基于SIMPACK的分离式轴驱发电机带传动系统建模与仿真研究论文_尚国权

摘要：区别于传统轴驱发电形式，将发电机悬挂及顶紧装置设置于车体上，组成分离式轴驱发电系统。通过使用Simpack软件建模，进行模拟仿真，完成对分离式轴驱发电机带传动系统运行状态理论验证。

关键词：Simpack软件；建模仿真；分离式轴驱发电机

轴驱发电装置是利用转向架轮轴转动带动发电机进行发电的特定装置，通过设置在转向架车轴端部的皮带传动装置，利用车辆运行中转向架轮轴转动带动发电机转子进行发电，将滚动势能转化为电能，是目前国内铁路客车小功率直/交流供电需求时采用较多的发电装置。该装置结构简单，发电功率小，维护方便，能够满足铁路客车5kW额定用电功率要求。

传统轴驱发电装置是将发电机系统布置于转向架，本文方案是将发电机悬挂及顶紧装置设置于车体上，主动轮则安装在转向架轮轴靠近中间部位，组成分离式轴驱系统。

本文通过Simpack软件构建动力学模型，进行模拟仿真，通过模拟车辆运行状态，验证设计方案的可靠性，为车辆实际装车运用提供理论依据。

1建模

发电机带传动系统动力学性能分析需要建立2部分动力学模型：车辆动力学模型和发电机带传动系统动力学模型。

车辆动力学模型由车体、构架、摇枕、轴箱和轮对等部件构成，各部件之间通过铰链和力元进行连接。

发电机带传动系统模型包含有发电机外壳、发电机转子、推杆、皮带等部件组成。其中皮带需要进行离散化处理，皮带片与皮带轮之间需要通过Simpack软件中的97号接触力元进行描述，用QT语言开发了皮带轮几何建模和皮带离散化建模的脚本。

2工况分析

2.1长大直线分析工况

长大直线线路为车辆使用过程中最为常见的运行工况。在该工况的分析过程中，开始阶段先将车辆置于一段光滑的直线线路上，从静止状态或某一初速度（此处为5km/h）开始在车辆牵引力作用下逐步加速到140km/h并以该速度恒速通过线路激励为美国5级谱（AAR5）的直线线路。

2.2小半径曲线通过分析工况

小半径曲线通过工况的仿真需重点研究，因为此种工况下，车轴与车体之间会产生很大的相对转动，直接影响皮带的传动，尤其是小半径曲线的情形。要进行曲线通过分析，需要在开始时先置车辆于一段光滑的直线线路上，从静止开始或某一初速度（此处为5km/h）开始逐步加速到10km/h后以该速度通过线路激励为AAR5的R145m和R100m两种半径的曲线线路。

2.3大半径曲线通过分析工况

同小半径曲线通过分析一样，要进行大半径曲线通过分析，也需要在开始时先置车辆于一段光滑的直线线路上，从静止开始或某一初速度（此处为5km/h）开始逐步加速到指定速度（80km/h和105km/h）然后以该速度分别通过线路激励为AAR5的R300m和R500m两种半径的曲线线路。

3仿真结果

3.1长大直线分析工况

车辆运行时速为140km/h时，不论是在加速运行阶段，还是在有激励线路上恒速运行阶段，均没有出现传动皮带与皮带轮脱离的情况，由此可以表明在此各个速度级的长大直线通过工况下，该传动方案可以施行。下图为速度140km/h车速、皮带轮转速、线路激励。

图1 车速为140km/h时车速、皮带轮转速、线路激励

3.2小半径曲线通过分析工况

车辆以10km/h通过R145米的小半径曲线线路,未出现皮带脱带情况，另外在曲线通过过程中，车辆的运行速度会有所波动，这一点可能与车钩牵引力计算中所取的增益系数大小有关，同时，发电机轴转速的波动也比长大直线通过工况要大。

图2 曲线半径R=145m、V=10km/h工况下车速、皮带轮转速、线路激励

3.3大半径曲线通过分析工况

车辆分别以80km/h速度通过R300米半径的曲线线路。通过工况分析结果中系统总体的运行情况分别如图3所示。从分析结果可以知道，在两种大半径曲线通过工况下均未出现皮带脱带情况。

图3 曲线半径R=300m、V=80km/h工况下车速、皮带轮转速、线路激励

4结论

本文使用Simpack软件对分离式轴驱发电机带传动系统动力学仿真，初步验证了车辆无论以长大直线、小半径、大半径曲线通过工况，皮带传动系统均能够正常工作，仿真过程中未出现脱带的情况；同时，整车的平稳性和稳定性指标在三种曲线通过工况下符合铁路车辆运行安全性的要求。

在三种曲线通过工况下，随着车速的提高，皮带的线速度也提高，并引起离心力加大，会引起皮带与皮带轮之间接触力下降和弹簧的压力下降。皮带与皮带轮之间压力大小与皮带传动能否正常工作有关，正常情况下，皮带与发电机皮带轮之间的压力一定要大于某一个数值，此数值为保证不出现皮带打滑和正常传动的最小压力，该数值的大小与发电机皮带轮的直径和发电机负载特性有关。

车辆以10km/h的速度通过半径为R100米的曲线线路时，皮带与车轴皮带轮之间的接触不是很稳定，如果速度再加大，有可能出现脱带现象，建议在小半径曲线通过时限制运行速度不要超过10km/h。

车辆以80km/h的速度通过半径为R300米的大半径曲线线路时，皮带传动系统能够正常工作，但是，车辆本身的横向加速度最大值指标达到0.4g左右，接近车辆正常运营标准的临界值（0.5g），建议在大半径曲线通过时还是要按照车辆正常运营要求的速度运行。

论文作者:尚国权

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期

论文发表时间:2020/4/28

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