弹性阻尼耦合轮对客车系统动力学性能研究

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自铁路开始运营以来,世界各国的铁道机车车辆均采用传统轮对作为轮轨导向系统。传统轮对在直线上的自动对中和曲线上的自导向能力突出,结构简单,性能良好,在行业内占据着几近垄断的地位。但带有锥度的踏面引起的蛇行运动限制了传统轮对临界速度的进一步提高,这也使得其在应用中存在一定的缺陷。因此,人们提出了独立旋转车轮的概念,将传统轮对的左右车轮解耦,使它们可以各自独立地绕车轴旋转。独立旋转车轮理论上不存在纵向蠕滑力的作用,因此车辆的临界速度可以达到很高的值,但由于失去了纵向蠕滑力和由纵向蠕滑力产生的回转力矩的回复作用,独立旋转车轮在曲线上几乎没有自导向能力,导向主要靠轮缘来实现,轮轨磨耗严重,易发生脱轨事故,对长期运营非常不利。因此,非常有必要研究一种兼有传统轮对和独立旋转车轮的优点,同时消除二者缺陷的新型轮轨导向系统,耦合轮对便应运而生。耦合轮对的左右车轮通过耦合器联接,既不完全独立也不完全固结,通过调节耦合器的耦合度,可以得到不同的动力学性能。当耦合度选取适当值时,耦合轮对可以同时具有较好的曲线自导向和直线自对中能力。本文全面系统地研究多种耦合轮对形式中的一种——弹性阻尼耦合轮对客车系统的动力学性能。首先,本文对多刚体车辆系统动力学方程进行了推导,并结合弹性阻尼耦合轮对的具体情况建立了弹性阻尼耦合轮对客车系统动力学计算模型,对客车系统的受力情况进行了分析,对其中非线性环节作了处理,并推导了其运动微分方程。文中还对弹性阻尼耦合轮对客车系统动力学性能进行了深入计算分析,得出了耦合刚度和阻尼对动力学性能的影响,获得了耦合度的敏感区间及对车辆系统动力学性能影响的变化趋势:弹性阻尼耦合轮对在客车系统中的应用能够克服传统轮对临界速度受限问题,也能够解决独立旋转车轮在运行中轮轨贴靠和曲线通过性能差的问题。当选择合适的耦合度时,弹性阻尼耦合轮对既能提高车辆系统的临界速度也能同时改善转向架曲线通过性能。当耦合度足够小时,其动力学性能与独立旋转车轮相当,当耦合度足够大时,动力学性能与传统轮对相接近。在研究了转向架前后轮对选用相同耦合度的弹性阻尼耦合轮对性能的基础上,本文又进一步对导向轮对和跟随轮对选用不同类型和不同耦合度时的车辆系统动力学性能进行了深入研究,并得出了轮对最佳耦合方式和较优耦合度的取值。本文对弹性阻尼耦合轮对客车系统动力学性能进行了深入系统的研究,为该类型轮轨导向系统在工程实际中的应用提供了有益的参考。
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