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《西南交通大学》 2014年
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高速列车车轮多边形问题研究

陈伟  
【摘要】:随着高速列车运行线路不断增加,高速列车在运营一定里程后车轮圆周方向出现多边形磨耗。车轮多边形会加剧轮轨动态作用,产生高频轮轨冲击振动,对轨道和车辆部件产生破坏,恶化乘客乘坐舒适性,高速列车车轮多边形问题已经引起铁路部门和科研院所越来越多的关注。 目前,国内外学者对车轮多边形问题的研究主要集中在1~5阶不圆,而现场实测已经发现存在20阶车轮不圆;车轮多边形问题是轮轨关系的难题之一,其形成机理比较复杂,目前国内外还没有明确的解释。因此,有必要对高速列车车轮多边形问题进行全面深入研究。 本文首先采用谐波函数方法来描述车轮踏面周期性不圆顺,建立考虑车轮多边形化的高速列车车辆轨道系统动力学仿真模型,研究高速列车车轮1~25阶多边形化对车辆动力学性能的影响规律;然后,基于现有国内外铁路、汽车和机械加工等领域对多边形问题的研究成果,探讨分析高速列车车轮多边形形成机理;最后,考虑车轮多边形,分析车辆轨道相关动力学参数的变化对车辆动力学性能的影响。 以前分析车轮多边形形成机理时,通常认为车轮多边形边数近似等于轮轨振动系统引起的激励频率与车轮转动频率之比,即两者相除为整数。本文提出一种新观点:当高速列车轮轨振动系统激励频率与车轮转动频率相除出现余数时,也可能产生车轮多边形。当系统自激振动频率与车轮转频之比为整数时,车轮滚动一周会形成Ⅳ阶车轮多边形;当两者之比出现余数时,车轮滚动多周形成Ⅳ阶车轮多边形。车轮20阶多边形可由车轮滚动1周、3周或7周形成,当车辆运行速度为300km/h,车轮滚动圆半径为0.43m时,对应系统自激振动频率分别为616Hz、205.3Hz和88Hz。 仿真过程中没有考虑轨道谱激扰的影响,结果表明:对于6~25阶车轮不圆,轮轨垂向力随着波深、不圆阶数和速度的增加而增大,尤其是10阶以上高阶不圆,增加速度更快;对于1~5阶车轮不圆,轮轨垂向力并不随着速度的增加而增大。前者对轮轨横向力的影响不容忽视,后者对轮轨横向力影响较小。车轮多边形化对脱轨系数和平稳性指标影响很小,车辆系统蛇行失稳临界速度随着车轮多边形化谐波阶数、波深的增加而降低,正常圆形车轮时临界速度为449km/h,而波深为0.1mm,25阶不圆时临界速度只有408km/h,降低9.1%,高阶不圆的影响更大,不容忽视。根据轮轨垂向力上限值170kN,确定在速度为200、250、300、350km/h四个等级时,分别对应10、15、20和25阶不圆顺波深限制值,为保证列车高速运行安全提供参考。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:U270.33;U270.11

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【参考文献】
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