上海中低速磁浮交通車輛的數(shù)字化研發(fā)論文

時間：2024-08-31 22:56:56 交通物流畢業(yè)論文我要投稿

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　　中低速磁浮交通模式和傳統(tǒng)的交通模式（如輕軌、單軌、道路公交等）相比具有自己的特點。該技術(shù)帶來的社會和經(jīng)濟效益包括：乘坐舒適度好，無污染，運行噪聲小，能適應(yīng)中等運量（單向2～3萬人次/h），旅行時間短（100～150km/h），爬坡能力強（7%），軌道彎道半徑小，工程造價低（在2億元/km以內(nèi)）等。

上海中低速磁浮交通車輛的數(shù)字化研發(fā)論文

　　日本的中低速磁浮交通———HSST磁浮系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)展了25年，業(yè)已發(fā)展了多種實用的形式。

　　韓國目前正在建設(shè)6.1km的仁川國際機場磁浮交通線，預(yù)計2011年完成，2012年投入運營。

　　1上海中低速磁浮項目

　　2005年2月，上海市啟動了中低速磁浮工程化試驗線項目，建設(shè)蘆潮港試驗基地；同時也啟動了中低速磁浮工程化車輛的研發(fā)項目。該項目借鑒國內(nèi)外數(shù)年來的中低速磁浮成果和經(jīng)驗，聚集國內(nèi)各方面科研單位、企業(yè)的優(yōu)勢資源，采用產(chǎn)、學、研的研發(fā)模式，建成了1.7km上海臨港中低速（城軌）磁浮試驗線和一列三節(jié)編組的工程化試驗列車。

　　上海中低速磁浮車輛設(shè)計目標：列車按3節(jié)編組，編組形式設(shè)為2節(jié)端車和1節(jié)中車組成。初期制定的技術(shù)規(guī)格見表1；可擴展為6節(jié)編組，滿足高峰小時單方向運能2～3萬人的需要，列車滿載約為1000人。

　　由于本項目投資大、時間緊，為避免物理樣機出錯而造成巨大經(jīng)濟損失，采用了高端的三維數(shù)字化軟件，在研發(fā)過程中進行了16次總體3D數(shù)模調(diào)整及仿真分析。對數(shù)字化車輛進行了反復(fù)多次的設(shè)計和分析，最終保證了車輛一次性組裝成功，未發(fā)生任何動靜干涉問題，全面驗證了數(shù)字樣機的正確性。磁浮列車研制周期按常規(guī)計算，設(shè)計至少為2.5年。采用三維設(shè)計和全機數(shù)字樣機技術(shù)后，僅僅用用了6個月的時間就完成了設(shè)計任務(wù)，縮短了60%設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量，減少了40%設(shè)計反復(fù)。設(shè)計總體思路清晰，零部件之間接口協(xié)調(diào)性好，未發(fā)生任何問題。

　　2上海中低速磁浮車輛設(shè)計

　　2.1設(shè)計方法

　　上海中低速磁浮車輛實現(xiàn)了全機三維建模、電子預(yù)裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（VPM）；采用并行工程和數(shù)字化定義技術(shù)，應(yīng)用國際上先進CAD/CAE/CAM軟件CATIAV5進行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行了數(shù)字化結(jié)構(gòu)件和設(shè)備以及管線系統(tǒng)件的的預(yù)裝配，并進行了磁浮車輛全機規(guī)模電子樣機的分析。中低磁浮車輛全機電子樣機的成功研制，實現(xiàn)了磁浮車輛設(shè)計手段與國際接軌、并由傳統(tǒng)的研制模式向數(shù)字化設(shè)計制造的現(xiàn)代化模式的轉(zhuǎn)變。全機結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的數(shù)字樣機，含2萬多個零配件和標準件，大大縮短了研制周期，提高了設(shè)計和制造質(zhì)量，降低了研制風險和研制成本。

　　2.2走行機構(gòu)

　　走行機構(gòu)是磁浮車輛的重要組成部分，位于車輛下部，直接關(guān)系到車輛的運行安全性、可靠性、舒適性。在保證運行性能的前提下，應(yīng)使其結(jié)構(gòu)力求簡單、車重優(yōu)化，且安全、可靠、免維護或少維護。

　　走行機構(gòu)三維模型的構(gòu)建要求精準，尤其對關(guān)鍵另部件的模型要建立完善的三維設(shè)計標準規(guī)范，建立三維通用零部件庫及標準件庫，以利于設(shè)計信息和數(shù)據(jù)能準確傳遞給協(xié)作制造商。

　　2.3車體

　　車體結(jié)構(gòu)主要包括底架、側(cè)墻、車頂、司機室前臉、司機室后墻和端墻。各部分之間的連接采用焊接方式，也不排除在施工設(shè)計中改變結(jié)構(gòu)形式采用鉚接連接。底架包括中梁、邊梁、對應(yīng)于滑動臺位置的橫向枕梁（另一名稱為托梁）、連接車鉤的緩沖梁、端梁、地板及安裝設(shè)備的各連接結(jié)構(gòu)；側(cè)墻包括上下側(cè)梁、立柱、門柱及側(cè)墻板；車頂包括弧形車頂板、水平車頂板及連接板；端墻包括貫通道框、立柱和板。車體結(jié)構(gòu)基本尺寸為：中間車結(jié)構(gòu)長度為15500mm，寬度為3000mm，高度為2764mm；端車結(jié)構(gòu)長度為16100mm，寬度為3000mm，高度為2764mm。桁架式底架承載特點為：質(zhì)量輕、強度剛度好、有層次、設(shè)備安裝維修方便等。

　　2.4車下設(shè)備

　　中低速磁浮車輛車下設(shè)備十分擁擠、存在大量管線、設(shè)備，空間緊張。同時，車輛在運行時，車下設(shè)備和走行機構(gòu)始終有相對運動，容易發(fā)生動干涉現(xiàn)象。因此，車下設(shè)備必須在三維中進行動干涉檢查和外形優(yōu)化。

　　3數(shù)字化樣機的運動仿真

　　3.1懸浮架的機械解耦

　　走行機構(gòu)在順利通過曲線、緩和曲線時，懸浮架構(gòu)架必須具有機械解耦能力，能夠適應(yīng)線路設(shè)計最大橫坡扭率為0.12°/m，能夠適應(yīng)線路的各種不平順和公差變化。因此，懸浮架構(gòu)架的4個支撐點必須分別具有5個方向上的自由度，尤其能夠在z向位移15mm以上。機械解耦的剛度和阻尼由動力學計算和試驗確定。

　　3.2數(shù)字化樣機曲線通過分析及仿真

　　中低速磁懸浮車在通過曲線時，走行機構(gòu)和車體通過各種運動副連接。

　　直線導(dǎo)軌副：直線導(dǎo)軌副的滑塊安裝在滑動臺附加空氣室安裝坐上，滑軌與車體底部采用螺栓連接。整個走行機構(gòu)與車體有16副直線導(dǎo)軌副配合。這樣，車體通過直線導(dǎo)軌副配合相對于構(gòu)架可以發(fā)生橫移，列車通過曲線特別是半徑很小的曲線時，就會產(chǎn)生較大的相對橫移，由于牽引桿連接滑臺與模塊，因此縱向牽引、制動力將由滑臺直接傳遞到車廂。

　　迫導(dǎo)向機構(gòu)轉(zhuǎn)動銷與車體的銷接：整車裝2套迫導(dǎo)向機構(gòu)，與車體共有4處銷接。在曲線上某些左右滑塊的中心點在被動導(dǎo)向力的作用下，將占據(jù)接近線路中心線的位置。A點則相當于車體與下部走行機構(gòu)的固定轉(zhuǎn)動點，由于連桿的定位，A點將基本保持在線路中心線上，而車體銷接點B、C將偏離左右模塊中心線，通過機構(gòu)作用強迫走行機構(gòu)導(dǎo)向。

　　3.3數(shù)字化樣機動靜干涉分析和仿真

　　中低速磁浮車輛的車下設(shè)備較多，車下空間緊張，車輛在通過曲線時，走行機構(gòu)橫向和縱向運動幅度很大。因此，做好車體、設(shè)備、迫導(dǎo)機構(gòu)、走行機構(gòu)之間位置關(guān)系的確定和布置非常重要。為此，動、靜干涉分析和檢查十分關(guān)鍵。通過DMUKinematicsSimulator對整車實體模型進行仿真，校核和觀察各個運動實體的極限狀態(tài)，檢查動、靜干涉，以避免在組裝物理樣機時才發(fā)現(xiàn)問題所造成的重大損失。

　　4車輛的動力學分析

　　方案設(shè)計階段的動力學計算重點在于對車輛設(shè)計的合理性進行論證，并通過計算明確運動中產(chǎn)生的載荷大小。

　　通過Simpack，Adams進行了動力學的仿真和參數(shù)的確定：車體搖頭振動，1.11Hz；車體沉浮振動，1.12Hz；車體側(cè)滾，1.97Hz；走行機構(gòu)橫擺振動，4.3～6Hz，有多個振型。

　　通常鐵路車輛車體模態(tài)的自振頻率在1.5Hz以下，而對磁浮車輛的振動與設(shè)計，車體的自振頻率偏大。

　　動力學仿真得出以下主要結(jié)論：

　　1）為改善列車直線高速運行舒適度，鄰車間必須加裝減振器。該減振器行程大、阻尼力大、關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)角大，因此需要一端采用萬向節(jié)；

　　2）為適應(yīng)小半徑曲線通過，必須采用迫導(dǎo)向機構(gòu)；

　　3）滑臺滑鍵的最大長度不應(yīng)低于350mm；

　　4）空氣簧的水平限位應(yīng)設(shè)置為半徑方向40mm；

　　5）空氣簧必須采取垂向限位措施，使車輛相對走行機構(gòu)的側(cè)滾角不超出0.6°；

　　6）合理設(shè)計下，迫導(dǎo)向機構(gòu)平行四邊形桿的內(nèi)力不超出6000N。考慮安全裕量，建議用20kN作為鋼纜的承載設(shè)計依據(jù)；

　　7）場線50m半徑的最小曲線必須設(shè)置緩和曲線，緩和曲線長度不應(yīng)低于15m；

　　8）迫導(dǎo)向機構(gòu)的T形臂最大轉(zhuǎn)角可達到28.3°。

　　5車輛關(guān)鍵零部件的強度分析

　　5.1走行機構(gòu)2、4位滑臺強度分析

　　2、4位滑臺為固定滑臺，為車體的主要支撐點，載荷大、受力情況復(fù)雜，對車輛的安全性起著非常重要的作用。經(jīng)過有限元強度分析后，找出最大應(yīng)力點進行優(yōu)化。

　　5.2車鉤座及托梁的強度分析

　　車鉤座及端部托梁位于車輛的兩端，既是車體支撐又是車鉤的基座，在運行和非常情況下，承受很大的縱向載荷，受力情況復(fù)雜，對車輛的安全性起著非常重要的作用，需進行詳細的仿真計算。

　　6數(shù)字化樣機的設(shè)備及管線布置

　　根據(jù)管系、風管和電氣的設(shè)計原理和物理共性，CATIA提供的路徑（rout）在同一設(shè)計模型中，由管系二維原理圖、風管系統(tǒng)原理圖和電氣原理圖驅(qū)動三維空間中進行布置的具有同一屬性的路徑管路、風管與電纜的幾何空間走向。因而，管系、風管、電氣在用具有同一屬性路徑進行各自的路徑布局時，實時檢測管系、風管、電氣之間的路徑干涉情況。在對管路、風管、電路，以及車體結(jié)構(gòu)、車下設(shè)備等進行干涉檢查、綜合協(xié)調(diào)、平衡整合的基礎(chǔ)上，管系、風管、電氣分別在自己的路徑上，直接定位放置或調(diào)整各類部件。如：管系路徑上的各類閥件、附件、儀表、管子支架等，通風路徑上的各類風機、調(diào)風門、風管吊架等，電氣路徑上的各類附件、電纜托架等，以及檢查在三維空間中布置的管系、風管與電纜系統(tǒng)是否有疏忽而遺漏個別閥件、附件等。最終得出一套完整的管線二維工程圖和長度明細表。

　　7廠房布局及車輛組裝

　　在廠房設(shè)計中，對庫內(nèi)線路、車間設(shè)備、工裝、部件擺放進行了合理布置。利用CATIA中的EDA對組裝工人的工位進行了人機工程校核。

　　8上海中低速磁浮列車目前試驗成果

　　1）列車舒暢通過1.7km試驗線的道岔、曲線等（3節(jié)編組）；

　　2）最高試驗速度：103km/h（達標為110km/h）；

　　3）最大縱坡度：7%（達標為7%）；

　　4）最大橫坡角：6°（達標為6°）；

　　5）最大橫坡扭率：0.1°/m（達標為0.1°/m）；

　　6）最小平曲線半徑：50m（達標為50m）；

　　7）最小豎曲線半徑：1500m（達標為1500m）。

　　8）承載能力：加沙袋至33t（達標為32t）；

　　9）偏載能力：25%（達標為50%）。