上海中低速磁浮交通車輛的數字化研發論文

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中低速磁浮交通模式和傳統的交通模式(如輕軌、單軌、道路公交等)相比具有自己的特點。該技術帶來的社會和經濟效益包括:乘坐舒適度好,無汙染,執行噪聲小,能適應中等運量(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)等。

上海中低速磁浮交通車輛的數字化研發論文

日本的中低速磁浮交通———HSST磁浮系統,已經發展了25年,業已發展了多種實用的形式。

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

1上海中低速磁浮專案

2005年2月,上海市啟動了中低速磁浮工程化試驗線專案,建設蘆潮港試驗基地;同時也啟動了中低速磁浮工程化車輛的研發專案。該專案借鑑國內外數年來的中低速磁浮成果和經驗,聚集國內各方面科研單位、企業的優勢資源,採用產、學、研的研發模式,建成了1.7km上海臨港中低速(城軌)磁浮試驗線和一列三節編組的工程化試驗列車。

上海中低速磁浮車輛設計目標:列車按3節編組,編組形式設為2節端車和1節中車組成。初期制定的技術規格見表1;可擴充套件為6節編組,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。

由於本專案投資大、時間緊,為避免物理樣機出錯而造成巨大經濟損失,採用了高階的三維數字化軟體,在研發過程中進行了16次總體3D數模調整及模擬分析。對數字化車輛進行了反覆多次的設計和分析,最終保證了車輛一次性組裝成功,未發生任何動靜干涉問題,全面驗證了數字樣機的正確性。磁浮列車研製週期按常規計算,設計至少為2.5年。採用三維設計和全機數字樣機技術後,僅僅用用了6個月的時間就完成了設計任務,縮短了60%設計週期,提高了設計質量,減少了40%設計反覆。設計總體思路清晰,零部件之間介面協調性好,未發生任何問題。

2上海中低速磁浮車輛設計

2.1設計方法

上海中低速磁浮車輛實現了全機三維建模、電子預裝配、產品資料管理(VPM);採用並行工程和數字化定義技術,應用國際上先進CAD/CAE/CAM軟體CATIAV5進行三維結構設計,進行了數字化結構件和裝置以及管線系統件的的預裝配,並進行了磁浮車輛全機規模電子樣機的分析。中低磁浮車輛全機電子樣機的成功研製,實現了磁浮車輛設計手段與國際接軌、並由傳統的研製模式向數字化設計製造的.現代化模式的轉變。全機結構和系統的數字樣機,含2萬多個零配件和標準件,大大縮短了研製週期,提高了設計和製造質量,降低了研製風險和研製成本。

2.2走行機構

走行機構是磁浮車輛的重要組成部分,位於車輛下部,直接關係到車輛的執行安全性、可靠性、舒適性。在保證執行效能的前提下,應使其結構力求簡單、車重優化,且安全、可靠、免維護或少維護。

走行機構三維模型的構建要求精準,尤其對關鍵另部件的模型要建立完善的三維設計標準規範,建立三維通用零部件庫及標準件庫,以利於設計資訊和資料能準確傳遞給協作製造商。

2.3車體

車體結構主要包括底架、側牆、車頂、司機室前臉、司機室後牆和端牆。各部分之間的連線採用焊接方式,也不排除在施工設計中改變結構形式採用鉚接連線。底架包括中樑、邊樑、對應於滑動臺位置的橫向枕樑(另一名稱為託樑)、連線車鉤的緩衝樑、端樑、地板及安裝裝置的各連線結構;側牆包括上下側樑、立柱、門柱及側牆板;車頂包括弧形車頂板、水平車頂板及連線板;端牆包括貫通道框、立柱和板。車體結構基本尺寸為:中間車結構長度為15500mm,寬度為3000mm,高度為2764mm;端車結構長度為16100mm,寬度為3000mm,高度為2764mm。桁架式底架承載特點為:質量輕、強度剛度好、有層次、裝置安裝維修方便等。

2.4車下裝置

中低速磁浮車輛車下裝置十分擁擠、存在大量管線、裝置,空間緊張。同時,車輛在執行時,車下裝置和走行機構始終有相對運動,容易發生動干涉現象。因此,車下裝置必須在三維中進行動干涉檢查和外形優化。

3數字化樣機的運動模擬

3.1懸浮架的機械解耦

走行機構在順利通過曲線、緩和曲線時,懸浮架構架必須具有機械解耦能力,能夠適應線路設計最大橫坡扭率為0.12°/m,能夠適應線路的各種不平順和公差變化。因此,懸浮架構架的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數字化樣機曲線通過分析及模擬

中低速磁懸浮車在通過曲線時,走行機構和車體通過各種運動副連線。

直線導軌副:直線導軌副的滑塊安裝在滑動臺附加空氣室安裝坐上,滑軌與車體底部採用螺栓連線。整個走行機構與車體有16副直線導軌副配合。這樣,車體通過直線導軌副配合相對於構架可以發生橫移,列車通過曲線特別是半徑很小的曲線時,就會產生較大的相對橫移,由於牽引杆連線滑臺與模組,因此縱向牽引、制動力將由滑臺直接傳遞到車廂。

迫導向機構轉動銷與車體的銷接:整車裝2套迫導向機構,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向力的作用下,將佔據接近線路中心線的位置。A點則相當於車體與下部走行機構的固定轉動點,由於連桿的定位,A點將基本保持線上路中心線上,而車體銷接點B、C將偏離左右模組中心線,通過機構作用強迫走行機構導向。

3.3數字化樣機動靜干涉分析和模擬

中低速磁浮車輛的車下裝置較多,車下空間緊張,車輛在通過曲線時,走行機構橫向和縱向運動幅度很大。因此,做好車體、裝置、迫導機構、走行機構之間位置關係的確定和佈置非常重要。為此,動、靜干涉分析和檢查十分關鍵。通過DMUKinematicsSimulator對整車實體模型進行模擬,校核和觀察各個運動實體的極限狀態,檢查動、靜干涉,以避免在組裝物理樣機時才發現問題所造成的重大損失。

4車輛的動力學分析

方案設計階段的動力學計算重點在於對車輛設計的合理性進行論證,並通過計算明確運動中產生的載荷大小。

通過Simpack,Adams進行了動力學的模擬和引數的確定:車體搖頭振動,1.11Hz;車體沉浮振動,1.12Hz;車體側滾,1.97Hz;走行機構橫擺振動,4.3~6Hz,有多個振型。

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

動力學模擬得出以下主要結論:

1)為改善列車直線高速執行舒適度,鄰車間必須加裝減振器。該減振器行程大、阻尼力大、關節偏轉角大,因此需要一端採用萬向節;

2)為適應小半徑曲線通過,必須採用迫導向機構;

3)滑臺滑鍵的最大長度不應低於350mm;

4)空氣簧的水平限位應設定為半徑方向40mm;

5)空氣簧必須採取垂向限位措施,使車輛相對走行機構的側滾角不超出0.6°;

6)合理設計下,迫導向機構平行四邊形杆的內力不超出6000N。考慮安全裕量,建議用20kN作為鋼纜的承載設計依據;

7)場線50m半徑的最小曲線必須設定緩和曲線,緩和曲線長度不應低於15m;

8)迫導向機構的T形臂最大轉角可達到28.3°。

5車輛關鍵零部件的強度分析

5.1走行機構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、受力情況複雜,對車輛的安全性起著非常重要的作用。經過有限元強度分析後,找出最大應力點進行優化。

5.2車鉤座及託樑的強度分析

車鉤座及端部託樑位於車輛的兩端,既是車體支撐又是車鉤的基座,在執行和非常情況下,承受很大的縱向載荷,受力情況複雜,對車輛的安全性起著非常重要的作用,需進行詳細的模擬計算。

6數字化樣機的裝置及管線佈置

根據管系、風管和電氣的設計原理和物理共性,CATIA提供的路徑(rout)在同一設計模型中,由管系二維原理圖、風管系統原理圖和電氣原理圖驅動三維空間中進行佈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佈局時,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,以及車體結構、車下裝置等進行干涉檢查、綜合協調、平衡整合的基礎上,管系、風管、電氣分別在自己的路徑上,直接定位放置或調整各類部件。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佈置的管系、風管與電纜系統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廠房佈局及車輛組裝

在廠房設計中,對庫內線路、車間裝置、工裝、部件擺放進行了合理佈置。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%)。