轨道不平顺和车轮扁疤耦合作用对高速列车动力学影响分析

作     者：未向柳 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许贵阳;封全保

授予年度：2022年

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

主      题：轨道不平顺 扁疤 高速列车 刚柔耦合 轮对磨耗 

摘      要：中国高速铁路的运营里程和列车的运行速度在不断增加的同时,人们对于车辆运行安全和乘坐舒适性也更加重视。高速列车运行时间长且需要不断起动和制动,造成轮轨接触状态改变,导致车轮踏面产生磨损及扁疤等缺陷;长期运营还会造成轨道平顺性变差,影响车辆乘坐舒适性及运行安全。本文以高速列车为研究对象,以实测轨道不平顺、线路建设条件和车辆运行状态为影响因素,针对车轮扁疤故障,分别对刚性轮对、柔性轮对及板式无砟轨道车辆动力学模型进行研究,分析高速列车在轨道不平顺和车轮扁疤共同作用时车辆动力学性能及轨道状态,本文结果能够对存在扁疤故障的车辆实际运行性能研究形成一定理论依据。本文主要研究工作如下:1.对国内外轨道不平顺和车轮扁疤相关的研究成果和现状进行调研,确定本文研究方向和内容。2.对轨道不平顺进行研究,以中国无砟轨道高速轨道谱和德国低干扰轨道谱为重点,运用逆傅立叶变换理论实现轨道不平顺模拟。对实际检测轨道不平顺功率谱密度进行了计算,并应用轨道质量指数法对线路进行评价。3.应用SIMPACK多体动力学软件,完成多刚体车辆模型建模;通过有限元软件ABAQUS实现轮对柔性化建模工作,并将多刚体模型中轮对模型进行替换,实现柔性轮对车辆模型建模;对两种模型的临界速度进行了计算验证,发现柔性轮对车辆模型的临界速度略低;实现车轮扁疤故障文件计算,并成功应用于上述两种车辆动力学模型。4.中国无砟轨道高速轨道谱作为轨道激励输入两种车辆动力学模型,分析速度和扁疤对车辆直线运行平稳性、轮轨间作用力及曲线通过安全性指标的影响;发现车速和扁疤长度增加会造成直线运行平稳性和曲线安全性等动力学指标不同程度增加,同时会引起轮轨间作用力和轮对踏面磨耗深度和范围增加;根据实际检测的轨道不平顺发现轨向和轨距不平顺幅值存在异常增大现象,研究其对车辆运行影响,发现轨向不平顺增加严重影响多刚体车辆直线和曲线动力学指标,而柔性轮对车辆指标变化较小;对两种模型研究发现在考虑轨道不平顺的条件下当车轮扁疤超过20mm时,车辆运行速度应该限制在300km/h,线路轨向及轨距不平顺二级超限时车辆运行速度应低于250km/h。5.建立了车辆柔性轨道耦合模型,分析了轮对扁疤及轨道不平顺对车辆直线运行和轨道冲击的影响。结果表明在考虑轨道柔性时车辆横向平稳性指标低于刚性轨道模型,垂向平稳性指标与车辆刚性轨道一致;随着车辆运行速度增加,轮轨作用力和钢轨速度增加,钢轨位移下降。轨向和轨距不平顺存在二级超限时,轮轨横向和垂向平稳性和轮轨间横向力增加。研究了仅考虑车轮扁疤故障时,车辆速度增加导致车辆平稳性指标、轮轨垂向力及钢轨速度增加。