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浅议上海中低速磁浮交通车辆的数字化研发

作者:2017-02-04 16:07阅读:文章来源:未知
  中低速磁浮交通模式和传统的交通模式(如轻轨、单轨、道路公交等)相比具有自己的特点。该技术带来的社会和经济效益包括:乘坐舒适度好,无污染,运行噪声小,能适应中等运量(单向2~3万人次/h),旅行时间短(100~150km/h),爬坡能力强(7%),轨道弯道半径小,工程造价低(在2亿元/km以内)等。
  日本的中低速磁浮交通———HSST磁浮系统,已经发展了25年,业已发展了多种实用的形式。
  韩国目前正在建设6.1km的仁川国际机场磁浮交通线,预计2011年完成,2012年投入运营。
  1上海中低速磁浮项目
  2005年2月,上海市启动了中低速磁浮工程化试验线项目,建设芦潮港试验基地;同时也启动了中低速磁浮工程化车辆的研发项目。该项目借鉴国内外数年来的中低速磁浮成果和经验,聚集国内各方面科研单位、企业的优势资源,采用产、学、研的研发模式,建成了1.7km上海临港中低速(城轨)磁浮试验线和一列三节编组的工程化试验列车。
  上海中低速磁浮车辆设计目标:列车按3节编组,编组形式设为2节端车和1节中车组成。初期制定的技术规格见表1;可扩展为6节编组,满足高峰小时单方向运能2~3万人的需要,列车满载约为1000人。
  由于本项目投资大、时间紧,为避免物理样机出错而造成巨大经济损失,采用了高端的三维数字化软件,在研发过程中进行了16次总体3D数模调整及仿真分析。对数字化车辆进行了反复多次的设计和分析,最终保证了车辆一次性组装成功,未发生任何动静干涉问题,全面验证了数字样机的正确性。磁浮列车研制周期按常规计算,设计至少为2.5年。采用三维设计和全机数字样机技术后,仅仅用用了6个月的时间就完成了设计任务,缩短了60%设计周期,提高了设计质量,减少了40%设计反复。设计总体思路清晰,零部件之间接口协调性好,未发生任何问题。
  2上海中低速磁浮车辆设计
  2.1设计方法
  上海中低速磁浮车辆实现了全机三维建模、电子预装配、产品数据管理(VPM);采用并行工程和数字化定义技术,应用国际上先进CAD/CAE/CAM软件CATIAV5进行三维结构设计,进行了数字化结构件和设备以及管线系统件的的预装配,并进行了磁浮车辆全机规模电子样机的分析。中低磁浮车辆全机电子样机的成功研制,实现了磁浮车辆设计手段与国际接轨、并由传统的研制模式向数字化设计制造的现代化模式的转变。全机结构和系统的数字样机,含2万多个零配件和标准件,大大缩短了研制周期,提高了设计和制造质量,降低了研制风险和研制成本。
  2.2走行机构
  走行机构是磁浮车辆的重要组成部分,位于车辆下部,直接关系到车辆的运行安全性、可靠性、舒适性。在保证运行性能的前提下,应使其结构力求简单、车重优化,且安全、可靠、免维护或少维护。
  走行机构三维模型的构建要求精准,尤其对关键另部件的模型要建立完善的三维设计标准规范,建立三维通用零部件库及标准件库,以利于设计信息和数据能准确传递给协作制造商。
  2.3车体
  车体结构主要包括底架、侧墙、车顶、司机室前脸、司机室后墙和端墙。各部分之间的连接采用焊接方式,也不排除在施工设计中改变结构形式采用铆接连接。底架包括中梁、边梁、对应于滑动台位置的横向枕梁(另一名称为托梁)、连接车钩的缓冲梁、端梁、地板及安装设备的各连接结构;侧墙包括上下侧梁、立柱、门柱及侧墙板;车顶包括弧形车顶板、水平车顶板及连接板;端墙包括贯通道框、立柱和板。车体结构基本尺寸为:中间车结构长度为15500mm,宽度为3000mm,高度为2764mm;端车结构长度为16100mm,宽度为3000mm,高度为2764mm。桁架式底架承载特点为:质量轻、强度刚度好、有层次、设备安装维修方便等。
  2.4车下设备
  中低速磁浮车辆车下设备十分拥挤、存在大量管线、设备,空间紧张。同时,车辆在运行时,车下设备和走行机构始终有相对运动,容易发生动干涉现象。因此,车下设备必须在三维中进行动干涉检查和外形优化。
  3数字化样机的运动仿真
  3.1悬浮架的机械解耦
  走行机构在顺利通过曲线、缓和曲线时,悬浮架构架必须具有机械解耦能力,能够适应线路设计最大横坡扭率为0.12°/m,能够适应线路的各种不平顺和公差变化。因此,悬浮架构架的4个支撑点必须分别具有5个方向上的自由度,尤其能够在z向位移15mm以上。机械解耦的刚度和阻尼由动力学计算和试验确定。
  3.2数字化样机曲线通过分析及仿真
  中低速磁悬浮车在通过曲线时,走行机构和车体通过各种运动副连接。
  直线导轨副:直线导轨副的滑块安装在滑动台附加空气室安装坐上,滑轨与车体底部采用螺栓连接。整个走行机构与车体有16副直线导轨副配合。这样,车体通过直线导轨副配合相对于构架可以发生横移,列车通过曲线特别是半径很小的曲线时,就会产生较大的相对横移,由于牵引杆连接滑台与模块,因此纵向牵引、制动力将由滑台直接传递到车厢。
  迫导向机构转动销与车体的销接:整车装2套迫导向机构,与车体共有4处销接。在曲线上某些左右滑块的中心点在被动导向力的作用下,将占据接近线路中心线的位置。A点则相当于车体与下部走行机构的固定转动点,由于连杆的定位,A点将基本保持在线路中心线上,而车体销接点B、C将偏离左右模块中心线,通过机构作用强迫走行机构导向。
  3.3数字化样机动静干涉分析和仿真
  中低速磁浮车辆的车下设备较多,车下空间紧张,车辆在通过曲线时,走行机构横向和纵向运动幅度很大。因此,做好车体、设备、迫导机构、走行机构之间位置关系的确定和布置非常重要。为此,动、静干涉分析和检查十分关键。通过DMUKinematicsSimulator对整车实体模型进行仿真,校核和观察各个运动实体的极限状态,检查动、静干涉,以避免在组装物理样机时才发现问题所造成的重大损失。
  4车辆的动力学分析
  方案设计阶段的动力学计算重点在于对车辆设计的合理性进行论证,并通过计算明确运动中产生的载荷大小。
  通过Simpack,Adams进行了动力学的仿真和参数的确定:车体摇头振动,1.11Hz;车体沉浮振动,1.12Hz;车体侧滚,1.97Hz;走行机构横摆振动,4.3~6Hz,有多个振型。
  通常铁路车辆车体模态的自振频率在1.5Hz以下,而对磁浮车辆的振动与设计,车体的自振频率偏大。
  动力学仿真得出以下主要结论:
  1)为改善列车直线高速运行舒适度,邻车间必须加装减振器。该减振器行程大、阻尼力大、关节偏转角大,因此需要一端采用万向节;
  2)为适应小半径曲线通过,必须采用迫导向机构;
  3)滑台滑键的最大长度不应低于350mm;
  4)空气簧的水平限位应设置为半径方向40mm;
  5)空气簧必须采取垂向限位措施,使车辆相对走行机构的侧滚角不超出0.6°;
  6)合理设计下,迫导向机构平行四边形杆的内力不超出6000N。考虑安全裕量,建议用20kN作为钢缆的承载设计依据;
  7)场线50m半径的最小曲线必须设置缓和曲线,缓和曲线长度不应低于15m;
  8)迫导向机构的T形臂最大转角可达到28.3°。
  5车辆关键零部件的强度分析
  5.1走行机构2、4位滑台强度分析
  2、4位滑台为固定滑台,为车体的主要支撑点,载荷大、受力情况复杂,对车辆的安全性起着非常重要的作用。经过有限元强度分析后,找出最大应力点进行优化。
  5.2车钩座及托梁的强度分析
  车钩座及端部托梁位于车辆的两端,既是车体支撑又是车钩的基座,在运行和非常情况下,承受很大的纵向载荷,受力情况复杂,对车辆的安全性起着非常重要的作用,需进行详细的仿真计算。
  6数字化样机的设备及管线布置
  根据管系、风管和电气的设计原理和物理共性,CATIA提供的路径(rout)在同一设计模型中,由管系二维原理图、风管系统原理图和电气原理图驱动三维空间中进行布置的具有同一属性的路径管路、风管与电缆的几何空间走向。因而,管系、风管、电气在用具有同一属性路径进行各自的路径布局时,实时检测管系、风管、电气之间的路径干涉情况。在对管路、风管、电路,以及车体结构、车下设备等进行干涉检查、综合协调、平衡整合的基础上,管系、风管、电气分别在自己的路径上,直接定位放置或调整各类部件。如:管系路径上的各类阀件、附件、仪表、管子支架等,通风路径上的各类风机、调风门、风管吊架等,电气路径上的各类附件、电缆托架等,以及检查在三维空间中布置的管系、风管与电缆系统是否有疏忽而遗漏个别阀件、附件等。最终得出一套完整的管线二维工程图和长度明细表。
  7厂房布局及车辆组装
  在厂房设计中,对库内线路、车间设备、工装、部件摆放进行了合理布置。利用CATIA中的EDA对组装工人的工位进行了人机工程校核。
  8上海中低速磁浮列车目前试验成果
  1)列车舒畅通过1.7km试验线的道岔、曲线等(3节编组);
  2)最高试验速度:103km/h(达标为110km/h);
  3)最大纵坡度:7%(达标为7%);
  4)最大横坡角:6°(达标为6°);
  5)最大横坡扭率:0.1°/m(达标为0.1°/m);
  6)最小平曲线半径:50m(达标为50m);
  7)最小竖曲线半径:1500m(达标为1500m)。
  8)承载能力:加沙袋至33t(达标为32t);
  9)偏载能力:25%(达标为50%)。
  上海中低速磁浮列车经过3年的试验线运行,多项测试结果基本达到设计指标。
 

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