耦合轮对车辆动力学性能的研究.pdf

西南交通大学博士学位论文耦合轮对车辆动力学性能的研究姓名：池茂儒申请学位级别：博士专业：车辆工程指导教师：王开文20030401西南交通大学博士研究生学位论文第l 页摘要自铁路运营以来，铁道机车车辆的轮对基本上都采用两个车轮紧固在一根车轴两端的形式这种传统固定轮对的优点在于它具有纵向蠕滑力产生的偏转力矩从而使轮对具有自导向功能，但是在纵向蠕滑力矩的作用下，当车辆运行速度较高时就可能产生蛇行失稳因此，近年来独立回转车轮日益受到重视，与传统轮对相比，独立回转车轮不存在纵向蠕滑力产生的偏转力矩，因而不产生蛇行运动，对提高稳定性有好处但这一优点也同对是它的缺点，因为独立回转车轮失去了纵向蠕滑力矩的导向作用，因而降低了轮对的直线复位性能和曲线通过性能鉴于此，国外一些专家学者又提出了耦合轮对的设想，即轮对的左右车轮通过某种形式进行适当的耦合，这样便可产生适量的纵向蠕滑力，从而使轮对既具有导向功能，又能保证车辆具有较高的临界速度国外在这方面已做了一些开拓性的研究工作，而国内关于耦合轮对的研究还基本上是一片空白为了填补国内在这方面的研究空白，也为了促进列车的高速化进程，很有必要对这一新技术作深入的研究。

本文在国外对耦合轮对的研究基础之上，提出了一种新型的耦合轮对——磁流变耦合轮对，进而对磁流变耦合轮对车辆的动力学性能进行了系统深入的研究本文根据磁流变流体的流变特点，首次设计出了磁流变耦合轮对的结构方案，分析了磁流变耦合轮对的工作原理，然后建立了包含3 8 个自由度的磁流变耦合轮对车辆系统的非线性动力学模型，编制了磁流变耦合轮对车辆系统动力学的计算仿真软件根据磁流变耦合轮对车辆系统动力学计算程序的仿真结果，对磁流变耦合轮对车辆的直线平稳性、稳定性和动态曲线通过性能进行了系统全面的分析，找出了轮对耦合度对车辆动力学性能的影响规律为了考察线路条件( 特别是曲线半径R ) 的变化对轮对耦合度取值大小的影响，本文采用遗传算法对磁流变耦合轮对车辆通过不同半径曲线时转向架前后轮对耦合度的匹配关系进行了优化研究经过遗传算法的优化分析，找出了转向架前后轮对的耦合度的取值随曲线半径的变化规律本文还从列车动力学的角度对磁流变耦合轮对的动力学性能进行了研究，提出了一种计算列车动力学的新方法——循环变量法，建立了基于循环变量法的列车动力学模型，编制了列车动力学计算软件通过对传统固定轮对、独立回转车轮和磁流变耦合轮对列车动力学性能的分析比较进一步论证西南交通大学博士研究生学位论文第1l 页了磁流变耦合轮对的优越性。

磁流变耦合转对的优越性在予它可以在控制系统的作用下根擐实际嚣要来调整其耦合程度从而使车辆的动力学性能在各种工况下都可保持最佐，但是这种优越性的发挥还需要相关的检测、控制等配套技术的支持，丽本文对磁流变藕合轮对动力学性能的研究恰好为下一步磁流变耦合轮对控制系统的研匍提供了重要的理论依据关键谣；藕合轮对；磁流交流体；动力学性能；遗传算法；剜车动力学堕妻奎垄查堂堂主堡塞兰兰焦鲨塞蔓! ! ! 要A b s t r a c tS 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 Ow h e e l sf i x e dt Ot w oe n d so fo n ea x l ea r ec o m m o n l ya d o p t e di nr a i lv e h i c l e ．T h ea d v a n t a g eo fc o n v e n t i o n a lf i x e dw h e e l s e t si st h a tt 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 g n i t u d i n a lc r e e pm o m e n t s ，h o w e v e rh u n t i n gu n s t a b i l i t yp o s s i b l yo c c u rw h e nt h es p e e do fv e h i c l eb e c o m e sh 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 sa r ea t t a c h e di m p o r t a n c et oi n c r e a s i n g l y ．I n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sd o n ’te n g e n d e rl o g n i t u d i n a lc r e e pf o r c e s ，S Oh u n t i n gw o n ’to c c u ra n dt h es t a b i l i t yo fv e h i c l es y s t e mi sv e r yg o o d ．B u ti n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sl o s es e l f - s t e e r i n gc a p a b i l i t yo fl o g n 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 dc u r v i n gp e r f o r m a n c eb e c o m e sw 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 dw 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 df i g h tw h e e l so fw h e e l s e t sa r ec o u p l e dp r o p e r l yt op r o d u c eaf e wl o g n i t u d i n a lc r e e pf o r c e s ．I nt h i sw a y , c o u p l e dw h e e l s e t sh a v eb o t hs e l f - s t e e r i n gc a p a b i l i t ya n dh i g h e rc r i t i c a ls p e e d ．S o m er e s e a r c h e sa b o u tc o u p l e dw h e e l s e t sh a v eb e e nc a r r i e dt h r o u g ha b r o a d ，h o w e v e rr e s e a r c ha b o u tc o u p l e dw h e e l s e t si sb a s i c a l l yab l a n ki nh o m e l a n d ．I no r d e rt Of i l lu pt h er e s e a r c hb l a n ka n ds p e e d u pt h ep r o g r e s so fh e i g h t e n i n gt r a i n ’Ss p e e d ，i n - d e p t hr e s e a r c ha b o u tc o u p l e dw h e e l s e t si sv e r yn e c e s s a r y ．I nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h es t u d ya b o u tc o u p l e dw h e e l s e t sa b r o a d ，a u t h o rh a v eb r o u g h tf o r w a r dak i n do fn e wc o u p l e dW h e e l s e t s - - m a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t s ( M R C W ) ．I nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r es c h e m eo fm a g n e t o —r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t si sd e s i g n e da n di t sw o r kp r i n c i p l ei sa n a l y z e d ．A f t e r w a r d s ．a3 8d ．O ．fn o n l i n e a rd y n a m i c sm o d e lo fv e h i c l es y s t e mw i t hm a g n e t o —r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t si se s t a b l i s h e da n dt h er e l e v a n tc o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a mi sw r i t t e n ．A c c o r d i n gt Ot h ec o m p u t a t i o nr e s u l to fd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h er e s p o n s ea n ds t a b i l i t yo nt h et a n g e n tt r a c ka n dc u r v ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ew i t hm a g n e t o ·r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t sa r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dt h el a w so f c o u p l e dc o e f f i c i e n tt od y n a m i cp e r f o r m a n c eo f v e h i c l ea r ef o u n d ．I nt h i sp a p e r ，o p t i m i z a t i o no fc o u p l e dc o e f f i c i e n tf o rt h el e a d i n gw h e e l s e t sa n dt r a i l i n gw h e e l s e t so fb o g i ei sr e s e a r c h e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dt h eo p t i m a lm a t c h i n gl a wo fc o u p l e dc o e f f i c i e n tf o rl e a d i n ga n dt r a i l i n gw h e e l s e t sh a sb e e nf o u n dw h e nav e h i c l en e g o t i a t e sa l lk i n d so。