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原文传递冲击振动系统的动力学及其在车辆蛇行分析中的应用

论文题名：	冲击振动系统的动力学及其在车辆蛇行分析中的应用
关键词：	车辆蛇行分析;冲击振动;参数优化;轮轨冲击
摘要：	冲击振动系统由于约束、间隙的存在使得系统成为了典型的非光滑系统，从而具有了复杂的分岔特性及转迁规律。许多机械系统都可以简化为含间隙、约束的冲击振动系统，研究此类系统中冲击振动的模式类型、分岔特性、转迁机理可以为系统的参数动态优化、故障诊断等提供重要的理论基础。关于此类问题的研究常常针对单侧或双侧的单一约束种类，采用单参数的研究方法，但这很难实现对参数的动态优化，也无法深入了解多间隙、约束共同作用下冲击振动系统的动力学特性。铁路车辆蛇行运动特性的研究是动力学研究中的一个重要方向，目前的研究普遍针对无轮轨冲击时稳定的蛇行运动，而铁路车辆运行的复杂环境条件、不断提升的运行速度等都有可能使得铁路车辆发生蛇行失稳。这使得在较大速度域研究铁路车辆系统的蛇行运动特性，掌握发生轮轨冲击后的车辆系统的动力学特性成为了迫切需要解决的问题。本文针对含多间隙、约束的两自由度受迫振动系统，以及其在包含轮轨冲击振动的非线性轮轨关系下车辆蛇行运动中的应用为研究对象，主要开展了以下几方面的研究。　　首先，研究了含多处单侧刚性约束、间隙的两自由度受迫振动系统。通过提取关键参数激振力频率ω和两质块之间的间隙δ进行双参数协同仿真，在关联各个约束的(ω,δ)-参数平面获得了系统周期运动的模式类型和存在区域，与此同时在与之相对应的三维空间获得了最大冲击速度三维曲面图以及系统的三维分岔图。这样，以周期运动在双参数平面的模式类型和存在区域为主要研究手段，结合最大冲击速度三维曲面图，三维分岔图就可以对周期运动在整个双参数平面的模式类型、存在区域、最大冲击速度、分岔特性有一个全方位的深入了解。通过研究，揭示了基本周期运动群、非完整颤冲击振动、粘滞运动的转迁规律。发现了相邻基本周期运动转迁的不可逆性，并由此产生了两类转迁域：舌状域和迟滞域。围成舌状域和迟滞域的共四条边界线相交于奇异点。多间隙、约束条件下由于各约束面处冲击振动的叠加作用，使得舌状域的边界发生破裂。舌状域中主要包含亚谐运动和未识别的灰色区域，其中亚谐运动的模式类型主要为(np+1)/n或(np+2)/n(p=1,2,…;n=2,3,…)，并且不受到舌状域边界破坏的影响。最大冲击速度的峰值一般出现于基本周期运动1/1的存在域，亚谐冲击振动的存在域以及少部分未识别灰色区域。讨论了在基准参数的基础上，改变系统参数对于系统动力学特性的影响。通过以上的研究方法，为含多约束、间隙的冲击振动系统提供了一种一般性的研究方法，同时可以根据研究的需要有效提取所需信息。　　其次，研究了含单侧及双侧刚性限位约束的两自由度受迫振动系统。采用前面提出的研究方法，发现当激振力全部作用于受双侧刚性约束限制的质块时，系统在低频率域于多处约束处表现出了复杂的周期运动转迁规律，并于多处约束面处出现了粘滞运动。重点研究了系统参数中阻尼系数ζ、质量分布比μm、刚度分布比μk对于系统周期运动模式类型、分布区域、转迁规律，以及最大冲击速度的影响。　　最后，将冲击振动系统中处理非光滑因素的研究方法应用到包含轮轨冲击的高速列车转向架系统蛇行运动特性分析及参数动态优化中，分别研究了其在直线轨道和曲线轨道条件下的动力学特性。在研究中重点考虑了更加贴近实际的非线性轮轨关系，同时引入了在转向架系统大幅蛇行失稳时出现的轮缘力这一强非线性作用力。分别在直线轨道和曲线轨道条件下，通过双参数协同仿真的研究方法，得到了系统参数和转向架系统运行速度构成的参数平面上周期运动的模式类型和存在区域，其中包括稳定蛇行的运动区域，较小幅值蛇行失稳时无轮轨冲击振动的稳定极限环运动，以及包含轮轨冲击振动的周期运动；同时得到了轮对和轨道发生冲击振动时的最大冲击速度的三维曲面图。得到了一系纵向、横向悬挂刚度、二系悬挂刚度最优取值范围，得到了轮轨间摩擦系数、轨道曲率半径对于系统动态特性的影响。
作者：	王世俊
专业：	车辆工程
导师：	罗冠炜
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2021