铁道车辆用空气弹簧动力学性能仿真研究

摘要

空气弹簧是在柔性的密闭容器中充入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。近年来，空气弹簧以其良好的弹性特性在铁道车辆上得到了广泛应用。在对装有空气弹簧的车辆进行动力学仿真时，受条件和手段的限制，通常将空气弹簧等效为弹簧和阻尼并联的线性模型，但管道长度、节流孔直径、附加气室容积等参数的不同都将导致空气弹簧的动态特性有所差异，传统的线性模型不能反映空气弹簧诸多参数的影响，更不能反映带高度阀和差压阀空气弹簧的耦合作用，其不利于对空气弹簧的研究与选型，且给车辆系统动力学仿真结果带来较大误差。
　　基于热力学和流体力学相关理论，采用数学—物理方程对空气弹簧内气体的实际变化过程进行描述，基于Matlab/Simulink软件平台分别建立了空气弹簧本体—固定节流孔—附加气室模型、空气弹簧本体—连接管道—附加气室模型以及高度阀与差压阀动力学模型，分析不同激励幅值、空气弹簧参数和热传递系数对空气弹簧垂向动态刚度及阻尼的影响。研究结果表明:空气弹簧系统的垂向动态刚度随激励振幅的增大而增大，且在不同振幅激励下系统的阻尼存在近似相等的峰值;当采用较长管路连接时应考虑管道内空气质量的惯性对空气弹簧动态特性的影响，短管可等效为固定节流孔连接;空气弹簧垂向动态刚度在低频与高频激励下分别趋于常值;固定节流孔存在低频开口过大，高频开口过小的缺陷;热传递系数对空气弹簧动态特性有较大影响，其数值的选择应建立于试验数据的基础上。
　　本文将完整的空气弹簧动力学模型与在SIMPACK中建立的高速动车组车辆系统动力学模型进行耦合，采用Matlab/Simulink与SIMPACK的联合仿真技术，研究了不同类型空气弹簧悬挂系统及热传递系数对车辆动力学性能的影响。分析结果指出:高度阀的控制方式一般选用2点或4点控制，其中2点控制必须安装合适刚度的抗侧滚扭杆装置。采用固定节流孔连接的空气弹簧系统，选取节流孔直径15mm-20mm较为合适;附加气室容积的选取范围一般为60L-100L。空气弹簧参数和热传递系数对车辆垂向运行平稳性有较大影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景

1．2 空气弹簧的发展历程

1．2．1 国外空气弹簧的研究及应用概况

1．2．2 国内空气弹簧的研究及应用概况

1．3 本文主要研究内容与方法

第2章 空气弹簧系统的组成与基本特性

2．1 空气弹簧系统组成与工作原理

2．1．1 空气弹簧本体

2．1．2 附加气室

2．1．3 节流装置

2．1．4 高度控制阀

2．1．5 差压阀

2．2 空气弹簧的基本特性

2．2．1 有效面积

2．2．2 垂向刚度特性

2．2．3 固有频率

2．3 本章小结

第3章 空气弹簧动力学模型

3．1 空气弹簧建模方法概述

3．1．1 等效模型

3．1．2 集总参数建模

3．1．3 基于热力学过程建模

3．2 空气弹簧垂向动力学模型的建立

3．2．1 空气弹簧本体

3．2．2 附加气室

3．2．3 固定节流孔与管道

3．2．4 高度控制阀模型

3．2．5 差压阀模型

3．3 本章小结

第4章 空气弹簧垂向动态特性仿真分析

4．1 空气弹簧动态特性比较基准

4．2 不同激励振幅对空气弹簧动态特性的影响

4．3 空气弹簧参数对其动态特性的影响

4．3．1 管道长度对空气弹簧动态特性的影响

4．3．2 节流孔直径对空气弹簧动态特性的影响

4．3．3 附加气室容积对空气弹簧动态特性的影响

4．4 热传递系数对空气弹簧动态特性的影响

4．5 本章小结

第5章 空气弹簧悬挂系统对车辆系统动力学性能影响

5．1 联合仿真模型的建立

5．1．1 车辆系统动力学模型

5．1．2 空气弹簧系统模型

5．1．3 SIMPACK与Matlab／Simulink的联合仿真

5．2 高度阀与差压阀对车辆曲线通过性能的影响

5．2．1 车辆系统曲线通过概述及评定标准

5．2．2 带高度阀和差压阀空气弹簧车辆曲线通过分析

5．2．3 无高度阀和差压阀空气弹簧车辆曲线通过分析

5．3 高度阀控制方式对车辆曲线通过性能的影响

5．4 空气弹簧参数对车辆动力学性能的影响

5．4．1 车辆运行平稳性评定标准

5．4．2 空气弹簧参数对车辆运行平稳性的影响

5．4．3 空气弹簧参数对车辆曲线通过的影响

5．5 热传递系数对车辆动力学性能的影响

5．5．1 热传递系数对车辆运行平稳性的影响

5．5．2 热传递系数对车辆曲线通过的影响

5．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文