列车主动悬架系统中超磁致伸缩作动器的设计与研究
发布时间：2021-03-21 04:57
近年来,随着高速列车技术的日益普及,车速不断提高的同时伴随着车体疲劳应力的增加,不但影响乘客的乘坐体验,危险也随之上升,对高速列车运行安全性和平稳性造成不利影响。列车悬架系统作为列车减振的核心,将在其中起到关键作用。传统的悬架系统不能够兼顾车辆的平顺性和操稳性,主动悬架系统能够产生可调的主动控制力。超磁致伸缩作动器（Giant-Magnetostrictive-Actuator,GMA）作为列车主动悬架系统的重要部件,输出力的大小直接影响悬架系统的减振效果及在高速列车上的应用。针对传统的电动式作动器中存在的问题,本文采用新型超磁致伸缩材料（Giant magnetostrictive material,GMM）设计一种检测深度范围大、余振小、频带宽、输出力更大的作动器,并对其关键技术进行研究。首先,对引起车辆振动的原因进行系统的分析,介绍列车几种悬架系统针对作动器的研究进展,提出将GMA应用在列车主动悬架系统中的方案。在研究稀土-铁磁致伸缩材料的机理和GMA工作原理的基础上,推导出磁机耦合关系式;对GMA中GMM棒的尺寸、工作参数、磁路和预应力等进行了设计。偏置磁场的设计中,本文采用改...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
和谐号CRH380A型动车组转向架模型
兰州交通大学工程硕士学位论文-5-1.2.3列车主动悬架减振系统的研究及应用现状高速列车的悬架系统是一种减震装置，用于连接主体和一组车轮，并负责动力传递。悬架系统主要由弹性元件（例如弹簧）和（可控制的）阻尼元件（例如阻尼器）以及其他减振装置组成[25]。因此，悬架系统可以提高列车运行的稳定性和安全性。由于大多数乘客的需求而使高速列车运行速度提高，但在速度提高过程中可能会出现一系列问题，尤其是振动和噪声问题以及可能的安全问题，会产生明显的不适感。为了提高列车在行驶中的平稳性能并满足乘客的安全要求，专家们逐渐开发了半主动和主动悬架系统。现有的被动悬架系统，也称为传统悬架系统，通过使用带有弹性和阻尼元件的机械元件来阻尼振动。在被动悬架系统的基础上，增加了一个测量控制系统以实时监视和反馈列车的振动，该系统构成了半主动悬架系统和主动悬架系统。半主动悬架系统在控制过程中不需要外部能量来为系统提供能量，而主动悬架系统则需要外部能量供应。图1.2是列车悬架系统的三种减振模式。(a)被动悬架系统(b)半主动悬架系统(c)主动悬架系统图1.2列车三种悬架系统主动悬架系统的特性如下：瞬时响应惯性中的悬架干扰可能较小，可以连续提供悬架系统以抑制系统的振动。更改高速列车系统的动态性能，所提供的外部能量可以很好地适应外部干扰，并且列车的悬架系统可以实时调整以确保良好的振动抑制。由于主动悬架系统会消耗大量外部能量，因此作动器的运行成本很高，难以单独实现列车减振。因此，基于主动悬架系统，提出了一种新型主动悬架系统，其可以在不提供外部能量的情况下确保更好的减振效果。
列车主动悬架系统中超磁致伸缩作动器的设计与研究-8-2超磁致伸缩作动器的结构设计超磁致伸缩作动器的结构设计与参数优化是适配列车主动悬架的关键，直接影响作动器的输出性能。超磁致伸缩作动器在设计过程中要考虑电、磁、机械、热等物理场能量传递、转化对工作性能的影响。本章将先分析超磁致伸缩作动器用于列车主动悬架的可行性，从而完成大位移、高精度输出作动器的样机设计，包括位移放大机构、预压机构、驱动线圈、磁路等结构。2.1超磁致伸缩作动器适配列车主动悬架的可行性2.1.1超磁致伸缩作动器的设计原则目前传统的主动悬架上采用的是压电型作动器，其位移量和输出功率较小，结构复杂，在冲击力过大和驱动电压过高时存在短路的风险；电磁直线作动器在汽车主动悬架中使用较多，其频带范围宽、响应速度快，但输出力和行程较小，无法满足列车主动悬架的要求[36]。因此，采用超磁致伸缩作动器在列车主动悬架中，综合各类作动器优势，设计出控制精度高、伺服性好的作动器样机，使其作为列车主动悬架系统的执行机构，产生一个主动力来消除列车运动中产生的垂向振动。本文研究超磁致伸缩作动器适用于列车主动悬架，首先要针对作动器建立模型，明确设计的要求，要满足列车主动悬架的性能要求，首先对作动器的关键结构进行设计，对尺寸结构进行优化；其次完成磁路电路的设计，从驱动线圈、励磁线圈和磁路方面进行方案设计，得到满足主动悬架要求的作动器样机，设计作动器的步骤如图2.1所示。图2.1GMA的设计步骤
【参考文献】：
期刊论文
[1]大功率超磁致伸缩作动器的仿真与试验[J]. 王安明,孟建军,胥如迅,张扬. 仪表技术与传感器. 2019(04)
[2]基于UM的磁流变阻尼器模糊控制[J]. 成金娜,周劲松,王超冉. 机械设计与制造工程. 2018(06)
[3]车辆双磁流变阻尼器座椅悬架的建模及控制[J]. 赵强,赵吉业,张娜. 重庆理工大学学报(自然科学). 2018(05)
[4]线圈自激励电磁超声换能器设计及特性研究[J]. 何健鹏,徐科,任威平. 机械工程学报. 2017(16)
[5]双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响[J]. 于文鑫,丁艳春,汪建新. 科学技术与工程. 2017(20)
[6]柱棒式超磁致伸缩能量收集器的设计与实验[J]. 孟爱华,杨剑锋,蒋孙权,刘帆,刘成龙. 振动与冲击. 2017(12)
[7]农用车辆超磁致伸缩与磁流复合阻尼器结构设计[J]. 刘英杰,刘剑君,刘文,赵汉雨,丁攀. 河南农业. 2017(13)
[8]剩磁效应对SmFe2/PZT多铁异质结构动态磁机特性及磁场传感特性的影响[J]. 袁帅,张吉涛,许志强,王晓雷,郑晓婉,杨倩,曹玲芝,袁超. 河南农业大学学报. 2017(02)
[9]超磁致伸缩激振器的优化设计及应用分析[J]. 孟建军,张扬,祁文哲,王安民. 兵器材料科学与工程. 2017(02)
[10]基于GMM的轨道无线传感网络能量收集装置研究[J]. 孟爱华,蒋孙权,刘帆,张梅. 传感技术学报. 2016(11)
博士论文
[1]铁道车辆馈能式主动悬架研究[D]. 王鹏.西南交通大学 2015
[2]超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D]. 张成明.哈尔滨工业大学 2013
[3]超磁致伸缩泵设计理论与实验研究[D]. 赵亚鹏.武汉理工大学 2013
[4]超磁致伸缩换能器滞回非线性模型的研究[D]. 郑加驹.天津大学 2009
硕士论文
[1]车辆大构件振动时效控制系统设计[D]. 李鸳.兰州交通大学 2016
[2]基于超磁致伸缩换能器的超声强化装置改进研究[D]. 张栋梁.北京交通大学 2016
[3]自偏置磁电复合材料及磁传感特性研究[D]. 徐晓玉.重庆大学 2016
[4]基于阻抗法的共振型磁弹性传感器阻抗—频率响应应用模型研究[D]. 陈磊.重庆大学 2016
[5]基于磁谐振无线电能传输的电磁—机械同步共振系统研究[D]. 龚兴磊.南京航空航天大学 2016
[6]高速列车悬挂系统参数多目标优化[D]. 东方世平.北京交通大学 2015
[7]稀土超磁致伸缩超声振动强化系统的研制与试验研究[D]. 初永臣.北京交通大学 2015
[8]基于磁致伸缩作动器的车身结构简化板振动主动控制[D]. 黄东.南京航空航天大学 2015
[9]稀土-铁材料磁致伸缩换能器的结构设计与特性分析[D]. 白娟.河北工业大学 2015
[10]温度对稀土超磁致伸缩换能器输出特性的影响研究[D]. 王亚普.湘潭大学 2014
本文编号：3092367
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
和谐号CRH380A型动车组转向架模型
兰州交通大学工程硕士学位论文-5-1.2.3列车主动悬架减振系统的研究及应用现状高速列车的悬架系统是一种减震装置，用于连接主体和一组车轮，并负责动力传递。悬架系统主要由弹性元件（例如弹簧）和（可控制的）阻尼元件（例如阻尼器）以及其他减振装置组成[25]。因此，悬架系统可以提高列车运行的稳定性和安全性。由于大多数乘客的需求而使高速列车运行速度提高，但在速度提高过程中可能会出现一系列问题，尤其是振动和噪声问题以及可能的安全问题，会产生明显的不适感。为了提高列车在行驶中的平稳性能并满足乘客的安全要求，专家们逐渐开发了半主动和主动悬架系统。现有的被动悬架系统，也称为传统悬架系统，通过使用带有弹性和阻尼元件的机械元件来阻尼振动。在被动悬架系统的基础上，增加了一个测量控制系统以实时监视和反馈列车的振动，该系统构成了半主动悬架系统和主动悬架系统。半主动悬架系统在控制过程中不需要外部能量来为系统提供能量，而主动悬架系统则需要外部能量供应。图1.2是列车悬架系统的三种减振模式。(a)被动悬架系统(b)半主动悬架系统(c)主动悬架系统图1.2列车三种悬架系统主动悬架系统的特性如下：瞬时响应惯性中的悬架干扰可能较小，可以连续提供悬架系统以抑制系统的振动。更改高速列车系统的动态性能，所提供的外部能量可以很好地适应外部干扰，并且列车的悬架系统可以实时调整以确保良好的振动抑制。由于主动悬架系统会消耗大量外部能量，因此作动器的运行成本很高，难以单独实现列车减振。因此，基于主动悬架系统，提出了一种新型主动悬架系统，其可以在不提供外部能量的情况下确保更好的减振效果。
列车主动悬架系统中超磁致伸缩作动器的设计与研究-8-2超磁致伸缩作动器的结构设计超磁致伸缩作动器的结构设计与参数优化是适配列车主动悬架的关键，直接影响作动器的输出性能。超磁致伸缩作动器在设计过程中要考虑电、磁、机械、热等物理场能量传递、转化对工作性能的影响。本章将先分析超磁致伸缩作动器用于列车主动悬架的可行性，从而完成大位移、高精度输出作动器的样机设计，包括位移放大机构、预压机构、驱动线圈、磁路等结构。2.1超磁致伸缩作动器适配列车主动悬架的可行性2.1.1超磁致伸缩作动器的设计原则目前传统的主动悬架上采用的是压电型作动器，其位移量和输出功率较小，结构复杂，在冲击力过大和驱动电压过高时存在短路的风险；电磁直线作动器在汽车主动悬架中使用较多，其频带范围宽、响应速度快，但输出力和行程较小，无法满足列车主动悬架的要求[36]。因此，采用超磁致伸缩作动器在列车主动悬架中，综合各类作动器优势，设计出控制精度高、伺服性好的作动器样机，使其作为列车主动悬架系统的执行机构，产生一个主动力来消除列车运动中产生的垂向振动。本文研究超磁致伸缩作动器适用于列车主动悬架，首先要针对作动器建立模型，明确设计的要求，要满足列车主动悬架的性能要求，首先对作动器的关键结构进行设计，对尺寸结构进行优化；其次完成磁路电路的设计，从驱动线圈、励磁线圈和磁路方面进行方案设计，得到满足主动悬架要求的作动器样机，设计作动器的步骤如图2.1所示。图2.1GMA的设计步骤
【参考文献】：
期刊论文
[1]大功率超磁致伸缩作动器的仿真与试验[J]. 王安明,孟建军,胥如迅,张扬. 仪表技术与传感器. 2019(04)
[2]基于UM的磁流变阻尼器模糊控制[J]. 成金娜,周劲松,王超冉. 机械设计与制造工程. 2018(06)
[3]车辆双磁流变阻尼器座椅悬架的建模及控制[J]. 赵强,赵吉业,张娜. 重庆理工大学学报(自然科学). 2018(05)
[4]线圈自激励电磁超声换能器设计及特性研究[J]. 何健鹏,徐科,任威平. 机械工程学报. 2017(16)
[5]双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响[J]. 于文鑫,丁艳春,汪建新. 科学技术与工程. 2017(20)
[6]柱棒式超磁致伸缩能量收集器的设计与实验[J]. 孟爱华,杨剑锋,蒋孙权,刘帆,刘成龙. 振动与冲击. 2017(12)
[7]农用车辆超磁致伸缩与磁流复合阻尼器结构设计[J]. 刘英杰,刘剑君,刘文,赵汉雨,丁攀. 河南农业. 2017(13)
[8]剩磁效应对SmFe2/PZT多铁异质结构动态磁机特性及磁场传感特性的影响[J]. 袁帅,张吉涛,许志强,王晓雷,郑晓婉,杨倩,曹玲芝,袁超. 河南农业大学学报. 2017(02)
[9]超磁致伸缩激振器的优化设计及应用分析[J]. 孟建军,张扬,祁文哲,王安民. 兵器材料科学与工程. 2017(02)
[10]基于GMM的轨道无线传感网络能量收集装置研究[J]. 孟爱华,蒋孙权,刘帆,张梅. 传感技术学报. 2016(11)
博士论文
[1]铁道车辆馈能式主动悬架研究[D]. 王鹏.西南交通大学 2015
[2]超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D]. 张成明.哈尔滨工业大学 2013
[3]超磁致伸缩泵设计理论与实验研究[D]. 赵亚鹏.武汉理工大学 2013
[4]超磁致伸缩换能器滞回非线性模型的研究[D]. 郑加驹.天津大学 2009
硕士论文
[1]车辆大构件振动时效控制系统设计[D]. 李鸳.兰州交通大学 2016
[2]基于超磁致伸缩换能器的超声强化装置改进研究[D]. 张栋梁.北京交通大学 2016
[3]自偏置磁电复合材料及磁传感特性研究[D]. 徐晓玉.重庆大学 2016
[4]基于阻抗法的共振型磁弹性传感器阻抗—频率响应应用模型研究[D]. 陈磊.重庆大学 2016
[5]基于磁谐振无线电能传输的电磁—机械同步共振系统研究[D]. 龚兴磊.南京航空航天大学 2016
[6]高速列车悬挂系统参数多目标优化[D]. 东方世平.北京交通大学 2015
[7]稀土超磁致伸缩超声振动强化系统的研制与试验研究[D]. 初永臣.北京交通大学 2015
[8]基于磁致伸缩作动器的车身结构简化板振动主动控制[D]. 黄东.南京航空航天大学 2015
[9]稀土-铁材料磁致伸缩换能器的结构设计与特性分析[D]. 白娟.河北工业大学 2015
[10]温度对稀土超磁致伸缩换能器输出特性的影响研究[D]. 王亚普.湘潭大学 2014
本文编号：3092367
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