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原文传递基于柔性轮对的动车组轮轴疲劳寿命研究

论文题名：	基于柔性轮对的动车组轮轴疲劳寿命研究
关键词：	动车组;轮轴疲劳寿命;柔性轮对;结构刚度;辐板孔边碰伤
摘要：	随着列车运行速度的提高，线路对车辆的激扰频率范围更为宽广。轻量化承载结构的动态特性问题日渐突出。论文以高速动车组的轮对为对象，研究其结构刚度特性与车辆系统动力学行为和轮轴随机疲劳寿命之间的关系。研究车轮辐板孔碰伤位置和形状对辐板孔静强度和疲劳寿命的影响，提出了辐板孔边碰伤的修复方法。　　使用有限元法建立动车组动力轮对的结构动力学分析模型，获得1000Hz以内的轮对振型。给出了轮对扭转刚度、弯曲刚度和伞形刚度的定义。将车轴由“部分车轴”分成多段，通过改变“部分车轴”材料物理性能的方式，构建了具有不同刚度特性的轮对模型，改变轮对刚度导致各模态的特征频率变化，根据柔性体动力学理论，创建了车辆系统动力学研究模型，在模型中引入了轮对的结构刚度特性，分析车辆在不同计算工况下的动力学响应，研究轮对的刚度和各模态特征频率对车辆系统动力学行为的影响。研究结果表明，轮对伞形模态主要使轴箱和车轴齿轮处的横向振动加速度有较大程度的增大。一阶弯曲模态的引入使车辆运行稳定性降低，横向平稳性变差，使脱轨系数、轮轨导向力之和、整车的磨耗功率、轴箱与车轴齿轮处的横向和垂向振动加速度的值变大。轮对的一阶扭转模态和高阶弯曲模态对各动力学指标的影响较小。随着轮对刚度和模态特征频率的降低，对以上指标的影响增大。轮对刚度对轮轨垂向力、车辆运行垂向平稳性和轮重减载率的影响很小。　　通过研究齿轮箱的垂向相对振动加速度随车辆直线和曲线运行速度的变化关系，为车轴疲劳强度校核中簧下集中质量垂向振动加速度的取值提供参考。分析结果表明，车辆运行速度的提高使一系簧下集中质量的最大动态垂向相对振动加速度增大。　　使用临界距离法中的点法考虑缺口效应现象，采用基于临界面的适用于高周疲劳的Spagnoli多轴循环计数方法和等效应力幅计算方法对车轮辐板区域和车轴进行随机疲劳寿命预测，研究轮对结构刚度对车轮辐板区域和车轴疲劳寿命的影响。提出在三维有限元模型中使用约束方程模拟轮轴过盈配合和连接，使非线性接触分析线性化，得以在寿命预测过程中使用准静态叠加法得到结构的应力时间历程。研究结果表明，轮对刚度对车轮辐板区域的随机疲劳寿命有较大的影响，在论文给出的几种车轴刚度情况下，随着车轴刚度降低，车轮辐板区域的寿命降低。在车辆系统动力学模型中引入轮对柔性后得到的车轴疲劳寿命较小，车轮辐板处的刚度对车轴疲劳寿命的影响不大。　　为研究辐板孔碰伤位置以及碰伤缺口半径大小对其静强度和随机疲劳寿命的影响，建立了不同缺口半径的多个车轮应力计算有限元模型，对辐板孔碰伤进行模拟，基于UIC510-5标准中给出的超常载荷工况的载荷，评估辐板孔区域的静强度，基于刚-柔耦合车辆系统动力学分析所得的载荷时间历程，预测辐板孔的疲劳寿命。研究结果表明，碰伤缺口位置的不同导致结果存在很大差异，在不改变缺口深度的前提下，增大缺口半径可降低缺口的应力水平，增大疲劳寿命。
作者：	徐传来
专业：	机械设计及理论
导师：	米彩盈
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