传动系统非线性动态特性对高速列车动力学性能的影响及控制研究

With the speed increases, the dynamic characteristics of the train will change greatly in high-speed state compared to the low-speed, such as the wheel-rail interaction force, traction motor vibration, high-speed meshing vibration of gears and so on. These will bring more uncertainties for the high speed trains on the running behaviour, effectiveness and safety of traction and braking. Therefore,this project will establish mathematical models of the electricity transmission system,nonlinear rotor-bearing system and three-dimensional space gear system. analyze the vehicle dynamic behavior caused by gear clearance, rotor eccentricity, harmonic torque by electromechanical coupling method under the start, acceleration, anti-slip conditions. Optimize and control system characteristics to provide an effective basis for the transmission system key parts of the design and choice of vehicle dynamics parameters in engineering applications. The study will develop the vehicle system dynamics to electricity transmission system, and Transmission system reliability study will be extended to wheel-rail system.

高速列车由于速度的提高，动态运行环境急剧恶化，运行稳定性和可靠性将面临很多新的问题。如牵引电机转子轴承的高频振动引起电机悬挂的疲劳破坏，齿轮之间的啮合冲击对车辆纵向动力学的影响等。为此，本课题将建立车辆电传系统的数学模型、转子轴承系统非线性力模型、齿轮系统的多自由度弯曲-扭转-轴向移动-扭摆等耦合振动三维空间动力学模型，通过机电耦合的方式，考虑列车在启动、加速、防空转和防滑工况下，分析齿轮间隙、转子偏心、谐波转矩等各个重要参数对车辆系统动力学的影响规律，并对系统进行优化与控制，以期能够在工程应用上为传动系统关键零部件的设计以及车辆动力学参数的选择提供有效的依据，在理论研究上使车辆系统动力学的研究扩展至电传系统、传动系统的可靠性研究扩展至轮轨系统。

列车在高速状态下的动态特性相对于低速状态产生很大变化，如轮轨间的相互作用力、牵引电机的振动影响、齿轮间的高速啮合、空气动力学问题等，这些影响将对高速列车的运行性能以及牵引制动的有效性和安全性带来更多的不确定性。本项目组评价了传统的车辆牵引制动动力学研究，总结其中的不足，发现早期研究主要是建立考虑转向架、车体、轮对之间耦合关系的动力学模型，以评价牵引和制动的有效性和安全性，以及各种牵引制动方法引起的纵向振动对车辆动力学性能的影响，这些动力学模型虽然考虑了牵引和制动对车辆的动力学影响，但没有从整体的角度（单车、整列车或机电耦合）来对系统进行分析，仍然不够全面。因此，本项目组从考虑传动系统及机电耦合的角度，对高速列车牵引制动控制及其动力学特性进行深入的研究。.本项目组所作的主要工作有：.（1）分析牵引电机转子振动对车辆动力学性能的影响，建立了包括传动系统的动车动力学模型，通过数值仿真，研究转子－轴承系统非线性反力对牵引电机振动的影响，对比分析了考虑与不考虑转子轴承非线性反力时车辆在驱动、匀速和惰行工况下的动力学特性。.（2）根据电机的输出电磁转矩是否包含谐波转矩，对异步牵引电机的谐波进行理论分析，研究了谐波对电机的影响；导出了异步牵引电机基波电磁转矩、谐波电磁转矩的计算公式，获得谐波转矩的时域分布，并进行相关分析。.（3）根据齿轮啮合原理，采用矢量分析法，推导整体坐标系下共轭齿面方程，建立弧齿锥齿轮啮合齿轮三维模型；根据实际工况，简化齿轮副的边界和外载荷条件，建立三维有限元模型，基于abaqus进行有限元处理计算轮齿的综合啮合刚度。.（4）通过建立逆变器等效数学模型，采用圆形磁链与六边形磁链相结合的直接转矩控制技术对电机输出转矩进行控制。.（5）通过MATLAB与SIMPACK联合仿真使异步牵引电机系统模型输出的转矩耦合于车辆系统多体动力学模型；分析了列车在牵引起动工况下直线运行时谐波转矩对车辆系统动力学的影响。.（6）建立扁疤模型增加对系统激励，应用车轮轮径变化扁疤模拟法对车轮扁疤进行模拟，并对高速车辆轮轨冲击动力效应进行仿真分析。结果表明，当车速分别高于200和250km/h时，车轮扁疤长度需要限制在35和30mm以内。.本文的研究成果为传动系统对车辆系统动力性的影响研究奠定了良好的基础，对车辆系统非线性动力学特性的研究具有的理论指导意义和实际工程应用价值。