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原文传递跨座式单轨列车走行轮轮胎不均匀磨损机理及控制方法研究

论文题名：	跨座式单轨列车走行轮轮胎不均匀磨损机理及控制方法研究
关键词：	跨座式单轨;走行轮轮胎;不均匀磨损;走行踏面;轨道梁
摘要：	跨座式单轨车辆转向架多轮系、过约束的结构特征和小曲率多弯道的轨道线路特征，造成车辆走行轮轮胎不均匀磨磨损严重，其不仅带来了诸多安全、经济、环境等问题，还将阻碍跨座式单轨交通在全世界的进一步推广。本文从车辆结构参数、轮胎结构参数、轨道梁走行踏面构型等方面探讨走行轮轮胎不均匀磨损的机理，并找寻相应的控制方法。　　建立了考虑走行轮轮胎径向与侧向特性的15自由度跨座式单轨车辆动力学模型，并进行了对比验证。为充分考虑跨座式单轨车辆的运行工况，根据摩擦及磨损试验对Persson摩擦模型和Grosch磨损模型进行了修正与参数拟合，修正的摩擦及磨损模型充分考虑了滑移速度、接触压力、温度等因素的影响。利用修正的摩擦模型，建立了走行轮轮胎有限元模型并进行了试验验证，并利用车辆动力学模型输出的边界条件分析了其在小弯道运行工况时的接地压力、纵向剪切应力、侧向剪切应力、纵向滑移速度与侧向滑移速度；建立了走行轮轮胎磨损及不均匀磨损的评价指标，计算了走行轮各轮胎内、外侧胎肩及胎冠处的磨损量及磨损量偏度值，再现了走行轮轮胎的不均匀磨损现象。　　通过探索走行轮轮胎侧偏角、侧倾角及其组合对走行轮轮胎磨损与不均匀磨损的影响，建立了走行轮轮胎磨损及不均匀磨损的间接评价指标。探索了车辆使用因素（车速、载荷、轨道梁超高角）对走行轮各轮胎磨损的影响，提出适当降低车速、减小轨道梁超高角与适当提高载荷有利于减轻走行轮各轮胎不均匀磨损现象。研究了车辆结构参数中的二系悬挂参数和一系悬挂参数对走行轮各轮胎磨损及不均匀磨损的影响，结果表明，二系悬挂横向刚度、二系悬挂垂向刚度、走行轮轮胎径向刚度、走行轮轮胎侧向刚度、水平轮轮胎径向刚度、水平轮轮胎侧向刚度对走行轮各轮胎不均匀磨损的影响较大，且选取合适的参数值能一定程度减轻走行轮各轮胎不均匀磨损。其中优选前转向架（以前转向架为例）中前、后排走行轮轮胎侧偏角分别为0.5°、0.3°、-0.4°、-0.2°，而优选后转向架中前、后走行轮轮胎侧偏角为0.2°、0.2°、-0.2°、-0.2°。　　分析了跨座式单轨运行过程中走行轮轮胎的激励源，并初步判断由水平轮传至走行轮的侧向激励可能会激发其侧向低阶模态，导致不均匀磨损。由此，建立了走行轮轮胎有限元模型并分别采用自由模态试验、单胎约束模态试验和双胎并装约束模态试验进行了验证。计算了走行轮轮胎自由模态、单胎约束模态和双胎并装约束模态，发现了走行轮轮胎侧向一阶模态频率随约束条件的增加而不断减小，由此其侧向一阶模态被激发的概率大大提高。为更真实地反映走行轮轮胎运行过程中的模态特性，所建走行轮轮胎有限元模型考虑了其滚动效应，并根据行波理论计算了其侧向一阶工作模态。分析了速度、载荷、胎压、侧偏角对走行轮轮胎侧向一阶工作模态前、后行波频率的影响，并研究了前、后行波频率差与走行轮轮胎磨损量偏度值的关联关系，提出可采用前、后行波频率差作为走行轮轮胎不均匀磨损的评价指标。据此，分析了走行轮轮胎带束层钢丝帘线排布角度和弹性模量对前、后行波频率差的影响，并对带束层钢丝帘线角度和弹性模量进行了优化。通过本文研究还可知，适当提高走行轮轮胎径向刚度，适度降低走行轮轮胎侧向刚度，有利于减缓走行轮轮胎不均匀磨损现象。　　分别研究了斜平面构型、凹函数构型和凸函数构型走行踏面对走行轮各轮胎磨损与不均匀磨损的影响。引入了“虚拟外倾角”概念，对斜平面构型进行了优化，但由于轮胎载荷二次分配等原因，优化后的斜平面构型仅对内侧轮胎具有较好的效果，对外侧轮胎甚至起到了反向作用。由此，研究了曲面构型对内、外侧轮胎磨损与不均匀磨损的影响，并提出采用幂函数分别构造了凹函数构型走行踏面和凸函数构型走行踏面。分别优化了凹、凸函数构型走行踏面的相关参数，优化结果表明，凸函数构型走行踏面能显著改善外侧轮胎磨损与不均匀磨损，而凹函数构型走行踏面能显著改善内侧轮胎磨损与不均匀磨损。由此，提出了采用复合函数构型走行踏面，即内侧轮胎处走行踏面截面为凹函数而外侧轮胎走行踏面截面为凸函数，优化结果表明，相对于斜平面构型走行踏面，内侧轮胎磨损量偏度值下降8.9%，外侧轮胎磨损量偏度值下降5.5%，磨损总量下降0.2%。　　为进一步控制走行轮轮胎不均匀磨损程度，根据前述研究重构了走行轮轮胎模型与走行踏面构型，进而修正了跨座式单轨车辆动力学模型。基于此，分析了使用因素对走行轮各轮胎磨损与不均匀磨损的影响，研究结果表明：适当减小车辆过弯速度、适当增加车辆载荷有利于改善走行轮各轮胎磨损与不均匀磨损状态。论文还重点研究了二系悬挂垂向刚度、二系悬挂纵向刚度、二系悬挂横向刚度、水平轮轮胎横向刚度、水平轮轮胎垂向刚度以及水平轮轮胎预紧力对走行轮各轮胎磨损与不均匀磨损的影响，并对其进行了优选，其中前排走行轮轮胎侧偏角幅值进一步下降25%，后排走行轮轮胎侧偏角幅值进一步下降50%，不均匀磨损程度进一步得到有效控制。
作者：	李凯强
专业：	车辆工程
导师：	王国林
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020