反复设计总体思路清晰零部件之间接口协调性好未发生任何问题 2上海中低速磁浮车辆设计 2.1设计方法 上海中低速磁浮车辆实现了全机三维建模、电子预装配、产品数据管理（VPM）；采用并行工程和数字化定义技术应用国际上先进CAD/CAE/CAM软件CATIAV5进行三维结构设计进行了数字化结构件和设备以及管线系统件的的预装配并进行了磁浮车辆全机规模电子样机的分析中低磁浮车辆全机电子样机的成功研制实现了磁浮车辆设计手段与国际接轨、并由传统的研制模式向数字化设计制造的现代化模式的转变全机结构和系统的数字样机含2万多个零配件和标准件大大缩短了研制周期提高了设计和制造质量降低了研制风险和研制成本 2.2走行机构 走行机构是磁浮车辆的重要组成部分位于车辆下部直接关系到车辆的运行安全性、可靠性、舒适性在保证运行性能的前提下应使其结构力求简单、车重优化且安全、可靠、免维护或少维护 走行机构三维模型的构建要求精准尤其对关键另部件的模型要建立完善的三维设计标准规范建立三维通用零部件库及标准件库以利于设计信息和数据能准确传递给协作制造商 2.3车体 车体结构主要包括底架、侧墙、车顶、司机室前脸、司机室后墙和端墙各部分之间的连接采用焊接方式也不排除在施工设计中改变结构形式采用铆接连接底架包括中梁、边梁、对应于滑动台位置的横向枕梁（另一名称为托梁）、连接车钩的缓冲梁、端梁、地板及安装设备的各连接结构；侧墙包括上下侧梁、立柱、门柱及侧墙板；车顶包括弧形车顶板、水平车顶板及连接板；端墙包括贯通道框、立柱和板车体结构基本尺寸为：中间车结构长度为15500mm宽度为3000mm高度为2764mm；端车结构长度为16100mm宽度为3000mm高度为2764mm桁架式底架承载特点为：质量轻、强度刚度好、有层次、设备安装维修方便等 2.4车下设备 中低速磁浮车辆车下设备十分拥挤、存在大量管线、设备空间紧张同时车辆在运行时车下设备和走行机构始终有相对运动容易发生动干涉现象因此车下设备必须在三维中进行动干涉检查和外形优化 3数字化样机的运动仿真 3.1悬浮架的机械解耦 走行机构在顺利通过曲线、缓和曲线时悬浮架构架必须具有机械解耦能力能够适应线路设计最大横坡扭率为0.12/m能够适应线路的各种不平顺和公差变化因此悬浮架构架的4个支撑点必须分别具有5个方向上的自由度尤其能够在z向位移15mm以上机械解耦的刚度和阻尼由动力学计算和试验确定 3.2数字化样机曲线通过分析及仿真 中低速磁悬浮车在通过曲线时走行机构和车体通过各种运动副连接 直线导轨副：直线导轨副的滑块安装在滑动台附加空气室安装坐上滑轨与车体底部采用螺栓连接整个走行机构与车体有16副直线导轨副配合这样车体通过直线导轨副配合相对于构架可以发生横移列车通过曲线特别是半径很小的曲线时就会产生较大的相对横移由于牵引杆连接滑台与模块因此纵向牵引、制动力将由滑台直接传递到车厢 迫导向机构转动销与车体的销接：整车装2套迫导向机构与车体共有4处销接在曲线上某些左右滑块的中心点在被动导向力的作用下将占据接近线路中心线的位置A点则相当于车体与下部走行机构的固定转动点由于连杆的定位A点将基本保持在线路中心线上而车体销接点B、C将偏离左右模块中心线通过机构作用强迫走行机构导向 3.3数字化样机动静干涉分析和仿真 中低速磁浮车辆的车下设备较多车下空间紧张车辆在通过曲线时走行机构横向和纵向运动幅度很大因此做好车体、设备、迫导机构、走行机构之间位置关系的确定和布置非常重要为此动、静干涉分析和检查十分关键通过DMUKinematicsSimulator对整车实体模型进行仿真校核和观察各个运动实体的极限状态检查动、静干涉以避免在组装物理样机时才发现问题所造成的重大损失 4车辆的动力学分析 方案设计阶段的动力学计算重点在于对车辆设计的合理性进行论证并通过计算明确运动中产生的载荷大小 通过SimpackAdams进行了动力学的仿真和参数的确定：车体摇头振动1.11Hz；车体沉浮振动1.12Hz；车体侧滚1.97Hz；走行机构横摆振动4.36Hz有多个振型 通常铁路车辆车体模态的自振频率在1.5Hz以下而对磁浮车辆的振动与设计车体的自振频率偏大 动力学仿真得出以下主要结论： 1）为改善列车直线高速运行舒适度邻车间必须加装减振器该减振器行程大、阻尼力大、关节偏转角大因此需要一端采用万向节； 2）为适应小半径曲线通过必须采用迫导向机构； 3）滑台滑键的最大长度不应低于350mm； 4）空气簧的水平限位应设置为半径方向40mm； 5）空气簧必须采取垂向限位措施使车辆相对走行机构的侧滚角不超出0.6； 6）合理设计下迫导向机构平行四边形杆的内力不超出6000N考虑安全裕量建议用20kN作为钢缆的承载设计依据； 7）场线50m半径的最小曲线必须设置缓和曲线缓和曲线长度不应低于15m； 8）迫导向机构的T形臂最大转角可达到28.3 5车辆关键零部件的强度分析 5.1走行机构2、4位滑台强度分析 2、4位滑台为固定滑台为车体的主要支撑点载荷大、受力情况复杂对车辆的安全性起着非常重要的作用经过有限元强度分析后找出最大应力点进行优化 5.2车钩座及托梁的强度分析 车钩座及端部托梁位于车辆的两端既是车体支撑又是车钩的基座在运行和非常情况下承受很大的纵向载荷受力情况复杂对车辆的安全性起着非常重要的作用需进行详细的仿真计算 6数字化样机的设备及管线布置 根据管系、风管和电气的设计原理和物理共性CATIA提供的路径（rout）在同一设计模型中由管系二维原理图、风管系统原理图和电气原理图驱动三维空间中进行布置的具有同一属性的路径管路、风管与电缆的几何空间走向因而管系、风管、电气在用具有同一属性路径进行各自的路径布局时实时检测管系、风管、电气之间的路径干涉情况在对管路、风管、电路以及车体结构、车下设备等进行干涉检查、综合协调、平衡整合的基础上管系、风管、电气分别在自己的路径上直接定位放置或调整各类部件如：管系路径上的各类阀件、附件、仪表、管子支架等通风路径上的各类风机、调风门、风管吊架等电气路径上的各类附件、电缆托架等以及检查在三维空间中布置的管系、风管与电缆系统是否有疏忽而遗漏个别阀件、附件等最终得出一套完整的管线二维工程图和长度明细表 7厂房布局及车辆组装 在厂房设计中对库内线路、车间设备、工装、部件摆放进行了合理布置利用CATIA中的EDA对组装工人的工位进行了人机工程校核 8上海中低速磁浮列车目前试验成果 1）列车舒畅通过1.7km试验线的道岔、曲线等（3节编组）； 2）最高试验