（光學工程專業(yè)論文）磁流變輪對耦合器及其車輛動力學性能研究.pdfVIP

西南交通大學博士研究生學位論文第1 頁 摘要 自鐵路運營以來，鐵道機車車輛的輪對基本上都采用兩個車輪緊固在一 根車軸兩端的形式。這種傳統(tǒng)固定輪對的優(yōu)點在于它具有縱向蠕滑力產(chǎn)生的 偏轉力矩從而使輪對具有自導向功能；但在縱向蠕滑力矩的作用下，當車輛 運行速度較高時就可能產(chǎn)生蛇行失穩(wěn)。因此，近年來獨立旋轉車輪日益受到 重視，與傳統(tǒng)輪對相比，獨立旋轉車輪不存在縱向蠕滑力產(chǎn)生的偏轉力矩， 因而不產(chǎn)生蛇行運動，對提高穩(wěn)定性有好處。但這一優(yōu)點也同時是它的缺點， 因為獨立旋轉車輪失去了縱向蠕滑力矩的導向作用，因而降低了輪對的直線 對中性能和曲線導向性能。鑒于此，國外一些專家學者又提出了耦合輪對的 構想，即輪對的左右車輪通過某種形式進行適當?shù)鸟詈希@樣便可產(chǎn)生適量 的縱向蠕滑力，從而使輪對既具有導向功能，又能保證車輛具有較高的臨界 速度，國外在這方面已做了一些開拓性的研究工作，而國內(nèi)在2 0 0 1 年以前則 做得較有較少。我國西南交通大學的池茂儒博士在總結國內(nèi)外耦合輪對研究 成果的基礎上，結合當今磁流變技術的發(fā)展，于2 0 0 2 年提出了磁流變耦合輪 對，并對其進行了不少研究。本文則是在其基礎上，進行更深一步的探索， 以期待在磁流變耦合輪對的實用化方面跨上一個大臺階。 本文首次發(fā)現(xiàn)耦合輪對耦合器對磁流變零場粘度的特殊性要求，采用大 粘度的潤滑脂作為載液，始終利用永磁體提供外加初始磁場，當車輛停止時 使磁流變恒為半固體，為此設計了十分簡潔的磁流變輪對耦合器，解決了靜 置時磁粒的抗沉降穩(wěn)定性問題。首次根據(jù)磁流變的雙粘度模型，建立了4 個 輪對全為磁流變耦合輪x 寸( c c c c 型) 、l 位和3 位為傳統(tǒng)輪對與2 位和4 位為 耦合輪對( t c r c 型) 、2 位和4 位為傳統(tǒng)輪對與1 位和3 位為耦合輪對( c r c r 型) 、l 位和4 位為傳統(tǒng)輪對與2 位和3 位為耦合輪對f r c c r 型) 4 種車型，以 及傳統(tǒng)車輛( ，n 1 t 型) 的空間動力學模型，并為這幾種模型編制了計算機仿真 軟件。 通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)當磁流變屈服應力較小時，磁流變耦合輪對車輛具 有較高的臨界速度，但磁流變耦合輪對在曲線上的橫移量較大，出現(xiàn)了兩點 接觸；若增大屈服應力，則臨界速度急劇下降，與傳統(tǒng)車輛相比已毫無優(yōu)勢， 但磁流變耦合輪對在曲線上的橫移量減??；再繼續(xù)增大屈服應力，則臨界速 度緩慢下降；當屈服應力增大到一定值后，則臨界速度繼續(xù)緩慢下降，而磁 流變耦合輪對在曲線上的橫移量增大。當采用抗蛇行減振器后，相對傳統(tǒng)車 輛來講，可極大地提高車輛的臨界速度。根據(jù)對上述4 種磁流變耦合輪對在 第l | 頁西南交通大學博士研究生學位論文 高速和準高速線路上曲線通過性能的比較，遴選出具有較優(yōu)性能的t c c t 型 拖車，可在高速鐵路上以高速和超高速、在準高速鐵路上以準高速交互運行； 在t c c t 型拖車的傳統(tǒng)輪對上安裝驅動裝置而成為的動車也具有極高的臨界 速度和良好的橫向動力學性能，這說明了磁流變耦合輪對t c c t 動車組亦具 有類似其拖車的動力學性能。另外，對t c c t 型拖車的懸掛參數(shù)對臨界速度 的影響進行了分析和優(yōu)化；分析了轉向架的軸距差、對角線差及線路條件對 臨界速度的影響，其中前兩者對臨界速度的影響不大，而線路條件則影響很 大。同時對自導向磁流變耦合輪對徑向轉向架進行了研究，結果表明不能減 小輪對在曲線上的橫移量，建議不宜采用。 經(jīng)過分析，當磁流變的屈服應力和懸掛參數(shù)合理時，t c c t 型車不需控制 屈服應力的變化，就具有極高的臨界速度和在高速與準高速鐵路上良好的動 力學性能，且該車型具有結構對稱，正反運行方向性能相同，簡化了轉向架 的結構，為磁流變耦合輪對投入實際運營奠定了理論基礎。 另外，提出了軌廓分區(qū)法全面計算輪軌接觸狀態(tài)法，在考慮輪對的橫移、 浮沉、搖頭、側滾和左右鋼軌的橫移、浮沉、側滾的條件下，可全面地分別 計算左右側軌頂和軌側區(qū)域與車輪的最小輪軌間隙量，以此來判斷輪軌的真 實接觸狀態(tài)：正常的一點接觸、非正常的一點接觸、兩點接觸和車輪完全懸 浮，并根據(jù)非線性赫茲接觸理論分別求得兩接觸點處的輪軌法向力，從而使 仿真結果更接近于車輛在實際線路上的運行狀態(tài)。該方法對在傳統(tǒng)車輛動力 學的輪軌接觸關系方面也同樣適用。 關鍵詞：耦合輪對；磁流變；雙粘度；動力學性能；輪軌接觸；仿真 西南交通大學博士研究生學位論文第頁 a b s tr 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 o w h e e l sf i x e dt ot w oe n d so fo n ea x l eh a sc o m m o n l yb e e na d o p t e di n r a i l w a yv e h i c l e t h ea d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lf i x e dw h e e l s e t si st h a t t 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 db yl o n g i t u d i n a lc r e e p m o m e n t s ，h o w e v e ri tp o s s i b l yo c c u r so fh u n t i n gu n s t a b i l i t yw h e nt h e s p e e d b e c o m e s h i g h e r ，s oi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l s ( r o w ) i s a t t a c h e di m p o r t a n c ei n c r e a s i n g l y i r wd o n tp o s s e s sl o n g i t u d i n a l c r e e pf o r c e s ，s oi td o e s n to c c u ro fh u n t i n ga n dt h es t a b i l i t yo ft h e v e h i c l es y s t e mi si m p r o v e d b u ti 肼l o s es e l f - s t e e r i n gc a p a b i l i t y w i t h o u tl o n g i t u d i n a lc r e e pm o m e n t s ，s oi t sr e s t o r a t i o nc a p a b i l i t ya n d c u r v i n gp e r f o r m a n c e sb e c o m ew 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 d w h e e l s e t si sb r o u g h tf o r w a r dt h a tt h el e f ta n dr i g h tw h e e l so f w h e e l s e t sa r ep r o p e r l yc o u p l e dt op r o d u c eaf e wl o n g i t u d i n a lc r e e p f o r c e s i nt h i s w a y ，c o u p l e dw h e e l s e t s h a v eb o t hs e l f - s t e e r l 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 lv e l o c i t y s o m er e s e a r c h e so nc o u p l e d w h e e l s e t sh a v eb e e nc a r r i e do na b r o a dw h i l es c h o l a r si no u rc o u n t r y d ol e s sw o r k sb e f o r e2 0 0 1 i n2 0 0 2 ，d rc h i m a o r uw i t hs o t h w e s tj i a o t o n g u n i v e r s i t yr a i s em a g n e t o - r h e o l o g i a lf l u i dc o u p l e dw h e e l s e t s ( m r f c w ) o n t h eb a s iso fc o n c l u d i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa th o m eo ra b o a r da n d c o m b i n i n gt e c h n o l o g yp r o g r e s s o f m a g n e t o - r h e o l o g i a lf l u i d ( m r f ) n o w a d a y s ，a tt h es a m et i m e ，h eh a sd o n el o t so fw o r k s t h i sp a p e r e x p l o r e sd e e p l yo nt h eb a s i so fc h i m a o r u sw o r k sa n dh o p et os t r i d e ab i gs t e pi nm r f c wv e h i c l e t h ep a p e rf i r s t l yd i s c o v e r sp a r t i c u l a r i t yo f 凇f ( 灌t om r f ，a d o p t s b i gv i s c i d i t yg r e a s ea sb a s e o i la n dp r o v i d e sm a g n e tf i e l da l w a y su s i n g p e r m a n e n tm a g n e t t h e r e f o r e 枷訊i ss e m i s o l i da l lt h et i m ew h e n v e h i c l ei ss t i l l ，a n dt h e nv e r ys i m p l em r f c wd e v i c ei sd e s i g n e d ，s o m a g n e tp a r t i c l e sa n t i s e t t l i n g i ss o l v e d d y n 鋤i cm o d e l ：a r e e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fm r fb i v i s c i d i t ym o d e li n c l u d i n gr a i l w a y v e h i c l e so f 4m p s c w ( c c c cm o d e l ) ，o ff i x e d1 “a n d3 hw h e e l s e t s ，m r f 第1 v 頁西南交通大學博士研究生學位論文 c o u p l e d2 一a n d4 伯w h e e l s e t s ( t c t cm o d e l ) ，o fc o u p l e dl na n d3 r d w h e e l s e t s m r ff i x e d2 “a n d4 “w h e e l s e t s ( c t t cm o d e l ) ，o ff i x e d1 “a n d4 “w h e e l s e t s 。 c o u p l e d 砌 f2 “a n d3 “w h e e l s e t s ( t c c tm o d e l ) a n dt r a d i t i o n a l v e h i c l e ( t 1 u r t ) ，t h ed y n a m i c ss i m u l a t i n gs o f t w a r eo ft h e s em o d e l sa r e p r o g r a m m e d s i m u l a t i o ns h o w st h a tm r f c i rv e h i c l ep o s s e s s h i g h e rc r i t i c a l v e l o c i t yu n d e rt h ec o n d i t i o no f i 4 r fs m a l l e ry i e l ds t r e s s ，b u tb i g g e r 胍f c wl a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，t w o p o i n tc o n t a c to c c u ri nt h em e a n t i m e ， c r i t i c a lv e l o c i t ys h a r p l yd e s c e n d e di ni n c r e a s i n gy i e l ds t r e s s ，m r f c w l a t e r a ld i s p l a c e m e n td e c r e a s e d ，y i e l ds t r e s si n c r e a s e dc o n t i n u a l l y ， c r i t i c a lv e l o c i t yd e s c e n d e ds l o w l y ，b u tl a t e r a ld i s p l a c e m e n tb e c o m e b i g g e r a n t i h u n t i n g d a m p e rc a nr a i s ec r i t i c a lv e l o c i t yo fm r f c w v e h i c l eo p p o s i t et r a d i t i o n a lv e h i c l et os p e a k t c c tv e h i c l ep o s s e s s b e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e si n4k i n d so fl v l r f c wv e h i c l e sa n di tr u n s o nt h eh i g h - s p e e da n dq u a s i h i g h s p e e dt r a c ka l t e r n a t i v e l y ，t h i ss h o w s t c c tm o v e m e n t g r o u pp o s s e s sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e sw i t h c o m p a r i s o nt oi t st o w i n gv e h i c l e i na d d i t i o n ，i n f l u e n c e so ft c c t v e h i c l es u s p e n s i o np a r a m e t e ro nc r i t i c a lv e l o c i t ya r ea n a l y z e da n d s u s p e n s i o np a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d i n f l u e n c eo fw h e e l b a s ea n d d i a g o n a ld i f f e r e n c eo fb o g i e ，t r a c kc o n d i t i o no nc r i t i c a lv e l o c i t y ， r e s u l td e m o n s t r a t e s b o t hf o r m e rh a v el i t t l ei n f l u e n c e ，b u tt r a c k c o n d it o nh a sb i gi n f l u e n c e b e s i d e s s e l f - s t e e r e d 躲fr a d i a lt r u c k i sa n a l y z e d ，b u tr e s u l tp r o v e st h a tt h eb o g i ec a n td e c r e a s el a t e r a l d i s p l a c e m e n ta n di ti s n ts u i t a b l ei nr e a l i t y t c c tv e h i c l ep o s s e s s e sv e r yh i g hc r i t i c a lv e l o c i t ya n d b e t t e r d y n a m i cp e r f o r m a n c e sw h e n 腿fy i e l ds t r e s sa n ds u s p e n s i o np a r a m e t e r a r ea p p r o p r i a t eb ya n a l y z i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o tc o n t r o l l i n g m r fy i e l ds t r e s so nt h eh i g h s p e e da n dq u a s i h i g h s p e e dr a i l w a y ，b e s i d e s ， t c c tv e h i c l e p o s s e s s e ss y m m e t r i c a ls i m p l i f i e ds t r u c t u r ea n dt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e si nf r o n ta n db e h i n d i na d d i t i o n ，t o t a lw h e e l r a i lc o n t a c tc a l c u l a t i o nw i t hd i v i d e d r a i lo u t l i n em e t h o da r er a i s e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s i d e r i n gt h e 西南交通大學博士研究生學位論文第v 頁 d i s p l a c e m e n t ，b o u n c i n g ， y a w ， r o l lo fw h e e l s e t sa n d d i s p l a c e m e n t ，b o u n c i n g ，r o l lo fr a i l s ，m i n i m u mg a pb e t w e e nr a i la n d w h e e lw e r ec a l c u l a t e db yt h et r o c h o i dm e t h o da n dd i v i d e dr a i lo u t l i n e m e t h o d w ec a ne a s i l yj u d g et o t a l l yr e a lc o n t a c ts t a t e so f t h e w h e e l r a i ls u c ha sn o r m a lo n e p o i n tc o n t a c t n o n n o r m a lo n e - p o i n t c o n t a c t ，t w o - p o i n tc o n t a c ta n dw h e e lc o m p l e t el i f t w h e e l r a i ln o r m a l f o r c e si nt h et w oc o n t a c tp o i n ta r er e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e db y n o n l i n e a rh e r t zc o n t a c tt h e o r y a n dt h e n ，r e s u l to fs i m u l a t i o nm o r e c l o s et or e a l i t yo na c t u a lt r a c k t h i sm e t h o dc a na l s ob ea p p l i e di n c o n t a c to fw h e e l r a l li nt r a d i t i o n a lv e h i c l ed y n a m i c s k e y w o r d s ：c o u p l e dw h e e l s e t s ：m r f ：b i v i s c i d i t y ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e s ： w h e e l r a i lc o n t a c t ：n u m e r i cs i m u l a t i o n 。 西南交通大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權西南交通大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入 有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本 學位論文。 本學位論文屬于： 1 保密口，在 2 不保密e 杉適用本授權。 ( 請在以上方框內(nèi)打“4 ”) 學位論文作者簽名：_ = 啤 日期：糾年占月1 日 年解密后適用本授權； 指導老師簽名：多彳美 日期：砷年z 月，1 日 西南交通大學 學位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所里交的學位論文，是本人在導師指導下獨立進行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他 個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和 集體，均已在文中作了明確的說明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本 人承擔。 本學位論文的主要創(chuàng)新點如下： 1 首次發(fā)現(xiàn)：當無外加磁場時，若磁流變的動力粘度趨向于零，則磁 流變耦合輪對演變?yōu)楠毩⑤唽Γ趯嶋H運用中不希望變成這樣的情況。因此， 對磁流變耦合輪對來講，當外加磁場為零時，要求磁流變的動力粘度在一定 范圍內(nèi)越大越好，且磁粒直徑可以較大。這與磁流交在一般阻尼器和離合器 中的應用要求是絕然相反的。故選擇動力粘度較大的鈣基潤滑脂如鐵道車輛 軸承用鈣基潤滑脂、或者粘度更高的其它潤滑脂、或者其它粘度更高且滿足 使用條件( 如高沸點、高燃點、化學穩(wěn)定性好、能長期使用、無毒、無腐蝕、 無異味) 的膏狀物或膠狀物作為載液；同時，利用永磁體始終提供一定的外 加初始磁場，使車輛靜止時磁流交始終處在磁場中成為類固體，則靜止時更 加不會下沉，便為此首次設計了十分簡潔的磁流變輪對耦合器。其意義在于： ( 1 ) 輪對耦合器中磁流變將不會采用在其它領域中價格昂貴的磁流變，而是十 分廉價的磁流變，為磁流變廣泛應用于耦合輪對奠定了價格便宜的材料基礎。 ( 2 ) 解決了磁粒在輪對耦合器中靜止時抗沉降性難題，也有可能解決高速離心 邊緣化的問題，另外需要指出的是，即使當磁粒邊緣化發(fā)生后，若仍能傳遞 較先前增大或變化不大的阻力矩，對磁流變耦合輪對耦合器也是允許的，但 后者需要實驗證明。這使磁流變耦合輪對車輛在實用化、工程化方面邁上了 一個大臺階。這主要體現(xiàn)在第2 6 2 節(jié)。 2 通過建立多種形式的磁流交耦合輪對轉向架拖車模型，經(jīng)過比較和 優(yōu)化分析，首次提出了1 、4 位為傳統(tǒng)輪對，2 、3 位為磁流變耦合輪對的最 佳形式拖車。在合適的磁流變屈服應力和抗蛇行減振器的配合下，該拖車不 僅具有極高的臨界速度和良好的橫向動力學性能，而且還可在高速和準高速 鐵路間交互運行。這主要體現(xiàn)在第3 章。 3 基于第2 創(chuàng)新點，首次提出了l 、4 位為傳統(tǒng)輪對，2 、3 位為磁流 變耦合輪對，驅動裝置安裝在l 、4 位傳統(tǒng)輪對上的動車轉向架。由于該動車 同樣具有極高的臨界速度和良好的橫向動力學性能，可使上述形式的轉向架 拖車的動力學性能得到充分發(fā)揮。這使磁流變耦合輪對動車組( 全部為動車) 在投入實際運營上，在第1 、2 創(chuàng)新點的基礎上又跨越了一個大臺階。這主要 體現(xiàn)在第4 章 4 首次在國內(nèi)外提出了軌廓分區(qū)法全面計算輪軌接觸關系。在考慮輪 對的橫移、搖頭、側滾和浮沉4 個自由度和左右鋼軌的橫移、浮沉和側滾各 3 個自由度及左右鋼軌的橫向、垂向不平順的條件下，可全面地考慮輪軌任 一側的正常和非正常的一點接觸、兩點或多點接觸甚至車輪完全懸浮，根據(jù) 軌頂與踏面、軌側與輪緣各自接觸處的壓縮量和非線性m = r z 接觸理論，可很 方便計算出各接觸處的輪軌法向力。從而能更準確地進行機車車輛動力學動 態(tài)仿真，尤適合于作為車輛軌道耦合動力學，令鋼軌的自由度為零，則適 合于傳統(tǒng)車輛動力學。這主要體現(xiàn)在第3 3 節(jié)。 學位論文作者簽名：修車哆 p 日期：砷年占月，1 日 西南交通大學博士研究生學位論文第1 頁 1 1 論文的選題背景 第1 章緒論 鐵路自1 8 2 5 年9 月2 7 日在英國投入運營以來，鐵道機車車輛的輪對基 本上都采用左右兩個車輪剛性聯(lián)接在一根車軸的兩端，除車軸由于彈性和受 力變化產(chǎn)生非常小的顫震外，兩側車輪旋轉角速度是相同的。在曲線上，由 于左右車輪的同步轉動和內(nèi)外軌長度不相等，為了能順利通過曲線，車輪踏 面一般都具有一定的錐度。但隨之而產(chǎn)生其固有的缺點：在直線上產(chǎn)生自激 的蛇行運動，當蛇行運動失穩(wěn)后，輪對不斷左右劇烈撞擊鋼軌，產(chǎn)生噪聲、 磨耗、軌距擴大甚至脫軌：在曲線上，僅靠兩側車輪的半徑差不能完全彌補 內(nèi)外軌的長度差，因而造成較直線上更大的滑動和磨耗，造成頻繁鏇修車輪 和換軌，增大運營成本；并且在車輛的前進過程中，轉向架在直線上和在曲 線上對一系懸掛的縱向剛度的要求是相互矛盾的，使設計者在轉向架開發(fā)時 難以把握【1 卅。相對而言，傳統(tǒng)輪對車輛的臨界速度較低，而由于社會的進步、 經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對鐵路客車的速度、安全和舒適度的要 求越來越高隨著我國的京廣、京滬、京哈、哈大、滬漢蓉、徐西、貴廣等 客運專用線的興建，傳統(tǒng)輪對車輛雖能滿足當今的要求，但追求性能更好的 轉向架車輛一直是國內(nèi)外機車車輛工作者努力的目標 事實上，2 0 世紀初就有人提出用“獨立旋轉車輪”代替“固定輪對”的 設想。鐵道機車車輛采用獨立旋轉車輪的第一個專利是瑞士人c h a r l e sd e b a n g 于1 9 0 3 年申報的，基本原理是將兩個車輪通過軸承安裝在車軸上，使 車輪能相對車軸轉動，見圖1 1 ；1 9 0 8 年，奧地利人a l i o sm a r i al e i n w a t h e r 發(fā)明了無公用軸的獨立旋轉車輪，即左右車輪在空間上無任何約束。1 9 1 3 年， 加拿大人b a g s t e rr o a d ss e 曲r o o k 提出了用套筒聯(lián)軸器將左右車輪連接的專 利，其基本原理是使兩個車輪能相對聯(lián)軸器自由轉動。輪對的左右車輪解耦 后可以自由旋轉，不再產(chǎn)生縱向蠕滑力，因而不會產(chǎn)生蛇行運動，臨界速度 可以達到很高，對提高車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性有好處l s - s j 。但這一優(yōu)點也同時是它 的缺點，因為獨立旋轉車輪失去了縱向蠕滑力矩的自導向功能，在車輪制造 和安裝誤差及軌道不平順的影響下，當左右車輪車把接觸角差不大時，即使 在平直軌道上，獨立旋轉車輪一般也會貼靠鋼軌的某一側運行，而不能自動 向軌道中央復位，因而加劇了脫軌的傾向；在曲線上，獨立旋轉車輪主要依 第2 頁西南交通大學博士研究生學位論文 靠輪緣來導向，一旦發(fā)生輪緣接觸，很難保證輪軌一點接觸，因而很容易造 成輪緣的嚴重磨損 7 - 1 0 1 。 圖1 - 1 獨立旋轉車輪模型簡圖 采用獨立旋轉車輪的第一輛軌道車是1 9 1 6 年美國亞利桑那州的一家車 輛廠制造的城市輕軌車，其目的主要是使車輛的地板能低于4 0 0 m m ，方便乘 客上下車。這種2 軸內(nèi)燃輕軌車第一批共生產(chǎn)了4 輛，用在該州擁有兩萬多 居民的圖森市。2 年后，該廠又生產(chǎn)了2 0 輛提供給n e wb i r n e y 市的公交公 司。然而，由于該車的輪緣在直線上經(jīng)常貼靠鋼軌，車輪的踏面和輪緣磨耗 遠高于同類型采用傳統(tǒng)輪對的車輛，且多次發(fā)生脫軌事故，因此，兩城市幾 乎同時中斷了對其的使用。進入2 0 世紀3 0 年代，德國的埃森( e s s e n ) 有軌 電車公司和瑞士的b l s 鐵路公司出于同樣目的，各自制造了一輛采用獨立旋 轉車輪的輕軌電車樣車，其中瑞士b l s 鐵路公司的輕軌電車是兩節(jié)一組并在 中間采用了j a c o b 轉向架( 鉸接式轉向架) 。該樣車的命運同美國一樣，最終 還是將獨立旋轉車輪更換成傳統(tǒng)輪對。許多理論和試驗研究也表呀”“”，由 于獨立旋轉車輪缺乏蠕滑力的自導向作用，因而使得獨立旋轉車輪不但直線 復位性能很差，而且曲線通過性能也很差，因此導向問題一直是獨立回轉車 輪發(fā)展的“瓶頸”。圍繞著獨立回轉車輪的導向問題，國外提出了很多解決方 案，比如把獨立旋轉車輪轉向架做成拖動式【1 6 】、加大車輪踏面的錐度l l7 ?！?、 加設特殊的導向機構【i ”l 】等。 應該指出的是，當時的輪軌粘著理論還不足以解釋其原因。直到1 9 6 7 年現(xiàn)代輪軌粘著理論的開拓人荷蘭的k a l k o r 的博士論文發(fā)表后，人們才 真正對輪軌蠕滑現(xiàn)象和蠕滑理論有了新的認識 2 2 。2 s 。 隨著人們對車輛動力學研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)輪軌縱向蠕滑力在輪 對的導向中起著不可低估的作用，于是國外一些學者想出了一種整合傳統(tǒng)固 西南交通大學博士研究生學位論文第3 頁 定輪對和獨立旋轉車輪之間優(yōu)點的輪對 2 6 - 2 9 ，即耦合輪對，其原理可以用圖 1 2 來示意。耦合輪對即通過某種耦合器把獨立旋轉的左右車輪的自由旋轉運 動進行適當?shù)鸟盥?lián)，這樣就可以產(chǎn)生適量的縱向蠕滑力，從而使車輛在保證 有較高的臨界速度的同時，還可以提高輪對向軌道中央復位和改善轉向架的 曲線通過性能。 圖1 - 2 耦合輪對模型簡圖 1 2 耦合輪對的發(fā)展與研究概況 耦合輪對的概念一提出，就受到很多研究人員的關注，英國、美國、加 拿大、德國、法國等國家的許多學者投入了大量的精力來對耦合輪對進行理 論和試驗研究，其中以加拿大的a l m 3 e d 研究的彈性一阻尼耦合輪對 e d c w ( e 1 a s t o - d a m p e r c o u p l e ，d w h e e l s e t ) 1 3 咖】和德國m b b 公司開發(fā)的磁力耦 合輪對m p c w ( m a g n e t i ep o w d e rc o u p l i n gw h e e l s e t ) 【3 州】最為著名。 耦合輪對的概念最早由英國的b e n i n g t o n 于1 9 6 8 年提出【2 6 】，他初步分析 認為輪對通過阻尼適當耦合可以緩解直線穩(wěn)定性與曲線通過性能之間的矛 盾。緊接著d u k k i p a t i 利用b e n i n g t o n 的耦合輪對模型考察了輪對耦合參數(shù)及 懸掛參數(shù)對穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)阻尼耦合輪對的動力學性能確實比傳統(tǒng)固定 輪對好【2 7 j 。2 0 世紀7 0 年代，d o y l e 、p r a u s e 和h a d d e n 進一步對耦合輪對進 行了研究，他們得出的結論是：輪對的耦合阻尼對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響可以忽 略不計；而耦合剛度對穩(wěn)定性的影響很大，車輛的穩(wěn)定性隨著輪對耦合剮度 的增加而增大，當耦合剛度達到很大而使左右車輪成為固定輪對時的臨界速 度最高 2 s , 2 9 。后來的研究表明，這個結論是不正確的。 2 0 世紀8 0 年代，掀起對耦合輪對研究的熱潮，其中對耦合輪對的理論 研究貢獻最大的是加拿大的a h m e d 。他首先建立了彈性一阻尼耦合輪對 e d c w ( e l a s t o - d n n p e rc o u p l e dw h e e l s e t ) 的橫向線性動力學模型，如圖l - 3 所 第4 頁西南交通大學博士研究生學位論文 示f 3 0 1 ，考慮了輪對的橫移、搖頭和自旋三個自由度，構架被假設為是沿軌道 前進的固定參考系。 圖1 - 3 彈性一阻尼耦合輪對模型 a h m e d 在頻域內(nèi)對分析了扭轉剛度和扭轉阻尼對輪對臨界速度的影響， 如圖1 4 所示0 0 。從圖中可以看出扭轉剛度和扭轉阻尼對輪對的臨界速度都 有較大的影響。 e d 鼎扭轉剛度k ( k n m r a d ) ( a ) 奄 1 、， 倒 艘 呔 嚳 砌扭轉阻尼c 艋拋ns t a d ) ( b ) 圖1 - 4 扭轉剛度和扭轉阻尼對臨界速度的影響 由于僅考慮輪對運動的動力學模型過于簡單，不能考察耦合參數(shù)對轉向 架和車輛穩(wěn)定性的影響，所以a h m e d 緊接著又建立了包含1 1 個自由度的 e d c w 貨車轉向架的橫向線性穩(wěn)定性模型【3 1 】分析的結果是當扭轉阻尼過小 時，扭轉剛度不能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與此同時，a h m e d 又建立了輪對僅有 阻尼耦合的三大件轉向架貨車的穩(wěn)態(tài)曲線通過模型【3 2 】，分析結果認為適當?shù)?西南交通大學博士研究生學位論文第5 頁 阻尼耦合可以提高輪對的導向能力，并改善車輛的曲線通過性能。a h m e a 最 后得出的結論是：當輪對左右車輪的耦合力矩增大時，輪對導向能力增強， 臨界速度下降；當輪對的耦合力矩減小時，輪對導向能力減弱，臨界速度上 升。這樣直線穩(wěn)定性和曲線通過性能的矛盾可以通過優(yōu)化輪對的耦合參數(shù)來 加以優(yōu)化折中。 圖1 5 磁力耦合輪對 德國m b b 公司在發(fā)展i c e 計劃時對阻尼耦合輪對進行了試驗研究，他 們研制了一種蠕滑力可控的磁力耦合輪對，如圖1 5 所示p 3 州。輪對的左右 車輪之間由一磁力元件進行耦合，輪軌問的縱向蠕滑力可以通過磁力藕合元 件來加以控制。車輪采用磨耗型踏面，其構架由纖維復合材料制造，如圖1 - 6 所示1 3 3 1 。這種設計的目的是：將車輛的速度提高到3 5 0 k m h 以上，減小輪軌 橫向力、降低輪軌磨耗和噪聲 圖1 6 磁力耦合輪對轉向架 通過滾動臺試驗得出：通過磁力耦合元件控制作用可以使輪軌間的動作 第6 頁西南交通大學博士研究生學位論文 用力減小2 0 ；應用纖維復合材料使轉向架重量減輕后，對橫向舒適性有所 改善，但并不能消除速度變化對舒適度的影響，只有采用蠕滑力可控的耦合 輪對才能減小速度變化對舒適度的影響，從而真正改善運行中的舒適度品質； 滾動臺試驗還表明，傳統(tǒng)輪對在1 0 7 k m h 時就開始失穩(wěn)，而蠕滑力可控耦合 輪對在5 0 3 k m h 的速度下仍能保持穩(wěn)定。 法國g e c a l s t h o m - a c r 為了減少t g v 列車輪軌間的摩擦、滾動阻力、 磨耗和噪聲，也開展了對耦合輪對的理論和試驗研究，建立了彈性一阻尼耦合 輪對的非線性橫向動力學模型，并對裝有阻尼耦合輪對的車輛在高速線路上 進行了動力學性能試驗，最高速度達到2 9 0 k m h 3 5 。研究結果表明：非線性 模型的計算結果與線性模型的計算結果兩者的變化趨勢是相似的：優(yōu)化兩輪 間的彈性阻尼耦合參數(shù)，可以使輪對既具有足夠的中心復原能力，又有很高 的蛇行失穩(wěn)臨界速度；在阻尼耦合輪對的線路試驗中沒有發(fā)現(xiàn)輪緣貼靠鋼軌 一側的現(xiàn)象，雖然耦合輪對的踏面錐度比傳統(tǒng)輪對大，但其臨界速度遠高于 傳統(tǒng)輪對，在高速時車輛的舒適度還提高了5 0 。 我國在2 0 世紀9 0 年代也對耦合輪對有過一些探索性研究【3 6 , 3 7 1 ，當時鐵 道部科技司以科技機( 1 9 9 5 ) 1 4 5 號文下達了獨立輪轉向架的研制任務，該項目 由原上海鐵道大學和銅陵車輛廠共同承擔。他們研制的獨立輪對左右車輪通 過摩擦片進行了適當?shù)鸟詈稀?2 0 世紀9 0 年代以來，國外研究者們對耦合輪對的研究主要集中在耦合 技術與控制技術上。除了德國的磁力耦合技術外，還有人提出過機械齒輪耦 合技術、離心力耦合技術和液壓耦合技術等設想【3 耵。西南交通大學牽引動力 國家重點實驗室的池茂儒博士在這種背景下，結合當今磁流變技術的發(fā)展， 在國內(nèi)外首次提出了用磁流變來實現(xiàn)左右車輪的耦合，這種新型輪對稱為磁 流變耦合輪對，并對其動力學性能進行了大量卓有成效的研究 3 9 1 本文在此 基礎上，以工程化應用為目的進行研究和探索。 1 3 磁流變耦合輪對的應用前景 磁流變應用于工程實際最關鍵的問題是其靜置時磁粒出現(xiàn)沉淀。本論文 發(fā)現(xiàn)了磁流變耦合輪對的耦合器對磁流變載液的特殊要求，決定采用高粘度 的鐵道車輛軸承用潤滑脂或其它粘度更高的潤滑脂作為載液，并且利用永磁 體提供初始磁場，使磁流變靜止時恒為類固體，這樣解決了磁流變耦合輪對 應用中磁?？钩两捣€(wěn)定性的問題。理論分析表明：當車輛高速行駛時，磁粒 西南交通大學博士研究生學位論文第7 頁 也不會出現(xiàn)由于離心力而到邊緣的現(xiàn)象，但這需要通過實驗證明。 通過程序仿真分析，得到磁流變耦合輪對拖車和動車在適宜的屈服應力、 抗蛇行減振器、二系橫向液壓減振器和一系水平剛度的配合下，具有相當高 的臨界速度，在高速鐵路上行駛時，具有優(yōu)良的橫向動力學性能和曲線通過 性能，在我國準高速線路上也具備良好的曲線通過性能，因而具有廣闊的應 用前景。 根據(jù)本文作者于2 0 0 7 年4 底在i e l ( i e e e i e e 全文數(shù)據(jù)庫) 上搜索，國外 還沒有對磁流變耦合輪對進行研究的報道。若作者提出的磁流變耦合器被實 驗可行、且優(yōu)化得出的t c c t 型拖車和動車在線路可成功運行，則有可能是 我國在高速鐵路方面上十分有意義的一項創(chuàng)新工作。 1 4 本文的主要工作 本文在作者設計的磁流變耦合輪對的耦合器基礎上，提出了該型輪對的 拖車和動車的設計方案，并由此對磁流變耦合輪對的拖車和動車的動力學性 能進行了分析，做了以下工作： ( 1 )經(jīng)過探索和分析，發(fā)現(xiàn)了磁流變耦合輪對的耦合器對磁流變載液的 特殊要求，決定采用高粘度的鐵道車輛軸承用潤滑脂或其它粘度更高且滿足 使用要求的潤滑脂作為載液，較大直徑的純鐵粉或硅鋼粉作為磁粒，并且利 用永磁體提供初始磁場或恒定磁場，使磁流變靜止時恒為類固體，這樣解決 了磁流變耦合輪對應用中靜止時磁粒抗沉降穩(wěn)定性的問題，此方案與池茂儒 博士提出的方案完全不同。經(jīng)過理論分析，當車輛高速行駛時，磁粒也不會 出現(xiàn)由于離心力而游離到邊緣的現(xiàn)象，但這一點需要實驗證明。需要指出的 是，即使發(fā)生磁粒邊緣化，只要仍能傳遞扭矩，對使用無多大的影響，這為 磁流變耦合輪對車輛應用于工程實際創(chuàng)造了條件； ( 2 )建立了傳統(tǒng)輪對車輛，4 個輪對全為耦合輪對的車輛( t t t t 型車) ，1 、 3 位為傳統(tǒng)輪對，2 、4 位為耦合輪對的車輛( t c t c 型車) ，1 、3 位為耦合輪對， 2 、4 位為傳統(tǒng)輪對的車輛( c r c r 型車) ，1 、4 位為傳統(tǒng)輪對、2 、3 位為耦合 輪對的車輛( t c c t 型車) ，拖車和動車的相互統(tǒng)一、直線和曲線的統(tǒng)一的空聞 動力學模型，并編制了相應的車輛動力學仿真程序； ( 3 )通過對上述模型的動力學分析和比較，發(fā)現(xiàn)1 、4 位為傳統(tǒng)輪對、2 、 3 位為耦合輪對的車輛較其它形式的耦合輪對車輛具有較好的動力學性能， 并對其進行了參數(shù)優(yōu)化，由此提出了只在1 、4 位傳統(tǒng)輪對上安裝驅動裝置的 動車轉向架，這又使磁流變耦合輪對動車組成為可能； 第8 頁西南交通大學博士研究生學位論文 ( 4 )首次考慮了彈簧、阻尼器的兩端相對位移、相對速度、相對加速度 對剛度、阻尼系數(shù)的影響，但由于缺乏相關數(shù)據(jù)沒能進行分析： ( 5 )首次在國內(nèi)外提出了軌廓分區(qū)法。利用軌廓分區(qū)法、跡線法和輪軌 非線性接觸彈簧，在慮輪對的橫移、搖頭、側滾和浮沉4 個自由度和左右鋼 軌的橫移、浮沉和側滾各3 個自由度及左右鋼軌的橫向、垂向不平順，可全 面地考慮正常和非正常的一點接觸、兩點或多點接觸、甚至車輪懸浮，根據(jù) 輪軌壓縮量和非線性h e r t z 理論可直接求出各接觸處的輪軌法向力，從而能 更準確地進行機車車輛動力學動態(tài)仿真，尤其適合于作為車輛一軌道耦合動 力學的輪軌接觸幾何關系子程序使用，對剛性鋼軌和傳統(tǒng)車輛動力學亦可。 為更加真實模擬機車車輛動力學性能奠定了理論基礎。 西南交通大學博士研究生學位論文第9 頁 第2 章磁流變和磁流變耦合器的方案設計 磁流變流體( 簡稱磁流變或磁流變液，m a g n e t o - r h e o l o g i a lf l u i d ，m r f ) 的發(fā)現(xiàn)，可以追溯到1 9 4 8 年，當時美國國家標準局的r a b i n o w 在實驗過程中 發(fā)現(xiàn)向流體中加入某些可磁化的顆粒，在磁場的作用下流體的表觀粘度會發(fā) 生很大的變化，甚至當磁場強度大于某一臨界值時，流體停止流動而達到固 化，并且保持流體自身形狀或具有一定的抗剪能力，還能表現(xiàn)出固體的屈服 現(xiàn)象，當磁場消失后，又能迅速恢復到先前的狀態(tài)，并且這個過程是可逆的， 一般響應時間為i n s 級，這種現(xiàn)象稱為磁流變效應1