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上海中低速磁浮交通車輛的數字化研發論文
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,無污染,運行噪聲小,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。
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項目。該項目借鑒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,采用產、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;可擴展為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濟損失,采用了高端的三維數字化軟件,在研發過程中進行了16次總體3D數模調整及仿真分析。對數字化車輛進行了反復多次的設計和分析,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。磁浮列車研制周期按常規計算,設計至少為2.5年。采用三維設計和全機數字樣機技術后,僅僅用用了6個月的時間就完成了設計任務,縮短了60%設計周期,提高了設計質量,減少了40%設計反復。設計總體思路清晰,零部件之間接口協調性好,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、產品數據管理(VPM);采用并行工程和數字化定義技術,應用國際上先進CAD/CAE/CAM軟件CATIAV5進行三維結構設計,進行了數字化結構件和設備以及管線系統件的的預裝配,并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制,實現了磁浮車輛設計手段與國際接軌、并由傳統的研制模式向數字化設計制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,大大縮短了研制周期,提高了設計和制造質量,降低了研制風險和研制成本。
2.2走行機構
走行機構是磁浮車輛的重要組成部分,位于車輛下部,直接關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范,建立三維通用零部件庫及標準件庫,以利于設計信息和數據能準確傳遞給協作制造商。
2.3車體
車體結構主要包括底架、側墻、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,也不排除在施工設計中改變結構形式采用鉚接連接。底架包括中梁、邊梁、對應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、地板及安裝設備的各連接結構;側墻包括上下側梁、立柱、門柱及側墻板;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、設備安裝維修方便等。
2.4車下設備
中低速磁浮車輛車下設備十分擁擠、存在大量管線、設備,空間緊張。同時,車輛在運行時,車下設備和走行機構始終有相對運動,容易發生動干涉現象。因此,車下設備必須在三維中進行動干涉檢查和外形優化。
3數字化樣機的運動仿真
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仿真
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接。
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,滑軌與車體底部采用螺栓連接。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于構架可以發生橫移,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,將占據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的固定轉動點,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,通過機構作用強迫走行機構導向。
3.3數字化樣機動靜干涉分析和仿真
中低速磁浮車輛的車下設備較多,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、設備、迫導機構、走行機構之間位置關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,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于對車輛設計的合理性進行論證,并通過計算明確運動中產生的載荷大小。
通過Simpack,Adams進行了動力學的仿真和參數的確定: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。
動力學仿真得出以下主要結論:
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、關節偏轉角大,因此需要一端采用萬向節;
2)為適應小半徑曲線通過,必須采用迫導向機構;
3)滑臺滑鍵的最大長度不應低于350mm;
4)空氣簧的水平限位應設置為半徑方向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桿的內力不超出6000N?紤]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置緩和曲線,緩和曲線長度不應低于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、受力情況復雜,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后,找出最大應力點進行優化。
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數字化樣機的設備及管線布置
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,以及車體結構、車下設備等進行干涉檢查、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布置的管系、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廠房布局及車輛組裝
在廠房設計中,對庫內線路、車間設備、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%)。
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