含极端工况的高速轮轨载荷及车轴动应力分析

作     者：郑贞琼 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金新灿

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：轮轨载荷 车轴动应力 线路实测 车辆系统动力学模型 道岔通过 扁疤冲击 

摘      要：轮轴作为高速列车重要的承载部件,对车辆的安全运行起到了举足轻重的作用,研究其实际运行时的载荷和动应力特征可为结构设计、优化、服役寿命预测等提供重要的参考。本文以国内某型高速动车组轮轴为研究对象,依托大西客运专线典型工况的轮轴载荷和动应力数据,结合扁疤冲击、道岔通过及组合工况仿真模型,从线路实测和数值仿真两个角度研究了不同工况下的轮轴载荷和动应力特征。具体研究内容如下:（1）根据测力轮对的贴片原理及方案,完成轮轴静态加载标定试验,处理并分析不同工况下的静态标定数据,分析不同方向作用载荷之间的影响,得到轮轴垂向、横向载荷应力传递系数。（2）借助载荷应力传递系数处理线路实测数据,提取不同速度直线工况和不同半径曲线工况的应力/载荷时间历程,编制相应载荷谱和应力谱,分析这些典型工况下的轮轨载荷及车轴动应力的分布特性。结果表明,直线工况下,速度对轮轨主频载荷和车轴主频应力的影响较小,载荷/应力变化区间会随着速度的提高而增大;曲线工况下,轮轨载荷和车轴应力都发生了明显的偏移,偏移程度与曲线半径和线路超高密切相关,具体表现为曲线对应的平衡速度与列车实际运行速度相差越大,轮轨载荷和车轴应力相对直线工况偏移越明显。（3）利用多体动力学仿真工具SIMPACK,根据动车组参数建立刚柔耦合车辆系统模型,其中为精确研究轮轴载荷和动应力特性,考虑将轮轴柔性化处理;根据高速客运专线的道岔型号,选用42号可动心轨单开道岔,通过提取关键截面数据和插值非关键截面建立直向通过道岔和侧向通过道岔模型;将车轮扁疤考虑为车轮圆周上的局部失圆,建立不同尺寸的扁疤模型。（4）通过数值仿真,得到扁疤冲击、道岔通过以及组合工况下的轮轨载荷和车轴关键节点动应力,分析这些极端工况对轮轨载荷和车轴动应力的影响特征。结果表明,扁疤长度对轮轨载荷和车轴动应力有明显影响,随着速度的提升,轮轨垂向载荷和车轴关键截面应力均呈现先增大后减小的趋势,低速工况下扁疤冲击会严重影响车轴疲劳寿命;车辆通过道岔转辙区和辙叉区会发生明显的轮轨冲击;扁疤车轮高速直向通过道岔时,轮轨载荷伴随重复性高频冲击,且转辙区轮轨垂向力以扁疤冲击为主、辙叉区以道岔冲击为主,组合工况产生的轮轨载荷和动应力峰值均大于单一工况产生的峰值。图86幅,表12个,参考文献102篇。