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原文传递车轮踏面伤损对高速列车动力学行为的影响

论文题名：	车轮踏面伤损对高速列车动力学行为的影响
关键词：	高速列车;车轮;踏面伤损;动力学行为
摘要：	车轮踏面伤损如车轮磨耗、多边形、扁巴等是近年来高速铁路研究的重点和难点问题，随着列车运营速度的提高，车轮伤损现象日益严重。伴随着车轮外形的改变，轮轨关系更加复杂，车辆系统动力响应也发生变化，对运动稳定性、运行平稳性、安全性以及运行可靠性都有很大影响。本文重点围绕车轮磨耗、多边形、扁巴等车轮踏面伤损对轮轨几何型面匹配、轮轨接触力学行为和车辆系统动力学性能的影响，通过仿真与试验相结合的方法，运用不同的模型进行了详细的分析。具体的研究内容有以下几个方面: 　　(1)根据京沪线路实测某高速列车车轮磨耗数据，将车轮磨耗分为均匀垂直磨耗、非对称磨耗、车轮不圆磨耗（车轮多边形）等。根据实测踏面/轮缘磨耗量和磨耗范围，总结出踏面/轮缘磨耗随运营里程的关系;同时通过分析磨耗量与等效锥度、接触角等接触几何参数的关系，给出车辆运动稳定性随等效锥度的变化过程。在横移3mm位置，接触角差和等效锥度的比值都在27左右，这为没有实际踏面磨耗外形时进行动力学性能研究提供了依据。　　(2)为了研究车轮磨耗对车辆动力学性能的影响，建立了车辆多刚体系统动力学模型;为了研究车轮不圆磨耗所引起的高频振动对车辆系统动力学性能的影响，建立了考虑车体、构架、轮对弹性振动的刚柔耦合动力学模型。采用一种新的车轮多边形的数学模型，该方法中车轮半径沿车轮圆周方向变化，同时考虑了轮径变化对轮轨关系的影响;在前人的基础上，对车轮扁疤的数学模型行改进，采用变化车轮半径的方法模拟车轮新、旧扁疤，同时考虑车轮半径对轮轨接触状态和接触参数的影响。　　(3)为了明确刚体动力学模型和刚柔耦合动力学模型在具体计算结果上的差异，尤其是车轮多边形引起的高频振动对车辆动力学性能的影响，对比计算了两种模型下标准车轮、多边形车轮和扁疤车轮的动力学性能，对比计算车辆稳定性、平稳性和曲线通过性能等，为界定两种模型的使用范围提供依据。　　(4)利用非赫兹接触理论，从轮轨接触几何关系入手研究车轮磨耗对轮轨接触行为的影响，推导了非赫兹轮轨接触模型，运用Matlab编制了可求解任意轮轨外形的轮轨法向接触程序。分析了一个磨耗周期内均匀垂直磨耗和实测京沪线上占主导地位的4种多边形以及新扁疤车轮的轮轨法向接触应力。同时，运用Kalker简化理论，求解了一个磨耗周期内轮轨蠕滑力。　　(5)利用线路跟踪试验所测得的S1002CN磨耗踏面数据，在多体动力学软件SIMPACK中生成不同磨耗里程踏面，计算均匀垂直磨耗和非对称磨耗对高速车辆动力学性能的影响，其中非对称磨耗考虑轮径差工况和实测非对称磨耗工况。根据实测踏面磨耗量，拟合出不同磨耗里程下的磨耗外形，进行动力学计算;通过对非对称磨耗的动力学仿真计算，明确了高速动车组轮径差的允许限度。　　(6)利用刚柔耦合动力学模型对京津线上占主导地位的1阶、3阶、6阶和11阶车轮多边形进行仿真计算:假设车轮型面不发生变化，只有车轮圆周方向圆度发生改变。只考虑车轮周期性多边形且同一轮对上的两个多边形车轮不存在幅值和相位的差异，计算高速运营状态下周期性多边形的车轮振动响应、轮轨垂向力等动力学指标。针对高速列车车轮多边形的动态特征，提出由轮轨垂向力来判定其安全区域。　　(7)利用新、旧两种扁疤模型，对高速车辆轮轨冲击动力效应进行仿真分析。计算结果表明:新、旧扁疤轮轨冲击力规律不同，旧扁疤产生轮轨垂向冲击力随车速增大而增大，在高速条件下远大于新扁疤产生的垂向冲击力。簧上质量和簧下质量对P1力和P2力的影响不明显，同时用轮轨垂向力来确定车轮扁疤限值。
作者：	王忆佳
专业：	车辆工程
导师：	曾京
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文