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宽轨电力机车柔性车身的驾驶室舒适性研究及车身结构优化设计

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宽轨电力机车柔性车身的驾驶室舒适性研究及车身结构优化设计

作者：王文泽太原科技大学

学位级别：硕士

近年来宽轨电力机车在货运和客运占有的比例越来越高,驾驶室作为机车工作人员的主要工作场所,对驾驶室动态舒适性问题的研究越来越重视。为了提高宽轨电力机车的舒适性,本文通过对宽轨电力机车的垂向耦合动力学以及车体的随机振动响应研... 详细信息

近年来宽轨电力机车在货运和客运占有的比例越来越高,驾驶室作为机车工作人员的主要工作场所,对驾驶室动态舒适性问题的研究越来越重视。为了提高宽轨电力机车的舒适性,本文通过对宽轨电力机车的垂向耦合动力学以及车体的随机振动响应研究,获得舒适性的主要影响因素及结构的优化结果。国内学者虽然对机车的舒适性进行了一定的研究,但都是关注的整体舒适性,对驾驶室这特定位置的舒适性的研究较少,在承受轨道不平顺激励后,在一系悬挂、二系悬挂以及转向架这些部件的振动是一致的,主要改变的是车体的属性。通过建立刚性车体的宽轨电力机车多刚体动力学模型,分析其横向和垂向的舒适性和平稳性;当宽轨电力机车的车体为柔性时,通过建立柔性车体的宽轨电力机车刚柔耦合动力学模型,对比两种建模方法的差异,分析舒适性结果,发现柔性车体的舒适性更好;将宽轨电力机车的车体离散化处理后,完成车体随机动态响应分析,得到车体的模态信息、车体响应的最大变形、最大应力以及最大变形位置处的加速度响应曲线;在随机振动响应分析的基础上以车体不同部位的蒙皮厚度为设计变量,各个部位的质量最小化、响应的最大变形最小化、响应的最大应力最小化为目标函数进行自适应多目标优化,得到最终的目标函数的变化曲线、每个设计变量的敏感性以及优化后的得到车体的模态信息、车体响应的最大变形、最大应力以及最大变形位置处的加速度响应曲线,并与优化前对比分析。通过上述研究,获得结论如下:无论车体是刚性还是柔性前驾驶室的振动加速度高于后驾驶室,且同一位置的横向振动加速度高于垂向;前驾驶室的舒适性差于后驾驶室,同一位置的横向舒适性比垂向舒适性差;前驾驶室的平稳性差于后驾驶室,同一位置的横向平稳性差于垂向。随着速度的增加随机振动响应的最大变形和最大应力会增加,且产生峰值响应的频率点:分别是6.06Hz,7.44 Hz,8.73 Hz,9.64 Hz,10.42Hz,11.28 Hz,13.86 Hz,17.27 Hz,与第六阶固有频率11.081 Hz比较接近。驾驶室测量得到的舒适性结果和平稳性基本介于多刚体动力学建模和刚柔耦合建模之间且舒适性均处于2级,平稳性均处于1级。完成自适应多目标优化后,模态频率会略微增大,模态振型的变形会变小,最大响应变形略微增高,最大响应应力大幅降低,最大变形位置处的加速度响应会大幅降低。

关键词：宽轨电力机车驾驶室动力学分析随机动态响应分析多目标优化

驱动装置悬挂方式对宽轨电力机车动力学性能影响研究

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驱动装置悬挂方式对宽轨电力机车动力学性能影响研究

作者：邵晓森太原科技大学

学位级别：硕士

由于铁路运量大,运输速度快,安全性和经济效益高等原因,铁路交通已经成为世界各国非常重要的交通和运输途径。同时随着我国“一带一路”倡议的顺利实施以及我国机车制造能力和创新设计水平的不断提高,我国机车出口也面临着巨大的机遇,... 详细信息

由于铁路运量大,运输速度快,安全性和经济效益高等原因,铁路交通已经成为世界各国非常重要的交通和运输途径。同时随着我国“一带一路”倡议的顺利实施以及我国机车制造能力和创新设计水平的不断提高,我国机车出口也面临着巨大的机遇,然而由于各种历史原因,世界各国的铁路一直保持着不同的轨距,同时中亚等使用宽轨距的独联体国家和我国机车设计制造单位正在开展广泛而有效的合作。宽轨铁路国家相关标准和我国标准中所规定的内容有所不同,本文在阐述机车动力学性能评价指标时,对俄罗斯标准GOST R 55364-2012和我国国内现行标准中的一些指标进行了对比。驱动系统是转向架非常重要的组成部分,对机车动力学性能有着极大的影响。为了提高其运行性能,满足客货两用机车的发展需求,本文基于某型号出口中亚某国的刚性轴悬式宽轨电力机车,对其转向架的驱动装置悬挂方式重新进行设计;利用专业的多体动力学软件SIMPACK建立机车的刚性轴悬式和弹性架悬式机车模型;在美国AAR5级轨道谱上进行稳定性仿真,结果表明,所建立弹性架悬式能够明显增大机车非线性临界速度,机车稳定性得到提高。让两种机车以不同的速度通过直线线路进行仿真,结果表明弹性架悬式机车较刚性轴悬式机车可以在特定速度下明显改善车体后端垂向平稳性,并且对机车横向平稳性的改善效果比较明显。同时弹性架悬式也可以明显降低电机的垂向和横向振动加速度,改善电机工作环境,也可以很大程度降低机车的轮轴横向力提高机车的运行安全性。然后让两种机车分别通过R1000m、R600m和小半径R300m曲线线路进行仿真,结果表明,刚性轴悬机车只能在在110km/h速度范围内安全通过R1000m曲线线路,在100km/h速度范围内安全通过R600m曲线线路,,在60km/h速度范围内安全通过R300m曲线线路;而弹性架悬机车则可以在120km/h速度范围内安全通过R1000m曲线线路,在110km/h速度范围内安全通过R600曲线线路,,在75km/h速度范围内安全通过R300m曲线线路。最后研究分析了电机悬挂节点刚度对弹性架悬式机车振动性能的影响。设置电机悬挂节点垂向刚度在5～50KN/mm、横向刚度在2～5KN/mm范围内变化,分析结果表明,悬挂刚度在以上范围内变化对车体平稳性指数的影响不大;与车体和电机相比,悬挂横向刚度对构架横向加速度的影响更为明显;当速度在150km/h时,悬挂垂向刚度对构架和电机的垂向加速度的影响较为明显;悬挂横向刚度对机车轮轴横向力整体上的影响并不明显。

关键词：宽轨电力机车驱动装置悬挂方式刚性轴悬弹性架悬动力学性能

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机车驾驶室垂向动力学建模与舒适性问题研究

太原科技大学学报 2024年第4期45卷 380-386页

作者：范沁红王文泽董洪全崔亚南太原科技大学机械工程学院太原030024

为了研究机车在行驶过程中不同速度下的机车驾驶室座椅地板的振动情况,判断其不同速度下的舒适性,降低机车驾驶人员在振动环境中引起职业病的可能性。本文应用子结构法构建了机车多体动力学模型,计算了在不同行驶速度工况下的驾驶室座... 详细信息

为了研究机车在行驶过程中不同速度下的机车驾驶室座椅地板的振动情况,判断其不同速度下的舒适性,降低机车驾驶人员在振动环境中引起职业病的可能性。本文应用子结构法构建了机车多体动力学模型,计算了在不同行驶速度工况下的驾驶室座椅地板处的振动加速度,结合舒适性标准确定不同速度下驾驶室座椅舒适性情况;针对120 km/h行驶速度计算宽轨电力机车驾驶室座椅地板处的随机动态响应,明确其峰值最大值所在的频率范围。分析结果表明:随着速度的提高,宽轨电力机车的驾驶室座椅地板的垂向振动加速度明显增大,舒适性等级由1级变为3级,舒适性明显降低。在频率点16.489 Hz和18.815 Hz时振动位移和振动加速度会产生峰值。

关键词：宽轨电力机车多体动力学动态响应分析舒适性判定

电力机车司机室坐姿舒适性评价模型构建及应用研究

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电力机车司机室坐姿舒适性评价模型构建及应用研究

作者：江星辰太原科技大学

学位级别：硕士

宽轨电力机车司机室作为司机与车辆之间交互的主要载体,其设计品质直接关系到司乘人员的驾驶体验和操作安全。为了提升我国出口电力机车产品设计水平,针对货运机车司机驾驶时间较长,且驾驶操作任务具有持久性和重复性的特点进行多维度... 详细信息

宽轨电力机车司机室作为司机与车辆之间交互的主要载体,其设计品质直接关系到司乘人员的驾驶体验和操作安全。为了提升我国出口电力机车产品设计水平,针对货运机车司机驾驶时间较长,且驾驶操作任务具有持久性和重复性的特点进行多维度分析。通过构建坐姿舒适性主观感受和客观评价指标之间良好的对照关系,定量化分析司机的驾乘体验。综合考量司机与座椅接触界面之间的体压分布以及主观舒适性,从而形成了坐姿舒适性评价模型。主要的研究内容包括:首先,为了探讨座椅靠背形态设计与司机疲劳感和舒适感之间的关系,设计了基于压力分布的司机座椅舒适性评价试验,试验结果表明司机座椅不能满足司机的舒适性要求,同时在压力数据采集过程中,严格把控试验环节,最终获得了12组压力分布数据和相应的主观评分,为建立坐姿舒适性评价模型提供了强有力的样本数据。其次,按照坐姿舒适性评价指标的选取准则,针对已有研究结果表明人体背部、腰部、臀部和大腿部等部位的敏感程度较高,同时利用人体分区,根据司机驾驶操作过程中不适感发生频次较高的部位,将人体分成上背部、下背部、腰部、臀部以及大腿部等5个部位构建坐姿舒适性评价指标体系。利用AHP限制熵权法,用主观数值矫正客观数据,得出各指标对坐姿舒适性影响的权重。然后,基于关键点的逆向设计方法对司机座椅靠背形态进行改进设计,经过对比分析,最终选择了两种较优的方案。对改进后的设计方案进行验证,主客观测试结果一致,试验结果表明设计方案1和设计方案2优于座椅靠背原型。将身高、体重、靠背理想压力分布差和坐垫圆形压力梯度作为自变量,整体主观感知舒适性分值作为因变量,利用MATLAB LIBSVM工具箱构建SVR回归预测模型对司机座椅舒适性进行回归拟合,该模型预测精度较高,靠背理想压力分布差和坐垫圆形压力梯度作为客观参数可进一步应用于司机室坐姿舒适性评价模型。最后,将座椅舒适性预测中确定的坐垫圆形压力梯度、靠背理想压力分布差2个参数以及总压力、坐骨结节最大压力,共4个压力分布参数作为设计变量,整体主观舒适性得分作为响应值,建立三阶响应面模型。利用粒子群优化算法得到了坐姿舒适性评价的参考标准,即不同身材人群在高舒适状态下的各压力分布参数取值。

关键词：宽轨电力机车坐姿舒适性评价模型压力分布粒子群算法

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机车抗蛇行减振器参数对临界速度的影响分析

铁道机车车辆 2022年第4期42卷 9-16页

作者：张喜清蔡松岩李幸人史青录张宏伟太原科技大学机械工程学院太原030024 中车大同电力机车有限公司技术中心山西大同037038

以某型宽轨电力机车为研究对象,将抗蛇行减振器等效为Maxwell模型,建立了带二系悬挂的三轴刚性转向架横向动力学模型,利用蛇行运动线性稳定性理论,推导了转向架的临界速度计算方程,研究了不同二系横向刚度下抗蛇行减振器串联刚度和结构... 详细信息

以某型宽轨电力机车为研究对象,将抗蛇行减振器等效为Maxwell模型,建立了带二系悬挂的三轴刚性转向架横向动力学模型,利用蛇行运动线性稳定性理论,推导了转向架的临界速度计算方程,研究了不同二系横向刚度下抗蛇行减振器串联刚度和结构阻尼对临界速度的影响并给出建议参数。研究结果表明:为达到更高的临界速度,在确定的二系横向刚度下,串联刚度和结构阻尼存在最优值和饱和值,且较大的串联刚度应匹配较大的结构阻尼,较小的串联刚度应匹配较小的结构阻尼;在满足这一匹配原则的基础上,二系横向刚度较大时,与其匹配的串联刚度应较大、结构阻尼应较小,二系横向刚度较小时,与其匹配的串联刚度应较小、结构阻尼应较大。建议抗蛇行减振器串联刚度取50 MN/m,结构阻尼取8 MNs/m。

关键词：宽轨电力机车临界速度抗蛇行减振器 Maxwell模型

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轮对自由间隙对宽轨机车横向动力学的影响

轮对自由间隙对宽轨机车横向动力学的影响

作者：蔡松岩太原科技大学

学位级别：硕士

随着我国高速铁路的不断发展,人们对铁路的要求不断地提高,尤其近些年来我国机车出口迎来高峰,其中白俄罗斯、乌克兰以及中亚五国等国广泛采用1520mm的宽轨,其宽轨机车的悬架参数设计和动力学性能与我国的准轨机车存在一定差异。本文针... 详细信息

随着我国高速铁路的不断发展,人们对铁路的要求不断地提高,尤其近些年来我国机车出口迎来高峰,其中白俄罗斯、乌克兰以及中亚五国等国广泛采用1520mm的宽轨,其宽轨机车的悬架参数设计和动力学性能与我国的准轨机车存在一定差异。本文针对的宽轨电力机车基于我国HXD2C车型进行改造设计,由于转向架长轴距的特点,为了提高其直线工况下的横向稳定性、横向平稳性和曲线通过性,需设置合理的轮对横向自由间隙,且为了适应在宽轨行驶的要求,对其加宽轮距后,更加需要对轮对横向自由间隙的取值及与悬架参数的匹配进行研究。本文以出口的轴悬式宽轨电力机车为研究对象,利用SIMPACK建立其多刚体动力学模型,并以ГОСТ标准为动力学评价方法,分别分析了端轴、中间轴轮对自由间隙对机车非线性横向稳定性、横向平稳性、多种曲线工况下的轮轨横向力、抗脱轨稳定性安全系数、水平动荷系数和轮重减载率的影响,并在此基础上研究了不同一系横向刚度下中间轴轮对自由间隙对上述动力学性能的影响。端轴轮对的横向自由间隙越大,越不利于车辆的横向稳定性,但对机车的横向平稳性的影响较小。为获得较好的曲线通过性,端轴轮对横向自由间隙应小于1mm,在0～1mm的变化范围内,除水平动荷系数外,端轴轮对横向自由间隙越小,其曲线通过性越好,因此,宽轨机车端轴轮对横向自由间隙没有设置的必要。随着中间轴轮对横向自由间隙的增大,车辆非线性临界速度先提高后趋于平稳,横向平稳性指标先降低后趋于平稳。宽轨机车在R1000m和R600m曲线工况较高速行驶的情况下,当中间轴轮对自由间隙大于8mm,更有利于其曲线通过性。当一系横向刚度较小时,中间轴轮对横向自由间隙对机车非线性临界速度几乎无影响;当一系横向刚度较大时,随着中间轴轮对横向自由间隙的增大,机车非线性临界速度均先增大后减小。随着中间轴轮对横向自由间隙的增大,三种一系横向刚度下的机车平稳性指标均先降低后趋于稳定,但一系横向刚度越小,机车平稳性指标对中间轴轮对横向自由间隙越敏感。在R1000m曲线工况下,当一系横向刚度为1.1MN/m时,中间轴轮对横向自由间隙对机车的曲线通过性无明显影响,当一系横向刚度为3.3MN/m和5.5MN/m时,间隙值的增大,会有利于其曲线通过性。R600m曲线工况下,当刚度值为1.1MN/m和3.3MN/m时,间隙值对曲线通过性的影响较小,在5.5MN/m的刚度值下,间隙值的增大,会有利于其曲线通过性。R170m小半径S曲线工况下,三种刚度下,中间轴轮对横向自由间隙均不会对机车的曲线通过性产生影响。

关键词：宽轨电力机车横向自由间隙横向稳定性横向平稳性曲线通过性

宽轨机车悬挂参数匹配关系对横向动力学特性的影响

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宽轨机车悬挂参数匹配关系对横向动力学特性的影响

作者：李鹏太原科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着国家铁路技术的不断发展,机车出口量也日益增多,但有些出口国与我国的铁路在轨距方面存在一定的差异,例如白俄罗斯、乌克兰等国采用1520 mm宽轨铁路,会对悬挂参数与机车动力学性能之间的变化规律造成影响。而悬挂系统作为机... 详细信息

近年来,随着国家铁路技术的不断发展,机车出口量也日益增多,但有些出口国与我国的铁路在轨距方面存在一定的差异,例如白俄罗斯、乌克兰等国采用1520 mm宽轨铁路,会对悬挂参数与机车动力学性能之间的变化规律造成影响。而悬挂系统作为机车的重要部件,其参数变化会显著影响到机车的动力学特性。因此,如何选取合理的悬挂参数逐渐成为机车动力学研究的重点。本文主要通过宽轨机车动力学仿真模型,研究悬挂参数间的匹配关系对机车横向动力学特性的影响。首先分析悬挂参数对机车横向稳定性的影响,建立机车转向架临界速度分析模型和10自由度蛇形运动微分方程,利用特征根法得到悬挂参数与临界速度的变化规律,并与通过仿真方法得出的规律做对比,验证了动力学仿真模型的正确性。然后利用动力学仿真,研究单一悬挂参数对横向稳定性的影响,得到关键悬挂参数,之后进一步分析关键悬挂参数与其余悬挂参数的匹配关系对机车横向稳定性的影响,最后将此研究过程推广到机车横向平稳性以及曲线通过性的分析当中,根据结果可知:悬挂参数的交互作用在对机车横向稳定性的研究上表现的最为显著,一系横向刚度与二系横向减振器阻尼系数(简称二系横向阻尼)为影响机车横向稳定性的重要参数,其匹配关系会明显影响机车横向稳定性,在一系横向刚度较大时,随二系横向阻尼的增加,会出现最优横向阻尼值使机车非线性临界速度达到最大值,一系横向刚度越大,最优阻尼值越小。但某些非关键悬挂参数的变化也会对这种匹配关系造成影响,一系纵向刚度与二系横向减振器刚度的适度减小,反而会使最优横向阻尼值增大。悬挂参数匹配关系与交互作用也会根据研究目标的变化而改变。研究目标为机车横向平稳性时,一系横向刚度与二系横向阻尼两关键悬挂参数之间的交互作用较强,两关键悬挂参数只与二系横向减振器刚度之间存在一定的交互作用。在一系横向刚度较大的条件下,随二系横向减振器刚度的增加,当二系横向阻尼较小时,横向平稳性指标随之略微减小;当二系横向阻尼较大时,此指标反而会随之略微增大。机车一系横向刚度为机车曲线通过性的关键悬挂参数。在道路条件不一致的情况下,一系横向刚度与其余悬挂参数的交互作用与匹配关系会发生改变。

关键词：宽轨电力机车悬挂参数横向稳定性横向平稳性曲线通过性