高速列车机电耦合动力学研究

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高速列车是一个复杂的耦合系统,运行过程中除了与接触网和轨道系统存在耦合关系,内部还存在电气系统与机械系统的耦合,特别是电机系统与传动系统的耦合。对于电机,传动系统给其负载转矩,对于传动系统,电机给其驱动转矩,负载转矩与驱动转矩相互影响,也影响着各自系统的运行状态。电机系统与传动系统共同构成了车辆的驱动系统,驱动系统的自身振动特性及其对其它车辆系统振动和车辆运行安全性、平稳性的影响是值得探究的问题。驱动系统包括轮对,轮轨之间的打滑会造成传动系统扭振加剧、轮轨间磨耗等恶劣结果,研究轮轨打滑后系统的稳定性意义重大。所以本文建立了60自由度的多刚体车辆系统动力学模型、弹性轨道模型以及电机直接转矩控制系统模型,构成机电耦合动力学模型。主要研究的内容如下:(1)研究了驱动系统的扭振特性,包括传动系统的自由振动模态以及部件间的相对扭转振动,分析了动态电磁转矩谐波对传动系统扭振的影响。电机动态电磁谐波转矩不仅会增大传动系统各部件的扭振幅值,还会改变各部件的主振频率,但主要振动频率都在自由振动模态频率之中。(2)以车轮打滑后,轮轨纵向蠕滑力恢复稳定的时长为判据,研究了不同速度不同蠕滑率工况下,轮轨蠕滑稳定性特征以及传动系统参数对稳定性的影响。传动系统采用原参数情况下,小蠕滑率时,高速时比低速时的轮轨蠕滑稳定性更好,在较大蠕滑率时,轮轨蠕滑稳定时间随速度增大先迅速降低后缓慢上升,且蠕滑率越大,上升的斜率越大。电机输出轴与齿轮箱吊挂刚度对轮轨蠕滑稳定影响较大,刚度越大越稳定。(3)通过对比分析施加理想转矩与电机输出的动态电磁转矩以及有无轮轨激扰工况的运行结果,得到了动态电磁转矩谐波与轨道激扰对齿轮箱吊挂力、齿轮啮合力以及齿轮箱绕车轴振动角加速度的影响。动态电磁转矩谐波影响主要表现在高频域,轨道激扰会明显增大振动幅值。(4)通过对比分析有无电机驱动系统工况的运行结果,得到了电机驱动系统对车辆运行垂向、横向振动和车辆运行安全性的影响。电机驱动系统对车体垂向振动的影响大于对车辆横向振动的影响,特别是对构架点头振动角加速度影响明显,会增大轮轨垂向力与横向力峰值,但对脱轨系数与轮重减载率影响不大。图103幅,表11个,参考文献57篇。
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