高速列车转向架测试台3-六自由度平台运动学及工作空间研究--《吉林大学》2013年博士论文
高速列车转向架测试台3-六自由度平台运动学及工作空间研究
【摘要】：提高列车运行速度和运载量是铁路运输发展的必然趋势。随着列车运行速度的提高，因线路不平顺而引起的车辆振动问题就凸显出来。作为轨道车辆的行走机构，转向架的各项性能参数对车辆运行的安全性、平稳性以及动力学性能有很大的影响，因此，设计出性能优良的转向架和对原有转向架进行性能参数优化是轨道列车提高速度和增加运量的关键。轨道车辆转向架参数测定试验台的开发对轨道车辆转向架产品的研制生产、转向架的结构优化、试验研究、理论研究，以及质量控制和缩短产品开发周期等都有重大意义。
本文以吉林大学汽车运输工程研究所承接的项目“高速列车系统集成国家工程实验室转向架参数测定试验台”为背景，致力于高速列车转向架参数测定试验台多六自由度平台运动学及工作空间研究，该论文的研究可提升完善转向架综合参数测定试验台功能，为转向架空间姿态的正确模拟提供理论基础和技术支持，对提高高速转向架和高速列车的设计开发能力具有重要意义。本论文重点进行如下几个部分的研究：
1、阐述了国内外转向架参数检测技术、六自由度运动平台、运动学反解、工作空间等的发展现状。在分析上述技术存在局限性的基础上，提出了论文研究的意义；对转向架综合参数试验台功能、系统组成、关键技术进行了详细阐述。
2、建立转向架或车体沉浮和点头运行姿态时间历程函数
以轨道车辆垂向振动为例，结合轨道不平顺激振特征，通过车辆实际运行过程中垂向动力学分析和动态解耦算法，建立减缩并解耦的转向架动态特性方程，并利用非齐次微分方程求解方法和克莱姆线性方程组求解定理解算得到转向架或车体沉浮和点头运行姿态时间历程函数模型，为数控电液伺服激振系统迭代控制实现轨道不平顺室内模拟及转向架实际运行动态特性模拟奠定基础。
3、对典型线路几何信息室内模拟方法进行理论研究
结合扭曲不平顺几何特征和模拟运动平台结构特点，对不同速度、不同基长、不同幅值的三角坑扭曲不平顺室内模拟方法进行理论研究，建立了三角坑扭曲不平顺室内模拟过程中模拟运动平台位姿随时间变化的数学模型，为三角坑扭曲不平顺室内模拟提供方法依据。
以坡道线路几何信息为例，对坡道、变坡点和坡道线路几何线形基础上轨道不平顺室内模拟方法进行理论研究，结合车辆坡道行驶特点，将空间域上的坡道线路几何信息变化转化为时域上的平台位姿变化。
4、构建了转向架六自由度运行姿态位姿反解仿真模型和实时解算模型。
结合被试转向架高度、轴距等决定的平台安装位置、三个六自由度模拟平台几何参数、运动参考点及平台偏离设计要求位置的误差等参数，利用齐次坐标矩阵及向量范数计算方法建立了具有21作动器、18个自由度的三套六自由度运动平台协联运动位姿反解模型，借助于Simulink交互式仿真环境构建了上平台运动、下平台运动、三平台牵连运动平台、牵连运动与相对运动耦合运动的位姿反解仿真模型，实现了各种情况下的作动器伸缩量实时解算。通过实例，详细分析了作动器伸缩量变化规律，并利用几何理论计算结果对反解数学模型及仿真模型的准确性进行了验证。
5、利用并联机构工作空间求解方法对转向架六自由度运动平台工作空间进行研究
从优化角度出发，提出了一种检测静态凸多面体与动态凸多面体间碰撞方法，该方法通过引入空间运动学及空间凸多面体数值表述理论，将检测动静态两凸面体间是否发生运动干涉问题转化为求两物体间最短距离的非线性规划问题，通过计算最短距离值来判断某位姿下两物体是否发生碰撞。另外还提出了球面副约束下变尺寸物体的碰撞检测模型，为球面副约束下的变尺寸运动物体碰撞检测提供了理论依据。
6、进行转向架三角坑扭曲不平顺及重心位置测定实车试验
利用位姿反解数学模型、仿真解算模型、工作空间确定方法及工作空间检测模型，对三角坑扭曲不平顺模拟及重心位置测定试验运动平台运动位姿的运行空间的可行性进行验证；建立了转向架扭转动静态刚度计算模型，提出三角坑扭曲不平顺试验方法和试验规范；提出了基于重量反应理论及力矩平衡理论的重心位置测定方法，并提出转向架重心位置测定试验方法和试验规范；通过控制下部双六自由度运动平台的实时运动姿态分别完成了三角坑扭曲不平顺室内模拟及转向架重心位置测定试验，实现了转向架重心位置测定，分析了不同三角坑扭曲不平顺下轮重减载率及转向架扭转刚度变化趋势。
本论文的研究成果服务于转向架参数测定试验台，使其实现高速转向架的动态模拟与参数测试，为新型转向架的开发和转向架动态性能测试提供基础平台。本论文根据长春轨道客车股份有限公司进行新产品开发、产品性能测试和产品故障诊断的工程需求进行研究，研究内容具有很强的工程实用价值。另外本文研究的转向架六自由度平台位姿反解解算方法和工作空间搜索方法为转向架空间姿态模拟的实现提供了依据，同时也为其余形式的六自由度平台位姿解算和工作空间确定提供理论基础和技术支持。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：U270.33【目录】：
摘要4-6ABSTRACT6-14第1章 绪论14-30 1.1 课题的立题背景与意义14-15 1.2 国内外研究现状综述15-24
1.2.1 国内外转向架参数检测技术的研究现状15-19
1.2.2 国内外六自由度运动平台的研究现状19-21
1.2.3 国内外并联机构运动学的研究现状21-22
1.2.4 国内外并联机构工作空间的研究现状22-24 1.3 转向架综合参数测定试验台24-27
1.3.1 试验台的系统功能24
1.3.2 试验台的系统介绍24-26
1.3.3 试验台的关键技术26-27 1.4 课题来源27 1.5 论文的主要研究内容27-30第2章 转向架运行姿态及典型线路信息室内模拟方法研究30-50 2.1 转向架或车体运行姿态时间历程函数30-38
2.1.1 转向架或车体振动形式30-31
2.1.2 轨道车辆垂向运动姿态时间历程函数建模31-38 2.2 三角坑扭曲不平顺模拟38-44
2.2.1 三角坑扭曲不平顺定义38
2.2.2 三角坑扭曲不平顺室内模拟38-40
2.2.3 钢轨中心位姿变化规律40-44 2.3 变坡度模拟44-48
2.3.1 坡度及变坡点定义44-45
2.3.2 坡度和变坡点室内模拟45-48 2.4 本章小结48-50第3章 高速列车转向架六自由度运行姿态建模及解算50-86 3.1 引言50-51 3.2 空间变换数学基础51-55
3.2.1 刚体假设51-52
3.2.2 刚体空间表述及运动形式52-53
3.2.3 齐次坐标变换矩阵53-55
3.2.4 齐次坐标55 3.3 六自由度并联平台的位姿反解分析55-60
3.3.1 作动器编号55-56
3.3.2 坐标系56-59
3.3.3 坐标矩阵59-60 3.4 位姿反解模型60-73
3.4.1 平台 1 位姿相对运动反解模型61-65
3.4.2 平台 2 与 3 相对运动位姿反解模型65-67
3.4.3 牵连运动位姿反解模型67-68
3.4.4 误差校正位姿反解模型68-71
3.4.5 平台牵连运动与相对运动耦合位姿反解模型71-73 3.5 位姿反解仿真模型建立73-79
3.5.1 平台 1 位姿反解仿真模型74-75
3.5.2 平台 2 位姿反解仿真模型75-76
3.5.3 三平台牵连运动位姿反解仿真模型76-77
3.5.4 平台牵连运动与相对运动耦合位姿反解仿真模型77-79 3.6 实例仿真效果及模型验证79-84
3.6.1 平台 1 独立运动位姿反解实例79-82
3.6.2 平台 2 和平台 3 整体运动实例82-83
3.6.3 模型验证83-84 3.7 本章小结84-86第4章 并联机构工作空间理论研究86-108 4.1 工作空间基础知识86-87
4.1.1 工作空间概念86-87
4.1.2 工作空间描述87 4.2 工作空间约束模型87-93
4.2.1 作动器伸缩量限制87-88
4.2.2 铰链转角约束88-91
4.2.3 作动器之间的干涉91
4.2.4 障碍物与平台之间的干涉91-92
4.2.5 作动器与障碍物之间的干涉92-93 4.3 干涉检测算法研究93-106
4.3.1 凸多面体空间数值表示及距离计算模型93-95
4.3.2 动—静凸多面体距离模型95-97
4.3.3 多个多面体间距离模型97
4.3.4 球面副约束下不变尺寸运动物体的碰撞检测97-103
4.3.5 球面副约束下变尺寸运动物体的碰撞检测103-106
4.3.6 任意多面体的剖分理论106 4.4 本章小结106-108第5章 转向架六自由度运动平台工作空间解析108-128 5.1 障碍物模型108-109 5.2 作动器与平台避障模型109-116
5.2.1 平台避障模型109-111
5.2.2 作动器避障模型111-116 5.3 可达工作空间的确定116-124
5.3.1 可达工作空间的搜索方法116-119
5.3.2 工作空间体积计算方法119-120
5.3.3 定姿态位置工作空间分析120-122
5.3.4 工作空间影响因素分析122-124 5.4 虚拟仿真环境124-126 5.5 本章小结126-128第6章 转向架三角坑扭曲不平顺及重心位置测定实车试验128-148 6.1 三角坑扭曲不平顺实车台架试验128-136
6.1.1 三角坑扭曲不平顺位姿反解及运动工作空间可行性验证129
6.1.2 三角坑扭曲不平顺试验测试项目129-131
6.1.3 三角坑扭曲不平顺试验步骤131
6.1.4 三角坑扭曲不平顺实车试验131-136 6.2 重心位置测定试验136-147
6.2.1 重心位置测定方法研究136-140
6.2.2 重心位置试验位姿反解及位姿工作空间的可行性验证140-142
6.2.3 转向架重心位置测定试验要求及步骤142-143
6.2.4 转向架重心位置测量实车试验143-147 6.3 本章小结147-148第7章 总结与展望148-152 7.1 全文总结148-149 7.2 工作展望149-152参考文献152-158攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果158-160致谢160-161
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我刚才查了“天津福云天翼科技有限公司”公司，他们有六自由度振动台的图片及参数介绍！
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工程技术专业的：北京市星光凯明动感仿真模拟器中心
主要产品有单自由度、二自由度、三自由度、四自由度、六自由度运动仿真试验平台、训练模拟器和各类型实物及半实物仿真模拟器。该类产品已被北理工、北京航空航天大学、石油大学等各类大学院校作为训练和试验设备广泛使用，在船舶、航空、航天、电子等工业部门和地震、交通等民用部门也被广泛应用于工程仿真、设计评估、测试、试验、任务训练、训练评估、环境仿真、事件重现等方面。
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