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城轨车辆涡流制动技术研究

作　者: 邓长青
导　师: 倪文波
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 城市轨道交通涡流制动制动力矩磁场分析 ANSYS 试验
分类号: U260.357
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国城市化进程的加快,城市交通出现的问题日益严峻。发展城市轨道交通是缓解城市交通压力的一条有效途径。然而,城市轨道交通由于运行环境的特殊性而受到诸多限制,在执行运输任务中暴露出不少弊端。由于城轨车辆一般在封闭的地下站点间频繁地启停运行,采用踏面制动方式。频繁制动会使车轮或闸瓦因磨耗及摩擦热而产生变形甚至发生破坏,此外,长期剧烈的摩擦还会产生大量的有害粉尘污染,对周围环境产生不利影响。非摩擦制动技术可以有效解决上述问题。目前电力机车和动车已广泛应用了再生制动或电阻制动,而拖车由于无电机,仍以空气制动为主。对于运行速度在100km/h以下的城市轨道列车,其动车已应用了再生制动等非摩擦方式,如果拖车也能够采用非摩擦制动,将有效避免传统踏面制动出现的问题。因此,本文着力研究可应用于城轨拖车的一种非摩擦制动技术——旋转型永磁涡流制动。本文首先比较了几种非摩擦制动技术,分析了旋转型永磁涡流制动在轨道交通制动中的优势。在综合国内外涡流制动研究和应用现状的基础上,以成都地铁一号线列车的拖车为对象,根据其转向架的特点,完成了旋转型永磁涡流制动装置整体结构设计,并确定了装置各组成部件的相关参数。根据电磁感应理论,计算了所设计的旋转型永磁涡流制动装置的制动力矩,得到了制动力矩与速度的变化关系。分析了结构、材料等因素对制动力矩的影响。从电磁场的基本理论出发,通过比较电磁场的三种计算方法,确定了本文选用的分析方法。在有限元分析软件ANSYS中先采用3-D节点法对旋转型永磁涡流制动装置的工作原理进行分析、验证。在此基础上,完成了制动装置三维静态磁场分析,得到空气隙磁场强度随外圈磁体旋转角度变化的规律。然后采用2-D节点法分析了制动盘材料、气隙厚度和制动盘作用厚度等因素对气隙磁场的影响。在热力学和应力场相关理论基础上,以有限元法为基础计算了制动盘的温度场和应力场。根据成都地铁一号线列车正常全程运行并折返的实际工况,在ANSYS中计算并分析了制动盘的温度场和应力场,得到了制动盘在列车运行中的温度变化规律、热应力分布状态及其热变形位移。并计算了紧急制动情况下制动盘的温度场分布状态。计算结果表明所设计方案能够满足运行要求。最后,从制动装置的原理出发,设计了一套制动模型试验装置。通过试验验证了旋转型永磁涡流制动的原理,并得到了制动力与主要设计因素之间的关系。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-25
  1.1 课题研究的背景与意义  12-13
  1.2 几种非摩擦制动方式  13-16
    1.2.1 电阻制动  13
    1.2.2 再生制动  13-14
    1.2.3 涡流制动  14-16
  1.3 国内外涡流制动技术应用及研究现状  16-24
    1.3.1 国外应用及研究现状  16-20
    1.3.2 国内应用及研究现状  20-24
  1.4 本文的主要内容  24-25
第2章制动装置的结构方案设计  25-37
  2.1 制动装置工作原理分析  25-27
    2.1.1 涡流效应  25
    2.1.2 制动装置的作用原理  25-26
    2.1.3 永磁涡流制动装置的实现  26-27
  2.2 旋转型永磁涡流制动装置的应用对象  27-29
    2.2.1 成都地铁一号线及其运行列车介绍  27-28
    2.2.2 转向架简介  28-29
  2.3 制动装置方案设计  29-36
    2.3.1 整体方案设计  29-31
    2.3.2 制动装置的内部结构  31-36
  2.4 本章小结  36-37
第3章旋转型永磁涡流制动装置制动力矩计算  37-46
  3.1 国内外的几种计算方法  37-38
  3.2 制动力矩计算  38-42
    3.2.1 涡流分析  38-40
    3.2.2 等效磁路分析及磁感应强度  40-41
    3.2.3 制动力矩  41-42
  3.3 制动装置的参数确定  42-43
  3.4 实车制动力计算  43-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章电磁场理论及磁场有限元分析方法  46-52
  4.1 电磁场基本理论  46-48
    4.1.1 经典电磁场理论——麦克斯韦方程组  46-47
    4.1.2 一般形式的电磁场微分方程  47-48
    4.1.3 电磁场的边界条件  48
  4.2 电磁场有限元方法  48-50
    4.2.1 有限元方法简介  48-49
    4.2.2 ANSYS软件简介  49-50
    4.2.3 ANSYS中的电磁学分析模块  50
  4.3 计算方法选择  50-51
    4.3.1 标量法、矢量法、棱边元法简介  50-51
    4.3.2 本文的计算方法  51
  4.4 本章小结  51-52
第5章永磁涡流制动装置磁场分析  52-63
  5.1 旋转型永磁涡流制动原理在ANSYS中的实现  52-54
    5.1.1 非制动状态简化模型  52-53
    5.1.2 完全制动状态简化模型  53-54
  5.2 永磁涡流制动装置静态磁场分析  54-57
    5.2.1 模型建立  54-55
    5.2.2 两种状态的静态磁场分析  55-56
    5.2.3 气隙磁场与旋转角度的关系  56-57
  5.3 主要影响因素的分析研究  57-61
    5.3.1 材料的磁导率线性与非线性  59-60
    5.3.2 气隙的影响  60
    5.3.3 制动盘作用厚度的影响  60-61
    5.3.4 结论  61
  5.4 本章小结  61-63
第6章制动盘温度场及应力场分析  63-77
  6.1 热量传递  63-65
    6.1.1 热传导  63-64
    6.1.2 热对流  64
    6.1.3 辐射  64-65
  6.2 温度场的有限元方法  65-66
    6.2.1 温度场的微分方程  65
    6.2.2 温度场的边界条件与初始条件  65-66
    6.2.3 温度场有限元法  66
  6.3 热应力场有限元方法和耦合分析方法简介  66-67
    6.3.1 热应力场有限元方法  66-67
    6.3.2 耦合分析方法  67
  6.4 制动盘温度场分析  67-73
    6.4.1 制动盘模型建立  67-68
    6.4.2 温度场边界条件  68-70
    6.4.3 全程运行并折返时常用制动温度场分析  70-72
    6.4.4 紧急制动时制动盘温度场分析  72-73
  6.5 制动盘应力场分析  73-76
    6.5.1 热应力分析  74-75
    6.5.2 制动盘的热变形  75-76
  6.6 本章小结  76-77
第7章涡流制动装置试验及分析  77-84
  7.1 试验的必要性分析  77-78
  7.2 试验方案设计  78-82
    7.2.1 试验方案规划  78-80
    7.2.2 试验台设计  80-81
    7.2.3 试验结果及分析  81-82
  7.3 试验结果与仿真对比  82-83
  7.4 本章小结  83-84
结论  84-86
致谢  86-87
参考文献  87-93
攻读硕士学位期间发表的论文  93

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