试析阻尼高速车辆减振技术

论文导读：
摘要：高速车辆区别于普通客运车辆的根本理由在于其所处的特殊动态环境,随着车辆运转速度的提升其动态环境急剧恶化,如轨道激扰频率增加、结构振动加剧、轮轨动力作用增加以及蛇行运动加剧等等。但是不管怎样乘客的要求永远不变,即安全、舒适、快捷和方便。为了达到这个目标,高速转向架在动力学性能上,应具备以下三个基本条件：高速运转条件下不允许出现蛇行失稳运动；高速运转条件下车辆应该有较好的旅客乘坐舒适性；能保证车辆高速通过曲线时不影响行车安全性,并且轮轨动作用力和磨耗要小。车辆蛇行运动稳定性和曲线通过性能之间是相互矛盾的,由此在进行稳定性设计时需要兼顾曲线通过性能。对于新建高速客运专线上运用的车辆来说,由于线路条件较好曲线半径通常较大,曲线通过的不足降为次要地位。本论文以高速车辆的减振为探讨对象,探讨了直线蛇行运动稳定性和乘坐舒适性不足。针对高速车辆蛇行失稳不足,建立了车辆系统多刚体模型。模型包括抗蛇行减振器部件模型、空气弹簧部件模型、应急弹簧部件模型以及牵引电机部件模型。针对高速车辆乘坐舒适性下降不足,建立了考虑车体弹性振动的刚柔耦合垂向简化模型、刚柔耦合精确模型、车体约束阻尼处理模型以及车体压电结构模型。在模型的基础上,本论文完成了以下主要工作。(1)在对车辆非线性模型进行线性化处理的基础上,进行了特点值浅析。计算结果表明车辆系统有着两种不同的蛇行失稳形态,分别称为车体蛇行和转向架蛇行。接着,详细探讨了二系横向刚度、二系横向阻尼、二系纵向刚度、二系纵向阻尼、一系纵向定位刚度、车轮踏面等效锥度、车体质量等参数对蛇行失稳形态的影响。探讨结果表明,在不同的悬挂和轮轨参数下,车体蛇行和转向架蛇行都可能成为制约车辆高速运转的因素。(2)系统地探讨了一系纵向定位刚度、一系横向定位线性和非线性刚度、踏面等效锥度大小以及形状、抗蛇行减振器线性和非线性参数、电机横移频率和阻尼比、电机摇头频率和阻尼比、应急弹簧水平刚度和摩擦系数、横向减振器阻尼以及蠕滑水平等参数对临界速度的影响。在此基础上,提出了基于稳定性的车辆参数设计原则。最后,通过滚振台试验验证了部分论述浅析结果的正确性。(3)在探讨了引起车体横向振动和垂向振动主要振源和传递路径的基础上,详细探讨了二系横向减振器、车间减振器、横向半主动悬挂对横向振动的影响,以及-二系垂向阻尼、空气弹簧参数、抗蛇行减振器安装角度和牵引拉杆纵向刚度对车体垂向振动的影响。在此基础上,提出了基于平稳性的车辆参数设计原则。(4)比较探讨了多刚体模型以及考虑车体的刚柔耦合模型在稳定性、平稳性、曲线通过方面的区别。随后,详细探讨了车体弹性振动的特点,确定了车体弹性振动的主要减振措施。通过合理假设推导了含有约束阻尼层的车体模态损耗因子的计算公式,通过仿真手段探讨了约束阻尼处理层的长度、厚度、弹性模量等参数对车体弹性振动减振效果的影响。最后,仿真浅析了基于压电元件的被动制约和主动制约对车体弹性振动的制约效果。(5)基于稳定性部分的探讨成果,实现了本论述在某高速车辆异常振动中的运用,给出了异常振动的产生理由和解决案例。关键词：高速车辆论文减振论文稳定性论文平稳性论文弹性振动论文失稳形式论文约束阻尼处理论文压电结构论文
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Abstract8-13
第1章 绪论13-26

1.1 探讨背景及作用13-19

1.1 高速铁路概况13-15

1.2 高速车辆振动不足15-19

1.2 国内外探讨近况19-24

1.2.1 蛇行运动稳定性19-22

1.2.2 乘坐舒适度22-24

1.3 本论文的主要探讨内容24-26

第2章 高速车辆多刚系统统动力学模型26-43

2.1 液压减振器26-33

2.

1.1 液压减振器特性26-31

2.

1.2 液压减振器模型31-33

2.2 空气弹簧模型33-38

2.1 空气弹簧基本结构34

2.2 空气弹簧模型34-37

2.3 空簧支撑方式37-38

2.3 应急弹簧模型38-39

2.4 牵引电机模块模型39-40

2.5 车辆系统多刚体模型40-43

第3章 高速车辆刚柔耦合系统动力学模型43-论文导读：
63

3.1 刚柔耦合模型43-49

3.

1.1 车辆刚柔耦合系统垂向动力学简化模型43-47

3.

1.2 车辆刚柔耦合系统动力学精确模型47-49

3.2 车体约束阻尼处理模型49-53

3.3 车体压电结构模型53-63

3.1 压电本构方程53-55

3.2 基于压电元件的车体结构振动被动减振模型55-59

3.3 基于压电元件的车体结构振动主动减振模型59-63

第4章 蛇行失稳形式影响因素探讨63-77

4.1 根轨迹计算63-65

4.2 蛇行失稳形式65-67

4.3 蛇行失稳形式影响因素67-77

4.

3.1 二系横向刚度与蛇行运动的联系67-68

4.

3.2 二系横向阻尼与蛇行运动的联系68-71

4.

3.3 二系纵向刚度与蛇行运动的联系71-73

4.

3.4 二系纵向阻尼与蛇行运动的联系73-75

4.

3.5 等效锥度与蛇行运动的联系75-76

4.

3.6 车体质量与蛇行运动的联系76-77

第5章 基于稳定性的高速车辆轮轨和悬挂参数设计77-103

5.1 稳定性计算策略77-79

5.

1.1 分叉特性77-78

5.

1.2 计算策略78-79

5.2 一系定位刚度和等效锥度的设计79-86
5.

2.1 纵向定位刚度和横向定位刚度79-81

5.

2.2 等效锥度和纵向定位刚度81-82

5.

2.3 非线性特性对分叉特性的影响82-86

5.3 抗蛇行减振器的设计86-94
5.

3.1 抗蛇行减振器线性刚度和阻尼特性86-92

5.

3.2 抗蛇行减振器非线性阻尼特性92-94

5.4 电机悬挂的设计94-97
5.

4.1 电机横移模态对稳定性的影响94-96

5.

4.2 电机摇头模态对稳定性的影响96-97

5.5 其它参数的设计97-99

5.1 轮轨摩擦系数和蠕滑水平的影响97-98

5.2 应急弹簧参数的影响98

5.3 横向减振器的影响98-99

5.6 台架试验验证99-103

5.6.1 抗蛇行减振器模型的试验验证100-101

5.6.2 刚性定位转向架抗蛇行减振器对稳定性影响的试验验证101-102

5.6.3 刚性定位转向架等效锥度对稳定性影响的试验验证102-103

第6章 高速车辆运转平稳性及减振103-129

6.1 减振论述103-106

6.

1.1 高速车辆主要振源104-105

6.

1.2 振动传递路径105

6.

1.3 高速车辆动力学性能评价标准105-106

6.2 横向振动106-116
6.

2.1 二系横向减振器106-108

6.

2.2 车间纵向减振器和车间横向减振器108-113

6.

2.3 二系横向半主动悬挂113-116

6.3 垂向振动116-129
6.3.1

一、二系垂向减振器116-119

6.3.2 空气弹簧119-123
6.

3.3 抗蛇行减振器安装角度123-124

6.

3.4 牵引拉杆纵向刚度124-129

第7章 高速车辆车体弹性振动及减振129-145

7.1 多刚体模型和刚柔耦合模型比较129-135

7.

1.1 稳定性方面129-130

7.

1.2 曲线通过性能方面130-131

7.

1.3 运转平稳性方面131-135

7.

1.4 试验验证135

7.2 车体弹性振动影响因素探讨135-139
7.

2.1 悬挂参数对车体弹性振动的影响135-136

7.

2.2 车体结构参数对车体弹性振动的影响136-137

7.

2.3 共振速度对车体弹性振动的影响137-139

7.3 车体弹性振动减振措施139-145
7.

3.1 车体约束阻尼处理139-142

7.

3.2 车体压电结构142-145

第8章 高速车辆异常振动不足浅析145-158
8.1 构架横向加速度报警不足145-147
8.2 车体低频晃动不足147-149
8.3 解决措施149-156
8.

3.1 抗蛇行减振器动态特性的要求149-151

8.

3.2 现有抗蛇行减振器下车辆系统悬挂参数的改善151-156

8.4 可选案例156-158
结论与展望158-162
致谢162-163
参考文献163-174
攻读博士学位期间发表论文及参加科研项目情况174