直线电机地铁弹性车轮动力学及刚度特性分析

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直线电机地铁以其特有的结构优势,在世界范围内逐步得以推广与应用,但无论其结构如何特殊,直线电机地铁车辆仍需运行于轨道系统中,在高负荷的承载与线路不平顺的作用下,轮轨间作用力不断增加,车辆的运行品质也不断恶化。为了改善这一情况,一系列的轮轨减振方法得到了探索与应用,而弹性车轮由于在轮辋和轮芯之间设置了橡胶层,具有吸振和隔振能力,取得了一定的效果,故而引发了一些研究与关注。而采用弹性车轮改善直线电机车辆的运行品质时,则会面临以下问题,一方面,与传统旋转电机车辆不同,直线电机车辆的驱动需要转向架上的定子线圈与轨道板上的感应板共同作用,采用弹性车轮不仅改变了轮轨系统的接触特性,也改变了直线电机系统的电磁耦合特性,而与之相关研究十分缺乏;另一方面,刚度是弹性车轮的关键参数,不仅影响车辆的动力学性能也与车辆的安全性息息相关,如何在设计中选取匹配直线电机车辆的刚度参数又如何在生产中达到理想的刚度参数也需要进一步的探索与研究。因此本文对直线电机地铁车辆弹性车轮的动力学特性及刚度特性展开研究,希望相关的研究成果可以推动弹性车轮在直线电机地铁上的推广应用,并对弹性车轮投入实际应用提供一定的指导。论文主要工作如下:(1)基于车辆-轨道耦合动力学理论,分别建立了包含弹性车轮与刚性车轮的直线电机地铁车辆-轨道耦合动力学模型,并结合现场试验,验证了模型的正确性。(2)利用直线电机地铁车辆的动力学模型,对比分析了采用弹性车轮与刚性车轮的直线电机车辆在直线段、曲线段、波磨段及焊接接头工况下的动力学性能,计算结果显示,除直线段垂向平稳性指标外,采用弹性车轮的直线电机地铁车辆各项动力学性能指标在各工况下均优于刚性车轮车辆,尤其对于曲线工况以及焊接接头工况,动力学相关性能改善尤为明显。(3)基于直线电机车辆动力学模型,探究了弹性车轮刚度参数对车辆动力学指标的影响,给出弹性车轮优化刚度值;此后,为确保生产中车轮刚度达到设计值,建立了弹性车轮压装有限元模型,探究影响车轮刚度的因素及其变化规律,计算结果显示橡胶元件的结构参数和摩擦系数会对弹性车轮刚度产生较大影响。
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