考虑制动压力动态响应的列车盘形制动系统动力学研究.pdf

I l l l l I I l l l l I I [ I I l l [ 1 1 [ Jf l l l l I l l l l I I l l I l l l Y 3 8 7 115 4 中图分类号 I H l l 3 ．1 密级公孟 本校编号 葱州交通戈挚 工程硕士学位论文 论文题目考虑制动压力动态响应的列车盘形 学校指导教师姓名张艳龙 企业指导教师姓名题挝焦职称高级工程师 申请学位工程领域名称奎辆王猩 论文提交日期2Q 2 l 生生月论文答辩日期2 Q 21 车5 月 万方数据 独创性声明 JJ I I J l I M I M IJlfllJ l l l l t r i l l M I I l n l I P I J l l 0 Y 3 8 7 115 4 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含获得兰趟交通太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名娥 签字日期渺1 年 ∥月√日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解兰趟交通太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权兰煳交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名赢楚 签字日期如纠年多月彤日 导师签名 刚故 签字日期驯年∥月形日 万方数据 工程硕士学位论文 考虑制动压力动态响应的列车盘形 制动系统动力学研究 R e s e a r c ho nD y n a m i co fD i s cB r a k eS y s t e mi nT r a i nC o n s i d e r i n g D y n a m i cR e s p o n s eo fB r a k i n g P r e s s u r e 作者姓名 工程领域 研究方向 学 校内导 企业导 完成日 兰州交通大学 L a n z h o u J i a o t o n gU n i v e r s i t y 号师师期 万方数据 兰州交通大学工程硕士学位论文 摘要 列车在实际的制动过程中因存在多种影响系统动力学行为的因素，如制动压力、列 车速度和制动构件的磨损状态等，使得制动系统产生摩擦自激振动及噪声。其中，制动 压力的响应过程对制动系统的影响也不可被忽视，若制动压力响应合理，将有助于保障 列车平稳减速或准确停车，减少振动、磨损及噪声污染。目前高速列车的制动工况更加 复杂多样，所以模拟仿真制动过程中两种制动工况下制动压力的动态响应对制动系统动 力学行为的影响，可以为系统结构的设计和优化提供相应的理论参考。 本文根据列车盘形制动系统基础构件结构及安装位置关系，建立基于动摩擦模型和 动态制动压力的盘形制动系统动力学模型。选取特定参数，数值仿真两种制动工况下不 同制动控制阀特性参数 A 影响的制动压力的变化曲线，以及系统运动的相图和时间历 程图，分析制动压力动态响应影响下系统存在的摩擦诱导粘滑振动等复杂的动力学特 性，以及系统进入稳定状态的途径。主要内容如下 根据制动夹钳单元结构，利用多参数数学简化方法，得到动态制动压力的数学模型。 然后分别将紧急制动工况和常用制动工况下动态制动压力的数学模型与D a n k o w i c z 和 改进L u G r e 动摩擦模型进行耦合，得到包含动态制动压力的动摩擦模型。选取特定参数， 仿真分析紧急和常用两种制动工况下不同见影响的制动压力随时问变化的关系，为后续 系统动力学建模及动力学特性研究提供基础。 根据制动系统基础构件结构及安装位置关系，仅研究系统的垂向振动，参考质块． 传送带模型，得到基于动摩擦模型和动态制动压力的两自由度系统动力学模型，引入无 量纲参数及变量进行无量纲化处理。选取特定参数，利用C 语言进行数值仿真分析考虑 制动压力动态响应的两自由度制动系统存在的动力学特性。研究发现从A 1 变为兄 7 ， 系统运动位移和速度的振幅减小，且最终进入稳定状态需要的时间缩短。与紧急制动工 况相比，常用制动工况下系统运动位移和速度的振幅变小，且最终进入稳定状态需要的 时间变短。 综合多种影响制动系统振动的因素，同时考虑双侧闸片、制动盘及构架之间的相互 影响，仅研究系统的垂向振动，对制动系统进行简化，得到基于动摩擦模型和动态制动 压力且相对复杂的四自由度系统动力学模型。通过无量纲化处理后，选取特定参数，利 用C 语言进行数值仿真分析动态制动压力耦合后的两种动摩擦模型作用下四自由度制 动系统存在的动力学特性及进入稳定状态的途径。研究发现D a n k o w i c z 动摩擦作用下， 系统存在低频振动，出现粘着运动状态。改进L u G r e 动摩擦作用下，系统存在高频振动， 未出现粘着运动状态。与两自由度系统模型相比，四自由度系统模型能够更好地仿真实 万方数据 考虑制动压力动态响应的列车盘形制动系统动力学研究 际制动过程中系统动力学特性。动态制动压力的数学模型与D a n k o w i c z 动摩擦模型的耦 合效果更好，使得系统可以反映出非常复杂的动力学行为。在满足制动要求的前提下， 匹配合理的制动控制阀特性参数，为制动系统的结构设计和参数优化提供相应的理论参 考。 关键词盘形制动，i 摩擦诱导振动；制动压力动态响应，i 动摩擦 论文类型应用研究 万方数据 兰少I 1 交通大学工程硕士学位论文 A b s t r a c t I nt h ea c t u a lb r a k i n gp r o c e s so ft r a i n s ，t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a ta f f e c tt h ed y n a m i c b e h a v i o ro ft h es y s t e m ，s u c ha sb r a k i n gp r e s s u r e ，t r a i ns p e e da n dw e a rs t a t eo fb r a k i n g c o m p o n e n t s ，w h i c hm a k et h eb r a k i n gs y s t e mp r o d u c ef r i c t i o ns e l f - e x c i t e dv i b r a t i o na n dn o i s e ． A m o n gt h e m ，t h ei n f l u e n c eo ft h er e s p o n s ep r o c e s so ft h eb r a k i n gp r e s s u r eo nt h eb r a k i n g s y s t e mC a nn o tb ei g n o r e d ．I ft h er e s p o n s eo ft h eb r a k i n gp r e s s u r ei sr e a s o n a b l e ，i tw i l lh e l pt o e n s u r et h es m o o t hd e c e l e r a t i o no ra c c u r a t ep a r k i n go ft h et r a i n ，a n dr e d u c et h ev i b r a t i o n ，w e a r a n dn o i s ep o l l u t i o n ．A tp r e s e n t ，t h eb r a k i n gc o n d i t i o n so fh i g h - s p e e dt r a i na r em o r ec o m p l e x a n dd i v e r s e ，S Ot h es i m u l a t i o no ft h ed y n a m i cr e s p o n s eo fb r a k i n gp r e s s u r eu n d e rt w ob r a k i n g c o n d i t i o n sc a np r o v i d et h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o n o ft h es y s t e ms t r u c t u r e ． A c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n di n s t a l l a t i o np o s i t i o no ft h eb a s i cc o m p o n e n t so ft h et r a i n d i s cb r a k es y s t e m ，ad y n a m i cm o d e lo ft h ed i s cb r a k es y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h e d y n a m i cf r i c t i o nm o d e la n dd y n a m i cb r a k ep r e s s u r e ．B ys e l e c t i n gs p e c i f i cp a r a m e t e r s ，t h e b r a k i n gp r e s s u r e c u r v e sa f f e c t e db yd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 兄 o ft h eb r a k e c o n t r o lv a l v eu n d e rt w ob r a k i n gc o n d i t i o n s ，a sw e l la st h ep h a s ed i a g r a ma n dt i m eh i s t o r y d i a g r a m o ft h e s y s t e mm o t i o n a r e n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d ．T h e c o m p l e x d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ms u c ha sf r i c t i o ni n d u c e ds t i c k - s l i pv i b r a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c e o fd y n a m i cr e s p o n s eo fb r a k i n gp r e s s u r ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ew a yf o rt h es y s t e mt oe n t e ra s t a b l es t a t ei sa l s oa n a l y z e d ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s A c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fb r a k ec l a m pu n i t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i c b r a k ep r e s s u r ei so b t a i n e db yu s i n gm u l t ip a r a m e t e rm a t h e m a t i c a ls i m p l i f i c a t i o nm e t h o d ． T h e n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fd y n a m i cb r a k i n gp r e s s u r eu n d e rs e r v i c eb r a k i n gc o n d i t i o n a n de m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o na r ec o u p l e dw i t hD a n k o w i c za n dm o d i f i e dL u G r ed y n a m i c f r i c t i o nm o d e l st oo b t a i nt h ed y n a m i cf r i c t i o nm o d e li n c l u d i n gd y n a m i cb r a k i n gp r e s s u r e ． S p e c i f i cp a r a m e t e r sa r es e l e c t e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb r a k i n g p r e s s u r et h a t d i f f e r e n tAh a si n f l u e n c e da n dt i m eu n d e re m e r g e n c ya n ds e r v i c eb r a k i n g c o n d i t i o n s ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ef o l l o w - u ps y s t e md y n a m i c sm o d e l i n ga n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c h ． A c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r ea n di n s t a l l a t i o np o s i t i o no ft h eb a s i c c o m p o n e n t so ft h eb r a k i n gs y s t e m ，o n l yt h ev e r t i c a lv i b r a t i o no ft h es y s t e mi s s t u d i e d ． C o n s i d e r i n gt h em a s sc o n v e y o rb e l tm o d e l ，at w oD O Fs y s t e md y n a m i cm o d e lb a s e do n d y n a m i cf r i c t i o nm o d e la n dd y n a m i cb r a k i n gp r e s s u r ei so b t a i n e d ．D i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s a n dv a r i a b l e sa r ei n t r o d u c e df o rd i m e n s i o n l e s sp r o c e s s i n g ．S p e c i f i cp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d ， t h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w oD O Fb r a k i n gs y s t e mc o n s i d e r i n gt h ed y n a m i c I I I 万方数据 考虑制动压力动态响应的列车盘形制动系统动力学研究 r e s p o n s eo ft h eb r a k i n gp r e s s u r ea r ea n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hCl a n g u a g e ．I ti s f o u n dt h a tt h ea m p l i t u d eo ft h ed i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t yo ft h es y s t e md e c r e a s e sf r o m 五 1 t o 五 7 ．a n dt h et i m en e e d e dt oe n t e rt h es t a b l es t a t ei ss h o r t e n e d ．C o m p a r e dw i t ht h e e m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o n ，t h ea m p l i t u d eo ft h ed i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t yo ft h es y s t e m u n d e rt h es e r v i c eb r a k i n gc o n d i t i o ni ss m a l l e r ，a n dt h et i m et oe n t e rt h es t a b l es t a t ei ss h o r t e r ． I n t e g r a t i n gm u l t i p l ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ev i b r a t i o no ft h eb r a k es y s t e m ，c o n s i d e r i n gt h e i n t e r a c t i o na m o n gt h eb i l a t e r a lb r a k ep a d s ．b r a k ed i s ca n df r a m e ，t h ev e r t i c a lv i b r a t i o no ft h e s y s t e mi so n l ys t u d i e dt os i m p l i f yt h eb r a k i n gs y s t e m ，ar e l a t i v e l yc o m p l e xf o u rD O Fs y s t e m d y n a m i cm o d e lb a s e do nd y n a m i cf r i c t i o nm o d e la n dd y n a m i cb r a k i n gp r e s s u r ei so b t a i n e d ． A f t e rd i m e n s i o n l e s sp r o c e s s i n g ，s e l e c ts p e c i f i cp a r a m e t e r s ，u s eCl a n g u a g ef o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff o u rD O Fb r a k i n gs y s t e ma n dt h ew a yt o e n t e rt h es t a b l es t a t eu n d e rt h ea c t i o no ft w od y n a m i cf r i c t i o nm o d e l sa f t e rd y n a m i cb r a k i n g p r e s s u r ec o u p l i n g ．I ti sf o u n dt h a tt h es y s t e mv i b r a t e sa tl o wf r e q u e n c ya n ds t i c k i n gm o t i o n a p p e a r su n d e rt h ea c t i o no fD a n k o w i c zd y n a m i cf r i c t i o n ．U n d e rt h ea c t i o no fm o d i f i e dL u G r e d y n a m i cf r i c t i o n ，t h es y s t e mv i b r a t e sa th i g hf r e q u e n c ya n d d o e sn o ta p p e a rs t i c k i n gm o t i o n ． C o m p a r e dw i t ht h et w oD O Fs y s t e mm o d e l ，t h ef o u rD O Fs y s t e mm o d e lC a nb e t t e rs i m u l a t e t h es y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nt h ea c t u a lb r a k i n gp r o c e s s ．T h ec o u p l i n ge f f e c to ft h e d y n a m i cb r a k i n gp r e s s u r em a t h e m a t i c a lm o d e la n dD a n k o w i c zd y n a m i cf r i c t i o nm o d e li s b e t t e r ，S Ot h a tt h es y s t e mc a nr e f l e c tv e r yc o m p l e xd y n a m i cb e h a v i o r ．O nt h ep r e m i s eo f m e e t i n gt h eb r a k i n gr e q u i r e m e n t s ，m a t c h i n gr e a s o n a b l eb r a k ec o n t r o lv a l v ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sC a np r o v i d ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o r t h es t r u c t u r a ld e s i g na n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h eb r a k i n gs y s t e m ． K e yW o r d s D i s cB r a k e ；F r i c t i o nI n d u c e dV i b r a t i o n ；D y n a m i cR e s p o n s eo fB r a k i n g P r e s s u r et D y n a m i cF r i c t i o n I V 万方数据 兰州交通大学工程硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯．⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 1 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 制动压力响应研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 动摩擦动力学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 制动系统动力学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究的目的及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．4 主要研究内容及章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 基于动摩擦模型和动态制动压力的列车盘形制动系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 动摩擦模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 动态制动压力建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．3 ．1 紧急制动工况下动态制动缸气压响应模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 ．2 常用制动工况下动态制动缸气压响应模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．3 制动缸气压与制动压力之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 2 ．4 列车盘形制动系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．4 ．1 两自由度盘形制动系统建模及无量纲处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 ．2 四自由度盘形制动系统建模及无量纲处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．4 ．3 动摩擦模型无量纲处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 考虑制动压力动态响应的两自由度盘形制动系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2D a n k o w i c z 动摩擦作用下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．1 系统运动状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．2 两种制动工况下制动压力变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2l 3 ．2 ．3 紧急制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．4 常用制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．3 改进L u G r e 动摩擦作用下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 系统运动状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 万方数据 考虑制动压力动态响应的列车盘形制动系统动力学研究 3 ．3 ．2 两种制动工况下制动压力变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．3 紧急制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．3 ．4 常用制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 考虑制动压力动态响应的四自由度盘形制动系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2D a n k o w i c z 动摩擦作用下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．1 系统运动状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．2 两种制动工况下制动压力变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．2 ．3 紧急制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．4 常用制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 改进L u G r e 动摩擦作用下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．3 ．1 系统运动状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．3 ．2 两种制动工况下制动压力变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．3 ．3 紧急制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 ．4 常用制动工况下系统动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 至殳谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 攻读学位期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 万方数据 兰州交通大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 回首往昔，从铁路的诞生至今，铁路行业的发展依然历久弥新。铁路因在人员输送 量、输送效率和输送成本等方面存在较大的优势，使其在历史进程中推动世界不断前进。 随着社会的进步，人们对生活的需求也在不断提高，铁路的现有速度已经无法满足人们 出行的需求，速度成为制约铁路发展的重要因素。1 9 6 4 年日本宣布开通了一条新的轨道 交通线路，使得日本成为世界上首个步入高速时代的国家，开辟了世界高铁新篇章[ ，】， 助力铁路行业的复苏。 近年来，为了满足国家发展需求，我国的交通强国建设纲要也相继出台，使得 我国轨道交通事业迅速发展，目前全世界最发达且现代化的高速铁路网己被我国建成【2 】。 2 0 2 0 年l O 月我国速度4 0 0 公里每小时的跨国高速动车组在中车唐山下线【3 】，同年1 2 月 速度3 5 0 公里每小时的高速货运动车组也相继下线【4 ] 。高铁不仅改变了人们的出行，提 升了人们的生活质量，见证了时代的变迁，也继续朝着环保、安全、高速、舒适的方向 坚实迈进。伴随高速铁路技术的进步和发展，制动系统的结构性能逐渐被重视。为了满 足列车多种复杂的制动工况，使列车在行驶的过程中准确稳定地减速停车，减少噪声污 染，这就要求我们必须对制动系统进行深入分析。 对于制动系统动力学的研究主要是分析各机械构件之间产生的摩擦振动。目前，摩 擦制动已经被众多国家广泛采用，当实施制动时，通过闸片和制动盘之间的相互摩擦作 用将能量进行耗散【5 ] 。列车被广泛应用的制动形式分别为闸瓦制动和盘形制动。闸瓦制 动【6 ] 为当实施制动时，瓦状的制动块紧压车轮的踏面，两者相互摩擦，实现制动。盘形 制动主要指在制动夹钳结构的作用下，两个闸片将会紧压制动盘，使得相互摩擦而实施 制动，将列车的能量耗散。对比列车的闸瓦制动，盘形制动的噪音非常小、性能非常可 靠、效率非常高且不易磨耗，因此逐步变为人们广泛采用的一种制动方式【7 1 。目前，随 着高速列车行驶的速度急剧地提高，为了使列车在高速运行过程中能够迅速制动，保证 列车的行驶安全性，我国普遍采用盘形制动进行实施制动[ 8 - J o ] 。因此，深入分析盘形制 动系统存在的动力学特陛，改善系统的性能，将非常有利于促进我国的铁路行业继续持 续发展。 列车盘形制动系统包括闸片、制动缸、制动盘和制动夹钳单元等。在实施制动时， 制动缸产生压力后在夹钳结构的作用下放大一定的倍率并转换为制动盘双侧闸片的压 力作用到制动盘上，对列车实施制动。根据制动盘在系统中的布置，盘形制动被区分为 轮盘式及轴盘式。图1 ．1 及1 ．2 为轮盘式及轴盘式的结构布局图。 万方数据 考虑制动压力动态响应的列车盘形制动系统动力学研究 为了推进铁路行业继续蓬勃发展并走向世界，使我国成为全球领先的交通强国，这 就要求我们在保障列车行驶安全性的前提下，使得列车更加高速且舒适，所以深入分析 高速列车制动系统存在的非线性动力学行为已经成为目前研究的重点问题。其中影响系 统动力学行为的因素众多，但在实际实施制动时制动压力的动态响应过程对制动系统影 响也是非常重要。若制动压力动态响应合理，一方面使列车平稳减速或准确停车，另一 方面减小接触面间的磨损及噪声污染，若制动压力动态响应不合理，将导致制动系统失 稳、磨损及噪声，可见，制动压力动态响应的合理性己经对制动系统构件的寿命及列车 行车安全构成威胁。对于目前高速列车，制动工况将会更加复杂多样，为了仿真不同制 动工况下制动压力的动态响应对制动系统动力学的影响，为系统结构的设计和优化提供 相应的理论参考，保障列车平稳减速或准确停车，减少振动、磨损及噪声污染，我们必 须深入分析和研究实际制动工况中制动压力动态响应影响下系统存在的摩擦诱导振动 特性。 1 ．2 国内外研究现状 在对列车实施制动时，各个构件之间将会发生摩擦振动，所以针对盘形制动系统的 深入研究，众多学者都将此视为急需突破的重难点。众多学者使用多种研究方法，简化 得到多种系统模型，研究高速列车在摩擦制动过程中制动压力响应和系统动力学行为。 1 ．2 ．1 制动压力响应研究现状 针对制动压力的响应研究，国内外众多学者从多种方面入手，一些学者研究给出描 述制动特性曲线的数学方法，模拟制动特性曲线，也有学者针对机械系统研究恒定压力 对系统的影响。N a s rA l l l 】使用单参数数学计算方法，描述制动性能曲线，得出制动缸气 体压力表达式。M o h a m m a d iS [ 1 - I 研究在对列车实施制动时车辆的纵向冲动问题，并给出 了制动缸气体压力表达式以及与制动压力之间的关系。J i aS [ 13 】采用L u G r e 摩擦模型研究 万方数据 兰州交通大学工程硕士学位论文 了制动闸片在恒定载荷作用下系统的非线性动力学行为并对尖锐的摩擦噪声信号的产 生进行了探究。孙树磊等[ 1 4 ，1 5 ] 给出一种方法并列出了制动缸气体压力表达式。杨亦铮[ 1 6 l 基于制动夹钳单元，得出制动压力与制动缸气体压力的关系。B e h r e n d tJ 等【1 7 ] 使用有限 元法分析系统施加恒定压力下的动力学特性。G uZ 等1 18 】基于多参数分析方法，分析了 实验参数对制动压力响应时间的影响。LP u g i 等【1 9 ] 通过A M E S I M 得到系统简化模型， 并分析得出制动缸气体压升曲线。B e l a V i n c z e 等[ o 】