车轮型面磨耗对轮轨接触特性及轨道、桥梁振动特性影响分析

发布时间：2020-11-22 03:37

　　 随着我国十几年来对高速铁路的鼎力发展,目前已形成世界上最大规模及最高运营速度的高速铁路网。轮轨关系作为车辆系统和轨道系统的连接纽带。随着列车速度的提高和大规模的投入运营,轮轨间的相互作用增强,轮轨磨耗问题变得更加突出。车轮型面磨耗会导致轮轨间的接触状态、振动特性等将受到影响,恶化轮轨接触匹配特性。进而关系到高速列车的运行品质。由于列车、轨道、桥梁系统的相互耦合作用,车轮型面磨耗势必也会对轨下结构的振动特性造成一定程度影响。本文依据国产某城际动车组动力学参数并基于固定界面模态综合法、柔性轮对理论接触及列车—轨道—桥梁大系统动力学方程,联立多体动力学软件UM和有限元分析软件ANSYS建立相应的列车动力学模型,建立列车—轨道—桥梁大系统刚柔耦合振动动力学仿真模型。系统研究高速列车型面磨耗对轮轨接触振动特性及轨道、桥梁振动特性,主要工作及其创新之处如下:(1)考虑轮对柔性的高速列车系统动力学模型:通过固定界面模态综合法建立柔性轮对子模型,建立柔性轮对下的列车多体动力学模型。(2)车轮磨耗规律研究:建立Archard车轮磨耗预测计算模型,设置相应的线路和速度工况,联合车辆动力学模型和轮轨接触分析模块,模拟列车在不同运营里程下车轮型面的磨耗变化。(3)车轮磨耗对轮轨接触振动特性研究:探究车轮磨耗后的型面对车辆的动力学性能影响,包括轮轨力、车辆振动特性及磨耗功率。轮轨接触斑面积、接触点分布等特性的变化规律。(4)车轮磨耗对轨道、桥梁振动特性研究:重点分析车轮不同里程下的磨耗型面对轨道、桥梁振动特性的影响,研究结果表明车轮型面磨耗对轨道、桥梁系统影响明显,且横向方向的影响要大于垂向方向。轨道板、桥梁梁体、桥墩结构横向振动位移和加速度指标随着车轮型面磨耗增加,逐渐增大。并且车轮型面磨耗会对轨道、桥梁整体结构主频发生偏移,幅值异常,对中高阶段的频率影响更多。建议轨道、桥梁结构设计过程中以及车线桥耦合动力学分析中,需要考虑轮轨型面发生变化后的影响,减小轮轨型面变化对轨道、桥梁结构造成的影响。(5)车轮磨耗对道岔振动特性研究:道岔是轨道线路的薄弱环节之一,以侧向通过18号道岔为对象分析车轮磨耗对轮岔作用的影响。高速道岔型面设计过程中,除衡量新轮情况下轮岔匹配的各项动力学指标关系是否合理,还需考虑与不同磨耗阶段车轮型面匹配的特性,从而优化尖轨、心轨等关键部位设计,提供列车通过道岔区间的动力学性能。
【学位单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U441.3;U211
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究目的与意义
    1.2 车轮磨耗机理及类型
    1.3 国内外研究现状与发展动态
        1.3.1 车轮磨耗研究现状
        1.3.2 柔性轮对建模研究现状
        1.3.3 车辆—轨道耦合动力学研究现状
    1.4 本文研究内容
第二章 车辆—轨道耦合动力学理论基础
    2.1 车辆—轨道耦合数值模型
        2.1.1 高速列车车辆模型
        2.1.2 轨道模型
        2.1.3 轨道不平顺模型
    2.2 轮轨空间耦合模型
        2.2.1 轮轨系统坐标系及其变换
        2.2.2 轮轨接触空间接触几何关系
    2.3 轮轨滚动接触模型
        2.3.1 FASTSIM算法
        2.3.2 非椭圆滚动接触算法
        2.3.3 轮轨多点接触算法
    2.4 Archard车轮材料磨耗计算模型
    2.5 本章小结
第三章 高速列车多体刚柔耦合动力学仿真模型
    3.1 柔性轮对理论基础
        3.1.1 柔性轮对动力学
        3.1.2 轮对运动方程
        3.1.3 车轮型面动力学
        3.1.4 轮轨力计算
    3.2 柔性轮对的建立与求解
    3.3 柔性轮对有限元模态计算
    3.4 车辆刚柔耦合多体模型建立
    3.5 本章小结
第四章 高速列车车轮磨耗预测计算
    4.1 针对车轮磨耗的复杂线路条件的设置
    4.2 仿真迭代计算过程
    4.3 磨耗规律与轮轨接触几何参数时变规律
        4.3.1 模型验证
        4.3.2 结果分析
    4.4 本章小结
第五章 车轮磨耗对轮轨接触振动及轨道桥梁振动特性研究
    5.1 列车—轨道—桥梁相互作用模型
        5.1.1 物理模型
        5.1.2 列车—轨道—桥梁作用动力学方程
    5.2 性能评价体系
        5.2.1 轮轨动力性能评定及标准
        5.2.2 桥梁动力性能评定及标准
    5.3 列车—轨道—桥梁耦合动力学模型建立
        5.3.1 桥梁概况简介
        5.3.2 轨道-桥梁模型
        5.3.3 Rayleigh阻尼参数分析
    5.4 仿真结果分析
        5.4.1 轮轨接触特性
        5.4.2 轨道、桥梁振动特性
    5.5 本章小结
第六章 车轮型面磨耗对过岔性性能影响分析
    6.1 变截面道岔模型
        6.1.1 道岔区钢轨轨头离散与外形生成
        6.1.2 道岔变截面模型生成
    6.2 列车-道岔耦合动力学模型建立
    6.3 过岔的振动特性分析
        6.3.1 轮岔作用力与蠕滑率
        6.3.2 轮岔安全性指标
        6.3.3 钢轨振动特性分析
    6.4 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 论文的主要结论
    7.2 论文的展望
参考文献
个人简历在读期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2894050