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含极端工况的高速轮轨载荷及车轴动应力分析

含极端工况的高速轮轨载荷及车轴动应力分析

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作者：郑贞琼北京交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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车轮损伤下地铁车辆曲线脱轨动态特性研究

车轮损伤下地铁车辆曲线脱轨动态特性研究

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作者：崔晓飞北京建筑大学

学位级别：硕士

地铁车辆具有时变载荷变化大,站间距离短,运行环境恶劣,频繁启制动等特点,导致车轮在运营过程中磨损严重,甚至容易出现沟槽、多边形、扁疤等异常损伤的情况,这些损伤直接导致轮轨接触关系恶化,对行车安全造成危害,尤其在曲线行车时加上... 详细信息

地铁车辆具有时变载荷变化大,站间距离短,运行环境恶劣,频繁启制动等特点,导致车轮在运营过程中磨损严重,甚至容易出现沟槽、多边形、扁疤等异常损伤的情况,这些损伤直接导致轮轨接触关系恶化,对行车安全造成危害,尤其在曲线行车时加上外轨超高与线路不平顺的影响,使轮轨作用剧烈,车辆适应性变差,发生脱轨的可能性大大提升,而车辆脱轨是一个极为复杂的过程,受到许多外部因素的影响,难以采用单一理论公式来有效的对其进行评价。因此有必要针对地铁车轮常见损伤形式,利用车辆不同运行工况进行综合分析,更全面的研究其对车辆脱轨的影响,对于保障车辆系统安全稳定、提升城市轨道交通运营经济与社会效益均具有积极作用。本文依据实际地铁列车参数建立车辆系统动力学模型,针对地铁车轮常见损伤,仿真计算车辆曲线正常行车时损伤车轮对轮轨动态作用和运行安全性的影响,同时通过施加在车体重心位置的横向载荷作用模拟车辆曲线动态脱轨过程,并分析车轮损伤对地铁车辆动态脱轨的影响,从而对车轮损伤影响车辆曲线脱轨动态特性进行综合分析。论文中主要开展了以下研究工作:（1）基于多体系统动力学理论,在SIMPACK软件中构建国内某型地铁车辆模型,依据实际运行条件,分别设置300m与1000m半径曲线线路,同时考虑线路不平顺的影响,为后续的研究提供理论模型基础。（2）通过在车辆曲线运行过程中对车体重心位置施加逐渐增大的横向力作用,模拟车辆曲线脱轨过程,并对动态脱轨过程中车辆的动态行为与轮轨作用进行具体分析,确定出可以准确描述车辆脱轨过程的动态脱轨指标。（3）根据沟槽损伤形式的特点,建立不同深度和宽度的沟槽车轮型面,分析发现沟槽损伤使曲线正常行车时的轮轨动态作用与运行安全性指标产生小幅波动,与车轮无损伤时相差不大,其对车辆动态脱轨的影响也较小,但在小半径曲线线路下随沟槽损伤程度的增加有使车辆脱轨提前的趋势。（4）通过对不同阶数与波深的多边形车轮损伤下曲线脱轨动态特性的分析,发现在正常行车时多边形损伤对轮轨垂向作用影响很大且波深的增加可显著降低运行安全性,在300m半径曲线线路下,9阶多边形波深为0.2mm时的轮重减载率超出规定限值,同时,多边形波深对动态脱轨过程影响也较大,波深的增加使车辆在曲线上脱轨时间提前,为保障行车安全,对于多边形车轮的镟修应从小半径曲线运行下的轮重减载率来考量。（5）借助MATLAB软件生成不同长度的扁疤损伤数据,并对车辆曲线脱轨动态特性进行分析,得出正常行车工况下,扁疤长度的增长导致轮轨垂向力、轮轴横向力与轮重减载率均超过安全限值,在300m半径曲线中扁疤长度为20mm时,轮重减载率就已超出规定限值;车辆脱轨工况下,两种曲线线路均在扁疤长度达到20mm时使脱轨时间提前,且扁疤损伤导致大半径曲线线路下对车辆动态脱轨影响相比小半径曲线时更大;通过对两种工况的综合分析,将车轮扁疤长度镟修限值提前至20mm,可使扁疤损伤对车辆脱轨的影响降到最低。

关键词：地铁车辆车辆系统动力学模型车轮损伤动态脱轨

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