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铁道车辆空气弹簧刚度分析

作　者: 陈鼎
导　师: 李芾
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 空气弹簧有限元非线性刚度
分类号: U270.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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200km/h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定。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ABAQUS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,包括垂向与横向的载荷-位移、载荷-压强、压强-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,橡胶-帘线结构中帘线角、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。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-18
  1.1 问题的提出  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14-17
  1.3 本文研究的主要内容、目标与方法  17-18
第2章空气弹簧的类型和工作特性  18-33
  2.1 空气弹簧的类型  18-21
    2.1.1 囊式空气弹簧  18-20
    2.1.2 约束膜式空气弹簧  20-21
    2.1.3 自由膜式空气弹簧  21
  2.2 空气弹簧系统的工作原理  21-32
    2.2.1 空气弹簧的工作特性  22-29
    2.2.2 节流孔的工作特性  29-32
    2.2.3 高度控制阀的工作特性  32
  2.3 本章小结  32-33
第3章空气弹簧的理论计算依据  33-42
  3.1 囊式空气弹簧的刚度计算  33-35
    3.1.1 囊式空气弹簧垂向刚度的理论计算  33-34
    3.1.2 囊式空气弹簧横向刚度的理论计算  34-35
  3.2 约束膜式空气弹簧的刚度计算  35-38
    3.2.1 约束膜式空气弹簧垂向刚度的理论计算  35-36
    3.2.2 约束膜式空气弹簧横向刚度的理论计算  36-38
  3.3 自由膜式空气弹簧的刚度计算  38-40
    3.3.1 自由膜式空气弹簧垂向刚度的理论计算  38-39
    3.3.2 自由膜式空气弹簧横向刚度的理论计算  39-40
  3.4 本章小结  40-42
第4章有限元模型计算与分析  42-69
  4.1 非线性有限元软件ABAQUS  42-43
  4.2 有限元模型的建立  43-56
    4.2.1 弹簧上下盖板有限元模型  43-44
    4.2.2 橡胶囊有限元模型  44-49
    4.2.3 压缩空气有限元模型  49-51
    4.2.4 橡胶底座有限元模型  51-53
    4.2.5 附加空气室有限元模型  53-54
    4.2.6 接触及边界条件有限元模型  54-55
    4.2.7 空气弹簧有限元模型  55-56
  4.3 有限元计算及分析  56-68
    4.3.1 垂向静刚度计算  56-59
    4.3.2 垂向特性技术参数  59-62
    4.3.3 垂向刚度计算结果的分析  62-63
    4.3.4 横向静刚度计算  63-65
    4.3.5 横向特性技术参数  65-67
    4.3.6 横向刚度计算结果的分析  67-68
  4.4 本章小结  68-69
第5章空气弹簧刚度特性的影响因素  69-79
  5.1 橡胶囊结构参数对空气弹簧刚度的影响  69-73
    5.1.1 帘线角对刚度特性的影响  69-71
    5.1.2 帘线层数对刚度特性的影响  71-72
    5.1.3 帘线密度对刚度特性的影响  72-73
  5.2 上盖板形状参数对刚度特性的影响  73-75
  5.3 橡胶囊面圆弧角对刚度特性的影响  75-77
  5.4 附加空气室容积对刚度特性的影响  77-78
  5.5 本章小结  78-79
结论  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文  86

铁道车辆空气弹簧刚度分析

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