轨道车辆关键部件性能预测与改善研究

      本书从产品设计、制造和运用层面系统介绍了凝结作者近十年来从事轨道车辆关键部件性能预测与改善的研究成果与典型案例，主要包括：车钩三态作用与运动可靠性、基础制动装置运用性能、车辆集成制动单元性能、动车组子结构振动与噪声、货车侧墙焊接变形以及闸调器工作性能的预测与优化方法，并给出了理论分析和现场试验数据支持预测结论。案例涉及的主要仿真平台包括RecurDyn 多体动力学软件，Ansys、Patran和Nastran有限元分析软件，Sysnoise声振耦合分析软件等。案例均在工程实践中得到应用，特别是作者提出的结合DOE实验设计与RecurDyn多体动力学软件对车钩和基础制动装置等结构复杂的间隙机构接触碰撞问题的建模与仿真实验技术，为多参数耦合对象的性能预测与改善提供了有效解决方案。本书适合作为高等院校机械工程领域研究生和轨道车辆产品研发人员的参考用书。

    曲宝章，卢碧红，大连交通大学

第1章轨道车辆基本组成与关键部件概述1

1.1轨道车辆基本特点1

1.2轨道车辆基本组成2

1.3车体3

1.4转向架4

1.5轮对装置6

1.6制动装置7

1.7闸调器10

1.8车钩10

第2章性能预测的主要软件平台12

2.1RecurDyn12

2.2Ansys14

2.3Patran&Nastran15

2.4Sysnoise16

第3章货车车钩运动性能预测方法17

3.1研究背景17

3.2RecurDyn方法的基本原理20

3.3车钩的多体运动学仿真25

3.4车钩刚柔耦合系统仿真33

小结43

第4章车钩防跳机构可靠性预测45

4.1研究背景45

4.2改进型上作用式车钩组成与作用原理46

4.3车钩防跳装置仿真实验设计与分析51

4.4车钩刚柔混合动力学仿真实验62

4.5车钩关键部件的刚柔混合分析64

小结66

第5章车钩非正常开闭锁形成机理与改善研究67

5.1研究背景67

目录||轨道车辆关键部件性能预测与改善研究5.2车钩非正常闭锁的形成机理69

5.3拳钩运用工况虚拟仿真试验73

5.4拳钩问题产生原因分析77

5.5拳钩主要问题改善方案79

5.6车钩连接轮廓对脱钩问题的影响预测81

5.7脱钩问题解决方案研究89

小结94

第6章铁路货车集成制动单元性能预测95

6.1研究背景95

6.2集成制动装置分析97

6.3集成制动系统性能仿真实验设计109

6.4TMX型集成制动系统仿真结果分析118

6.5TMB60型集成制动系统仿真结果分析125

小结131

第7章基础制动装置闸瓦偏磨与缓解不良预测132

7.1研究背景132

7.2基础制动装置闸瓦偏磨解析法预测134

7.3基础制动装置缓解不良解析法预测143

7.4闸瓦偏磨与缓解不良的仿真实验149

小结154

第8章基础制动装置刚柔支点性能对比与优化155

8.1研究背景155

8.2基础制动装置制动缓解性能分析156

8.3两种支点结构仿真实验与对比分析169

8.4缓解不良因素识别及参数优化179

小结188

第9章轨道客车盘形制动单元工作性能预测190

9.1盘形制动单元制动机理反求190

9.2盘形制动单元静力学性能预测200

9.3盘形制动单元虚拟仿真实验206

9.4盘形制动单元动力学性能预测220

小结226

第10章货车侧墙焊接变形预测与优化227

10.1研究背景227

10.2制造工艺分析228

10.3基于DOE的侧墙质量改进230

10.4虚拟仿真实验231

10.5改进设计的效果验证236

小结236

第11章高速动车组结构振动噪声预测与优化237

11.1研究背景237

11.2高速列车振动噪声研究现状综述238

11.3基于FEM动车组中间车振动与响应分析241

11.4室内声学模态分析246

11.5基于BFM中间车室内噪声预测249

11.6转向架部件的动态特性优化259

小结266

第12章闸调器多体动力学分析与运动可视化268

12.1研究背景268

12.2闸调器结构及其作用机制269

12.3闸调器（正常间隙）虚拟仿真270

12.4闸调器（大/小间隙）虚拟仿真276

12.5闸调器及其工作可视化280

小结286

参考文献287

轨道车辆作为大运力环保型交通载运工具，越来越受到现代社会推崇，轨道交通装备制造业已经成为我国优先发展产业。车辆的制造质量和运用性能是其提供安全可靠和有竞争力服务的基本保障。随着市场竞争加剧，交货期变短、设计制造周期不断被压缩，传统依靠实物进行各种性能实验的方法受到了时间、成本、场地、设备等多方面的制约，无法适应新产品快速上市的需求。计算机硬件与仿真软件技术的迅速发展开辟了虚拟仿真实验新领域，为破解上述物理实验的困境提供了解决方案，可视化技术还助力产品开发者更加形象深入地了解不同工况下产品的性能表现，极大地节省了产品开发时间与成本。

2005年以来，作者从设计、制造和运用等层面系统地开展了轨道车辆关键部件性能预测与改善研究，其间深刻体会到建立一个预测复杂问题的仿真试验，既十分必要又非常困难，能借鉴的资料少之又少。仿真软件和计算机都是工具，正确的建模才是解决问题的关键。对物理模型的把握需要精通领域多物理场理论，模型的抽象与定义需要理解与灵活运用软件背后的算法。目前，轨道车辆行业的仿真分析大多围绕产品级系统开展，很少也很难关注到零部件级子系统，设计师迫切需要了解它们之间的交互影响。特别像车钩、基础制动装置等空间间隙机构，需要通过接触碰撞才能消除多余自由度实现其功能，仿真模型的构建成为性能预测的难题。随着产品设计要求越来越精细化，整车性能需要分解到零部件层级，必须解决关键零部件的性能预测问题。此外，从运用角度预测关键零部件的失效期模式，有助于提高其维修性和车辆可用性，显著降低车辆安全隐患与运用成本，提高产品竞争力。

本书凝结了作者多年从事轨道车辆关键部件性能预测与改善的研究成果与典型案例，主要包括：车钩三态作用与运动可靠性、基础制动装置运用性能、车辆集成制动单元性能、动车组结构振动与噪声、货车焊接变形以及闸调器运用性能的预测与优化，还给出理论分析和现场试验数据来支持预测结论。案例涉及的仿真工具主要包括RecurDyn 多体动力学软件，Ansys、Patran、Nastran有限元分析软件，Sysnoise声振分析软件等。上述案例均在工程实践中得到应用，为相关产品开发与性能改善提供了仿真试验技术支持，受到了业界的普遍认可。

作者有幸参与了中国铁路高速重载技术引进消化吸收再创新的历史进程，建立了大连交通大学逆向工程与质量工程实验室（RE&QE LAB）。本书的研究工作得到了辽宁省教育厅科研计划（LJD2017036、LS2010027）、中车集团企业科研计划等10个项目资助；作者指导的研究生黄建松、刘鑫、刘羽、张洪波、魏文逸、陈晓媛、刘金龙、张倍、孙可心、尤学文等承担了本书相关案例的仿真实验及公式图表编辑等工作，在此一并表示诚挚的谢意。

为了方便读者，案例设计了研究背景；限于知识产权，相关案例数据做了必要处理。欢迎读者提出宝贵意见与建议（[email protected]或[email protected]）。

 

 

著者

2018年2月