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原文传递高速列车车轮不圆机理及影响研究

论文题名：	高速列车车轮不圆机理及影响研究
关键词：	高速动车组;车轮;不圆度;动力学性能;疲劳强度
摘要：	随着列车运行速度提高，轮轨间相互作用更加剧烈，影响列车运行稳定性与安全性。因高速列车车轮不圆化而导致的振动，不仅会对车内机械设备、电气设备等造成损害，缩短设备的使用寿命，而且会对人体的健康产生不良影响。因此，研究车轮不圆磨耗机理及其影响对提高列车运行的安全性和舒适性是十分必要的。　　本文以高速动车组车轮为研究对象，建立了考虑轮对弹性与构架弹性的车辆系统动力学模型和车轮踏面磨耗模型，基于线路试验和动力学仿真，分析车轮不圆的形成机理，研究车轮不圆对车辆动力学和车辆结构疲劳强度的影响。取得的主要结果和结论如下: 　　(1)现场实测国内高速动车组车轮不圆度和踏面外形，对车轮不圆度现状进行统计分析，结果表明高速列车车轮不圆主要以低阶为主;对高速列车车轮不圆和轮轨力进行了线路跟踪实测并对实测信号进行数据处理，分析轮轨力与轴箱加速度的时域和频域特性，给出了轮轨力和轴箱加速度与车轮不圆的关系。　　(2)介绍了蠕滑理论以及四种典型的车轮踏面磨耗模型，通过分析对比滚动接触理论，选择基于赫兹接触的磨耗理论进行车轮不圆化磨耗的研究;给出了法向载荷和蠕滑率对磨耗量的影响;提出了车轮不圆化的数学模型;建立了考虑轮对弹性和构架弹性的车辆系统动力学模型和车轮踏面磨耗模型，对比分析弹性模型和刚性模型，验证了弹性模型的正确性。　　(3)探讨分析车轮不圆的形成机理。首先，给出了加工误差导致车轮不圆的波深及阶数的规律;给出了车辆运行过程中轮对出现共振时，轮轨法向力、蠕滑力以及磨耗深度的变化规律;特定速度下车轮圆周方向不均匀磨耗累积导致车轮不圆化，磨耗单周重复时，随着车辆运行速度的增加，导致车轮不圆的阶数降低;磨耗多周重复的情况下，容易导致高阶车轮不圆的形成。第二，给出了轨道不平顺和钢轨离散支撑导致的蠕滑力和磨耗深度的变化规律，特定半径下车轮周向磨耗深度的差异不断累积形成车轮不圆，车轮半径越大，轨枕间距越小，越容易导致高阶车轮不圆的形成。第三，给出了轮对横向振动时轮轨间的蠕滑力和磨耗深度的变化规律。第四，给出了由于磨耗深度的单周重复和多周重复而导致车轮不圆阶数的计算公式，针对横向振动与垂向振动的不同，给出横向振动导致车轮不圆的计算公式。最后，给出了车轮各阶不圆的衍化规律，提出了车轮不圆化的减缓措施。　　(4)基于车辆系统动力学模型，研究了车轮不圆对车辆系统动力学性能的影响，给出了车轮不圆对脱轨系数、轮重减载率、蛇形运动临界速度、垂向轮轨力以及横向轮轨力的影响。低阶（1-5阶）不圆对脱轨系数影响较小，脱轨系数最大值不超过0.03;轮重减载率随车轮不圆波深基本呈线性增长;临界速度随不圆阶数的增加而降低，下降速率不同;随着波深的增加，车辆临界速度不断下降;垂向轮轨力随不圆阶数的增大先增大后减小;低阶车轮不圆对横向轮轨力影响不大，随着车轮不圆阶数的增加，对横向力的影响也越来越显著。　　(5)通过仿真研究车轮不圆对车轴应力的影响，结合车轴应力实测数据研究车轮不圆对车轴疲劳强度的影响。车轮不圆导致车轮内侧车轴的应力幅值增大，并且应力幅值随车轮不圆波深和车辆运行速度的增加而增大;多阶车轮不圆能导致车轴应力曲线出现小幅值应力循环，车轮不圆阶数越高，小循环次数越多;对齿轮箱动应力和加速度信号进行时域和频域的分析，表明车轮20阶不圆是导致齿轮箱发生异常振动的主要原因。　　高速铁路车轮不圆化问题的研究是难度较大的课题，有关建立更精确更加符合实际的模型，各阶不圆共同作用下车轮不圆的衍化规律，还有待进一步深入研究。
作者：	袁雨青
专业：	车辆工程
导师：	李强
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文