铁道车辆空气弹簧刚度的分析.pdf

摘要西南交通大学硕士研究生学位论文第随着我国高速铁路的建设和旅客列车运行速度的提高,在保证安全的前提下,追求长距离,短时间的概念已深入人心。铁路乘客的需求已不再仅仅满足于旅客列车安全准时的优点,而是速度、乘坐舒适性、安全稳定性的结合。高速动车组让旅客在享受高速铁路带来的便捷和效率的同时,对铁道车辆的稳定性与舒适性也给予了高度肯定。众所周知,高速列车在钢轨上运行,其平均时速均在痟以上,在满足结构强度的条件下,其悬挂参数是能否在高速行驶下满足列车运行品质要求的决定性因素。列车在高速运行过程中,会受到来自铁路不平顺和通过曲线时所带来的激励,从而产生垂向与横向的振动,这对于车辆的运行安全性、稳定性与舒适性都具有较大的影响。如何缓解列车振动,成为提高车辆运行品质的关键。作为车辆运行过程中的减振元件,空气橡胶弹簧较钢弹簧具有十分明显的优势,主要表现在刚度的非线性特性上。普通钢弹簧在设计之初,刚度即已无法调节,仅能在设计时根据运行路段不同进行选取,这就导致了不同载重量的条件下车辆间运行品质的差异,而空气弹簧可根据载荷量的不同,自行调整刚度,以此保证自振频率不变,加之高度调整阀的作用,使得车辆运行品质更为稳有限元软件的模拟和仿真具有降低试验成本,缩短试验周期的优点,对于产品的设计与制造提供较为高效的方法。本次论文通过阐述不同类型空气弹簧的工作原理,并以此建立刚度特性的数学模型,分析在不同影响因素下刚度特性的优缺点和可行性。此外,还对空气弹簧系统的辅助结构,如高度调整阀、节流阀、附加空气室做了系统的总结,为后续有限元模型的建立提供可靠的理论依据。利用非线性有限元软件建立空气弹簧系统的三维有限元模型,并根据铁道行业标准规定的试验一般要求对空气弹簧的垂向与横向刚度特性进行仿真计算,、、压强一刚度关系,根据数学模型和有限元原理分析其结果差异的成因,并与试验结果和设计要求比对,验证仿真结果的可靠性,由此丰富空气弹簧数学模型的一般性结论。最后,通过对影响空气弹簧垂向与横向刚度特性的因素进行模拟仿真和计算,包括橡胶囊结构上的圆弧角,、帘线密度、和帘线层数,上盖板包角、以及附加空气室容积大小。总结在不同影响因素下空气弹簧刚度的变化规律,为空气弹簧非线性刚度特性的研究提供合理的理论依据。关键词:空气弹簧;有限元;非线性;刚度定。
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第滦髀问题的提出超弹性材料——橡胶和压缩空气构成的橡胶空气弹簧具有较强的非线性特性和刚西南交通大学硕士研究生学位论文第铁道车辆设计之初,为保证车辆运行的安全性、稳定性以及乘客乘坐的舒适性,设计开发了早期铁道车辆适用的弹性减振装置,这种弹性减振装置主要是由叠板弹簧或钢弹簧构成,以达到吸收车辆运行过程中的高频振动,降低车辆簧上质量振动的目的,有效地提高了车辆的运行品质。此后,悬挂装置越趋于复杂精细化,在车体与转向架、转向架与轮对之间分别布置一系、二系悬挂系统,一系悬挂主要是为了降低簧下质量和轨道不平顺所带来的振动,二系悬挂进一步吸收来自转向架在运行过程中的高频振动,同时降低簧上质量的振动,提高车辆的整体运行性能。现代铁路客车大都具有一系和二系悬挂系统,为了提高乘客乘坐舒适性以及列车高速运行的平稳性,客车一系悬挂大部分采用橡胶或钢弹簧作为轴箱悬挂装置,二系悬挂则由钢弹簧、垂向及横向减振器和止挡等构成。铁道车辆悬挂系统的理论和实践运用证明,二系悬挂系统是决定车辆运行品质的重要因素之一。在实际运用中,随着客车车辆运行速度的提高,采用二系钢弹簧悬挂装置的客车已无法满足高速运行的需求。影响车辆运行品质的主要因素来自于轮轨之间的相互作用,以及由此产生的车辆簧上质量的振动,为了更好地降低其影响,就需要具有较大静挠度的悬挂装置,而决定这一悬挂装置好坏的关键就在于二系悬挂系统中悬挂装置的选择。在铁道车辆的发展过程中,钢弹簧一直作为二系悬挂装置的组成部分,然而其设计之后即已不可变更系数,一直以来都是根据实际运行工况进行调整投入使用的,如果将其设计成具有较大静挠度的弹簧结构,则大大增加了车辆结构设计的难度。首先,悬挂系统采用静挠度较大、弹簧刚度值偏低的弹簧结构,二系悬挂也就变的相对较为柔软,当拖挂的车辆之间出现满载和空载的状况下,各车辆之间二系悬挂的静挠度差异十分明显,运行品质也就各不相同。其次,在车辆运行速度较高的情况下,静挠度的差别首先导致了整车中最大载荷和最小载荷车辆间的运行品质差异。在载客量变化较为频繁,且在地铁车辆,城市轨道车辆等空重车差别较大的情况下,很有可能会引起整车中两辆连挂车辆钩高差过大,这对于车辆运行安