（载运工具运用工程专业论文）重载货车轮轨动力作用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 铁路运输以其速度快、运量大、安全、能耗低等优势成为人类最重要的交 通工具之一，对世界的经济发展发挥着十分重要的作用。自2 0 世纪6 0 年代以来， 许多国家认识到发展重载运输是铁路扩能增效的一种有效途径，于是纷纷大力 提高货车轴重，并针对货车轴重增加导致轮轨动力作用加剧问题开展了广泛研 究，研制出了各种重载货车低动力作用货车转向架。铁路在我国交通运输中一 直起主导作用，但运能与运量矛盾十分突出，急需发展重载运输，因此铁道部 己决定发展2 5 t 轴重低动力作用货车以将目前货车2 1 t 轴重提高到2 5 t 。“八五”至 “九五”期间，国内对重载货车轮轨动力作用进行了研究，并研制出了几种低 动力货车转向架，但试验表明整体不甚理想。 目前我国正对转k 2 型交叉支撑式转向架作为新一代2 1 t 轴重货车主型转向 架进行推广运用。在此基础上又研制了2 5 t 轴重转k 6 型交叉支撑式转向架，并投 入到重载运输。本文结合我国正大力发展提速、重载货车以实现快速、低轮轨 动力作用重载运输的背景，对重载运输引起轮轨动力作用加剧等问题进行了分 析，并分析讨论了降低重载货车轮轨动力作用的车辆及线路技术措施。这对于 我国发展重载运输的决策与未来重载主型货车转向架选型具有很强的现实意 义。 论文首先建立了装用三大件式转向架的重载货车轮轨动力作用仿真模型， 并在建模时充分考虑了货车非线性因素。然后在此基础上计算分析了重载化措 施对货车轮轨动力作用的影响。最后从车辆和轨道方面分析了降低重载货车轮 轨动力作用的技术措施，对转向架降低轮轨动力作用的技术改造和重载线路工 务维护方面提供了建议。 关键词：重载货车；轴重：轮轨动力作用；转向架 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt r a i l s p o r t a t i o i i 咖d ，r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nh a s m 卸ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲s p e e d ，b 培v o l 啪e ，s a f e t y 孤d1 0 wc n e 唱yc o n s u m i l l g ，、地i c ht a k e s a l li m p o r t a mp a ni i le c o n o m yd e v e l o p m e n ti n 也ew o d d f r o m 1 9 6 0 s ，m a n yc 0 1 l l l 城e sr e a l i z e dm a td e v e l o p 咄h e a 呵h a u l 缸i g h tc a r i sa ne 疏c t i v e w a y t oi m p r o v er a i l w a yt r 鼬s p o r t a t i o nv o l u m e t h u s 也e s ec o l l n 埘e sb e g a nt oi n c r e a s e a x l el o a do f 骶i 曲tc 戤a 1 1 dt a k ef n r a l l g i n gr e s e 盯c ho nt h ew h e e l 订a c ki n e r a c t i o n w o r s e n e db ya x l e1 0 a di l l c r e a s i n 昏s e v e r a lk i n d so fl o wt r a c kf o r c eb o 百e sf o rh e a v y h a u l 行e i g h tc a rw e r ed e s i g n e d r a i l w a ya l w a y sp l a y sg u i d i n gr 0 1 emo u r 拄a n s p o r a t i o ns y s t e m b u ti i l c o n s i s t e n c yb e m e e nr a i l 打a n s p o r t a t i o nc a p a c i t ya n dn e e d si sq u i t e s e r i o u s t h u sh e a v yh a u l 劬n s p o r t a l i o ni sn e e d e du 唱e m l y s om i n s t 哆o f r a i l w a yh a s d c c i d e dt od e v e l o p2 5 t a x l e - 1 0 a d 疗e i g h tc a rb o g i ew i t hl o ww 血e e l t r a c ki t e r a c t i o n ，i n o r d e rt oi n c r e a s ea x l el o a do f 确g h t 胁n2 l tt o2 5 t f r o m “t h ee i g h t hf i v e y e a rp l a n ” t o “t h en i n t hf i v c - y e a rp l a n ，w h l 眦kd y 芏l 锄i cf o r c eo f h e a v yh 锄l 疵i g h tc a ri s i 1 1 v e s t i g a t e db ys o m ed o m e 嘶ct e s e a r c h e r s ，a n ds e v 盯a lk i n d so f 矗e i g h tc 缸b o g i e s w i t l l1 0 ww h e e l 仃，址kd y n a i a i cf o r c ew e r ed e v e l o p e d b u tt e s t ss h o w e dm a tm o s eb o 百e sw e r en o ts oe f r e c t i v ei nr e d u c i n gd y n 锄i cf o r c e a st h em a i n 2 1 t a x l e l o a d 缸i 曲tc a rb o 百eo f n e wg e n e r a t i o n ，m eb o g i ez k 2i s b e i n gp o p u l a r i z e di no wc o u m r ya tp r e s t t h ec r o s s b r a c i l l gb o 百ez k 6w i t l l2 5 t a x l el o a dw a sd e v e l o p e db 弱e do nt l l eb o 百ez i ( 2 ，a n dw a su s e di nh e a v yh a u l t r a l l s p o r t 撕o n b a s e do nt h eb a c k 乒o m do f h e a v yh a u l 丘e i g h tc a rw i mh i g h e rs p e e di sb e i n gd e v e l 叩c dt or c a h z er a p i dh e a v yh a u l 仃a i l s p o r t a t i o n 、i l l l1 0 ws t a n d a r d 仃a c k f o r c e ，也e 也e s i sa n a l ) ，z e st h ew h e e 脚a c kd ”锄i cf o r c ew o r s e i lb ya x l e1 0 a di n c r e a s i n g t h e i ls o m em e m o d st o1 0 w e rd y n 锄i cf o r c eb 咖y e e l lh e a v yh a u l 疗e i 曲tc a ra n d 仃a c ka r ed i s c u s s e d n sq u i t em e a i l i n g f i l lt od e v e l o p0 1 1 rh e a v y h a u l r a i l w a yt r a n s p o r f a t i o na 1 1 dc h o o s et l l eh e a _ v yh a u l 舶i 曲tc a rb o g i e 血t h e 舢m e f i r s t l y ，t h eh e a v yh a u l 疔e i g h lc a rm o d e lw i t l lt h r e e p i e c eb o 百e si sb u i l t ，i n c l u d _ i n gm a i l yn o n l i n e a rf a c t o r so f 矗e i g h tc a l s e c o n m y ，m ei n n u e n c e so nw h e e l t r a c ki n t e r a c t i o nr e s u l 廿n g 丘_ 0 ma x l e1 0 a di n c r e a s 血go f 舭i 曲tc 缸a r e 孤a l y z e db a s e do n 也i s m o d e l f i n a l l y ，s e v e r a l 矗e i t h tc a ra r l d 仃a c km e t h o d st or e d u c ew h e e kd v n a m i c f o r c ea r eg o t t e n s o m ea d v i c eo f 丘e i g h tb o 百et e c n i q u ei n l p r o v e m e n t s 姐dt r a c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 m a m t e n a n c e st 01 0 w e rw h e e 价r a c kd y n a m i cf o r c ei sp u tf b n a r da sw e l l k e y w o r d s ：h e a v yh a u lf r e i g h tc a r ； a 】( 1 el o a d ；w h e e 价r a c ki i l t e r a c t i o n b o g i e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景及意义 发展重载运输，大幅度提高列车重量是铁路扩能增效的一种有效途径。自 2 0 世纪6 0 年代以来，发展铁路重载运输得到了世界上越来越多国家的重视，一 些幅员辽阔、资源丰富、煤炭、矿石等大宗货物运量占较大比重的国家发展尤 为迅速。1 9 8 6 年1 0 月，在第三届国际重载铁路会议上提出的国际重载铁路协会 章程中，确定重载铁路运输为年运量为2 0 0 0 万t 的线路、列车重量达到或超过 5 0 0 0 t 、列车中车辆轴重在2 l t 以上，具备以上条件之二者，可视为重载运输。 实现重载运输有两种途径：扩大列车编组，增加列车长度，开行长大列车： 提高轴重，加大车辆的每延米重量，发展大型货车。从世界发展重载运输的技 术发展趋势来看，因现有站线、牵引制动和控制等问题限制了列车长度增加， 因此尽可能提高列车每延米轨道有效载重，充分利用现有站线长度，已逐渐成 为重载铁路运输的主流。目前，美国和加拿大重载运输线上的货车轴重一般为 3 0 t ，且正在研制轴重3 5 t 、总重1 4 0 t 的大型车辆；澳大利亚重载铁路运输轴重 一般为3 0 3 2 5 t ，现也逐渐提高到3 5 t ，甚至有发展4 0 t 的计划；俄罗斯重载列 车轴重于1 9 9 2 年己达2 5 t ，南非窄轨重载铁路也采用了大型货车，平均轴重已 达2 6 t 吼 铁路在我国交通运输中一直起主导作用，承担着全国7 0 的货运量和近6 0 的客运量，但铁路路网总里程仅有7 万多公里，线路上还有不少5 0 k m 钢轨， 技术设备差，客货混跑，发展速度缓慢，运能与运量的矛盾十分突出，尤其在 沿海繁忙干线运能严重不足，故发展重载运输迫在眉睫，因此铁道部于2 0 0 0 年 发布的铁路主要技术政策规定：“使用轴重2 5 t 低动力作用的大型四轴货车、 进一步提高列车重量和运输效益”，即将目前货车轴重由2 1 t 提高到2 5 t 。 然而，随着货车轴重的增加，轮轨间的相互动力作用特别是垂向动力作用 不断增强，车辆对轨道结构的破坏作用及线路变形也随之加剧，引起轨道部件 伤损、轨道结构失效、线路状态恶化；同时由于列车重量增大，长度增加，车 辆轴重增大，列车运行中的牵引力及制动力加大，制动空气压力波传递时间加 长，因此重载列车的受力情况远较一般列车复杂。列车的冲动，断钩、脱钩、 脱轨，以至货物及车辆设备损坏增多、轮轨磨耗加剧等已成为重载铁路运输的 突出问题。因此必须寻求合理措施来改善轮轨动态相互作用以确保重载运输安 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 已实现将轴重爨羹蓑i 一i x l 墅瑟瘫| a 珊6 薹蒋莉；骖么鬟茫骧夔誉斋篷澎埔 诱。 l 、；? i 茹弦e 馨矬揩 则羹螬錾骢塑霾爨餮舀冀嚣登l 目训i j 。凳鐾萄蠢帚趔萋形莹卜耋萃礤野纵髓删 缈艨卵担莹涸蠼囊嚣塞碗韬鋈 需醺裂l 錾叶妻襄骚鹱蘩j 锋形酶茬蔷lr 邑； 赫阁型j 础型藿涩瑚拦咯曦型蓊到；鳋螫童璧鹱蓊型警咎访问策略必须指明目 标域 i f ( t a r g e t d o m a i n id = = n u u ) l h r o w e x c e p t i o n ( ”) ； t a r g e t p o l i c y 是已解折好的目标资源策略 t a f g e t d o m a i n = t a r ge t p o l i cy g e t d o m a i n ( t a r g e t d o m a i n i d ) ； i f ( t a r g e t d o m a i n = =n u l l ) t h r o w e x c e p t i o n ( ”) ； c r e d s 是目标访问策略中ro l e u s t 节点中的授权角色及时间限制 c r e d s 为空时表示任何授权角色都可以执行该目标访问策略 a c c e s s r u l e 表示访问规则。( 暂不考虑i f 语句) a c c e s s r u l ea r = n e w a c c e s s r u l c ( t a r g e t d o m a i n ，c r e d s ，i f _ 芦t a t m e n t ) ； s t r i n ga c t s = t a r g e tn o d e g e t a i t r i b u t e s ( ) g e t ( “a c t i o n s ”) ； o b j e c ta c t = n u l l ； i f ( a ct s = = n u ui ia c t s i n t e i n ( ) = = ”) a c t s = ”； a c t = ”；) j a v au t i l e n u m e r a t i o na c t i o n s = n c wj a v a u t i l s t r i n g t b k e n i z e “a c t s ，“，) ； 处理一个目标访问策略中的所有行为 w h i le ( t m e ) i f ( ac t i _ n u l l ) r i l le s 表示访问策略 j a v au t i l v c c t o rv 1 = a a v a u t i l v e c t o r ) m l e s g e t ( a c t ) ； 对第一个行为的处理 i f ( v1 = = n u l l ) r u l e s p u t ( a c t ，v 1 = e wj a v a u t i l v c c t o r ( ) ) ；) 访问策略中行为名相同的访问规则放在一起 v 1 ad d ( a r ) ； ) ) i f( ! a c t i o n s h a s m o r e e l e m e n t s ( ) ) b r e a k ； a c x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 先后组织开行了6 5 0 0 8 0 0 0 t 组合列车，有效缓解了运能紧张的局面，但也暴露 了技术落后，设施不配套等问题； 1 9 9 0 至1 9 9 2 年，大秦线建成开通后，进行了大量的单项试验、综合试验和 开行试验，并于1 9 9 2 年分别正式开行了单机牵引6 0 0 0 t 、双机牵引1 0 0 0 0 t 的单 元式重载列车，车辆为轴重2 1 t 的c 6 3 a 。随着大秦线设备的进一步配套和运营 管理措施的完善，大秦线年运输能力可达1 亿t 以上。大秦线开行重载列车的 成功，使我国铁路重载运输水平跃上新台阶； 1 9 9 2 年以后，对沿海繁忙干线进行技术改造后开行了整列式重载列车，牵 引重量不低于5 0 0 0 t ，货车平均轴重约2 l t 。在目前线路状况下，开行整列式重 载列车对繁忙干线的扩能增效具有普遍意义，京广、京沪等繁忙干线均固定车 次开行了5 0 0 0 t 的整列式重载列车。 我国重载运输是在技术装备落后，运能与运量矛盾十分突出的背景下发展 的，开行重载货物列车的实践推动了我国铁路运输组织改革、设备更新和科技 进步，为我国铁路发展重载运输积累了成功的经验。但我国目前运能与运量的 矛盾仍较突出，需进一步发展重载运输，而我国主型货车轴重还停留在2 1 t 水 平上。虽然目前大秦线试验开行了2 5 t 轴重总重2 0 0 0 0 t 的重载列车，以将年运 输能力扩大到2 亿t ，但离重载运输发达国家普遍采用大货车轴重实现重载运输 还有较大差距。结合我国线路状况，车辆部门已研制了c 7 6 、c 8 0 等敞车，为开 行2 5 t 轴重重载货车做准备。 1 3 低动力货车转向架发展现状 世界各国在提高货车轴重并开行重载列车的同时，研制了各种新型货车转 向架来减小轮轨间动作用力，以提高轮轨 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 针对南非窄轨铁路上开行重载单元列车引起轮轨磨损严重的问题，尤其是 通过小半径曲线时剧烈的轮缘磨耗，南非铁路工程师sche仃el率先开发出自导 向径向转向架，并将其普遍应用到运营中。sche艉1转向架保留了传统三大件结 构和摩擦减振装置，增加了一个安装在每轮对承载鞍上的副构架( u 型臂) ，在 前后副构架上增加了两根交叉支撑铰接连杆机构，并在承载鞍与侧架间增设了 剪切刚度较小的橡胶垫。此种结构允许转向架前后两轮对在曲线上有合适的摇 头约束，且增大了转向架的抗剪刚度，使侧架不易发生菱形变形，因此轮对更 能趋于径向位置通过曲线，并在直线上保持有足够的置餮垆潺囊剖挚垂稚。睁 旃；薛铺两岛酵鄹怕非v 瓤酢趔酗玎露荔雨翻薪甄j 骊刊“铋话潞薛髀蓠篇篱； 盘阵攀鬻d 啦舅垂爱彭垦引含用户的d n 名，则从证书缓存中取出用户的属性证 书( 可能有一个或多个) ，分别和角色分配策略中用户属性签发者的授权角色 求交集得到用户该属性证书在访问控制策略中被授权的角色，最后再求角色 并集，其结果就是用户在该访问控制策略中的最大权限集( 一个或多个角色) 。 两个角色集求交集或并集主要是判断它们之间的包含关系。求交集时如 果a 包含b 就返回b ，如果b 包含a 就返回a ，否则返回空。求并集蠼患比果a包含b就返回b，如果b包含a就返回a，否则返回空。求并集时如 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的动力学性能，能满足120km，11的运用要求。 为适应发展重载运输降低轮轨动力作用的迫切需要，国内研制了多种2 e 轴 2 5 l 轴重低动力作用转向架。“八五”至“九五”期间，由齐厂牵头，国内铁路 科研院所参与研制的2 e 轴重载货车转向架，仍采用三大件形式，侧架交叉支撑 和轴箱橡胶垫等技术，研制出2 e 轴中交叉支撑低动力作用转向架和转k 6 型下 交叉支撑低动力作用转向架，并将这两种转向架装用于c 7 6 c 全钢单浴盆运煤专 用敞车。同时，株洲车辆厂也研制出了2 5 t 轴重低动力作用焊接构架式转向架； 眉山车辆厂在吸收美国摆动式转向架基础上研制出2 e 轴摆动式转向架。但多次 动力学试验表明，这几种转向架整体效果不太理想。眉山车辆厂于2 0 0 3 年引 进南非s c h e 彘1 径向转向架技术，研制出三大件式货车自导向径厚芦囊剽j 湘 篷襄揣鞘捌量引瞽誊毒赢碳谢甬誊雕而商著甜毹唧衙旃嘲藜掣晷等器jd 寰磊 揣型蠹烈掣e 吲弱躁勰一甜铽箭以辄秆凌并。禹酶嚣群囊哺懈伟穗研哆：防 臼嘻琊渤h 獬瀚滔凄眍渍? 绉睦澎惺强滞泸滔咂赵翠玉镤哩岷溪堰臻雌蟛 譬垤臻蚕罂蕴型告；毯苟眷委占矗豁烈遴j 韵劳训嘶委币涮董? 墓存* 箭姜 烈器兵器描黼群鞋酣* 二韩0 铂摹勇判秒已比较过整个访问控制策略的目标覆盖域 并确定已经包含用户的访问目标，访问规则里可能有一个行为对应的多个目 标域都包含用户请求的目标，但用户在该目标域不一定具有执行该行为所需 的最小角色权限集。访问规则里只要有一个目标域媚勘暧虿灰欢哂兄葱懈眯形k 的最小角色权限集。访问规则里只要有一个目标域包含用户请求的目标范围，x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 首先，采用多体分析方法，能够得到一个通用的自动建立数学模型的方法。 这种方法，不仅能够求解车辆垂向、横向、纵向的空间动力学问题，而且还能 对他们之间的耦合模型进行分析。由于这种方法的通用性，它除了能对已有的 车辆模型进行各种动力学分析外，还能对未来出现或设计中的车辆模型进行动 力学分析，这对加快各种新型车辆的设计和研究很有帮助。 其次，多体分析方法可与有限元技术和模态分析方法接口。随着车辆动力 学模拟的深入，对钢轨、道床、接触网、车体等这些柔性体不能以个刚体来 代替，而必须考虑它的弹性变形。目前，主要是采用有限元离散化方法与模态 分析方法。由于有限元方法与模态分析方法已相当成熟，这样多体分析方法可 以借鉴它们的现有成果，结合物体的大位移运动来对含有弹性变形的多体系统 进行分析。依据这一思想，可对由车辆与轨道或桥梁、受电弓与接触网等刚体 和柔性体组成的复杂系统建立一个精确的刚柔耦合三维模型，从而可以较全面 地模拟轨道、车辆的动力学性能，为各种新型高速重载低轮轨动力作用机车车 辆的设计和确定高速或重载线路结构、参数提供可靠的依据。 2 2 3s l m p a c k 软件概述 德国航空航天局( d l r ) 于1 9 8 2 年成功开发了著名的多体系统动力学软件 m e d q a 后，1 9 8 5 年推出了采用相对坐标系递归算法的s 订p a c k 动力学仿真 软件，并很快应用到欧洲航空航天工业。 1 9 9 6 年，m e c 公司推出世界著名的s ，a c kw h e e l 瓜a i l 铁道模块。 s m 位a c k w h e e 豫a i l 模块是s 讧p a c k 软件的附加模块，它可以对铁路系统动 力学进行仿真分析。s m i p a c k 软件具有和f e a 、c a d 、c a c e 软件的广泛接 口，友好的操作界面、经过实验验证的轮轨接触建模以及优异的仿真精度和仿 真效率，使s v i p a c k 作为多体系统仿真工具已广泛应用到铁路行业仿真领域， 到2 0 0 2 年底，全球l o o 多种车辆是在s m 眦k 的帮助下设计完成的。 s 麟c kw h e e l r a i l 模块具有以下特点： 1 ) 全新的递归算法、相对坐标系以及子结构建模方法： 2 ) 全新的轮轨接触模型； 3 ) 丰富的车辆建模单元数据库与线跷模型库； 4 ) 对不平顺线路完善的时域分析与频域分析能力； 5 ) 快速稳定可靠的求解器可高效地实现全自动的变参数优化计算： 6 ) 及时准确的模型试验验证能力。 利用s 证p a c kw h e e 慷a i l 模块，工程师可以快速建立起铁路车辆轮轨系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 动力学模型，包含关节、约束、各种外力或相互作用力，并自动形成其动力学 方程，然后利用各种求解方式，如时域积分，得到系统的动态特性或进行频域 分柝。 2 3 轮轨动力作用模型 本节基于前述轮轨系统动力学与多体系统动力学理论，建立了三大件式货 车转向架的s 嗍c k 轮轨动力作用仿真模型，介绍了非线性因素的处理方法。 2 3 1s i m p a c k 轮轨动力作用模型 车辆系统是一个复杂的多刚体系统，它通过悬挂装置和减振装置将各刚体 连接起来。三大件式货车转向架采用轴箱导框式结构和中央悬挂方式。每辆货 车均由车体与两台结构性能参数相同的二轴转向架组成，在对车辆系统进行动 力学计算时，忽略车辆问的相互影响，将单辆车作为研究对象。根据转向架的 结构特点，在建立动力学模型时作如下假设： ( 1 ) 车体、侧架、摇枕、轮对均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形； ( 2 ) 车体、转向架结构对称； ( 3 ) 横向运动和纵向运动为弱耦合： “) 不考虑钢轨的弹性变形，但采用集总参数法将轨道考虑为弹性支承。 在忽略各部件本身的弹性变形条件下，货车可视为复杂的多刚体、多自由 度系统来处理。图2 4 是三大件式货车转向架s 珊【p a c k 仿真模型。建模时，车 体、摇枕、侧架及轮对等的质量与转动惯量等属性通过s d 啦狻c k 的b o d y 来定 义，所有零部件之间的运动连接形式用铰j o m t 和约束c o n s t r a i n t 来定义，同时 定义了各个零部件的自由度，计算中两种货车系统自由度选取的具体情况如表 2 1 所示。转向架上的弹簧、减振器、各种止挡等以力元件f 0 r c e 来定义。 表2 1 货车系统自由度的选取 自由度名称 分离体 伸缩横移浮沉侧滚摇头点头 车体t y cz c屯y 。眈 摇枕 晚y 6 侧架 y 。三j破 致馥 轮对 z w_ y 。z w夺：y 。 六 注：带+ 为非独立的自由度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 4 三大件式货车转向架仿真模型 2 3 2 货车非线性因素及简化方法 本文对货车系统进行动力学分析时，全面考虑了包括轮轨接触几何关系、 轮轨蠕滑率和蠕滑力以及悬挂特性非线性等因素，介绍如下： 2 3 2 1 轮轨接触几何非线性 在对机车车辆进行动力学线性分析时，常采用“等效锥度”、“等效轮轨接 触角”将轮轨接触几何关系线性化。实际上，当锥形轮对有较大幅度的横移时， 车轮轮缘常接近或贴靠钢轨，轮轨接触几何关系呈现明显的非线性关系，随着 磨耗型踏面车轮的推广应用，必须考虑这种非线性因素的影响。 本文采用u 磨耗型踏面和6 0 k g m 钢轨相匹配。由于s 讧p a c kw h e e 慷a i l 模块中默认的轮轨接触关系是欧洲的轮轨关系( s l 0 0 2 聊c 6 0 ) ，所以在建模前需 先将l m 磨耗型车轮踏面和6 0 k g m 钢轨轨头数据按照s 慨c k 的格式要求做 成文件并通过s m 妇p a c k 的处理程序生成轮轨接触关系以供模型调用，如图2 5 所示。 2 3 2 2 非线性轮轨蠕滑力 具有弹性的钢质车轮在弹性钢轨上以定速度滚动时，就会在车轮与钢轨 的接触面间产生一种极为复杂的蠕滑现象，同时在轮轨接触斑上产生纵向蠕滑 力、横向蠕滑力及自旋蠕滑力力矩。蠕滑力只有在蠕滑率很小的时候两者才呈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 现线性关系，而实际上车轮在钢轨上运行的极大多数工况下蠕滑力与蠕滑率是 呈非线性关系的。 本文采用最常用的k a l k e r 简化非线性滚动接触理论求解蠕滑率及蠕滑力， 可以在计算结果和精度方面得到较好的统一。 图2 - 5l 磨耗型踏面与6 0 k g m 钢轨配合的轮轨关系 2 3 2 3 非线性悬挂 车辆悬挂存在许多非线性因素，对于三大件式转向架货车主要有： 1 ) 间隙与止挡，如轴箱与导框间存在横向和纵向间隙，以满足轮对在曲线 上运行时能转动灵活。由于轴箱悬挂采用导框式定位，而轴箱与导框存在纵向、 横向间隙，因此，一系悬挂力呈非线性。以横向为例，当轴箱与导框的横向位 移小于横向间隙时，此时，横向力为干摩擦力；若轴箱与导框横向相对位移大 于横向间隙时，即轴箱与导框互相接触，此时横向力既有摩擦力，又有止挡力。 要童窒望查堂堡主塑塞生堂垡笙塞 篁! ! 蔓 - _ _ - l _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ l l l _ _ - _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ - - - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ 。一一一 纵向的分析与横向类似。纵向简化计算模型如图2 6 所示。 图2 6 轴箱导框纵向简化计算示意图 一系悬挂纵向力t 可表达为： c = 毒甜水瓯 p t ， 其中，f ，为轴箱导框间滑动摩擦力，其方向与轴箱导框间相对滑动速度方 向相反，占。为轴箱与导框纵向间隙，工为轴箱导框相对位移，e 为止挡刚度， 在s 蝴c k 中将置处理为大刚度。 同理，参照式2 1 ，一系悬挂横向力f ，可表达为： 耻p 一毛 y 如i ( 2 2 ) l f r + k 。( y 一占，)l y i 占， 。 2 ) 干摩擦阻尼非线性，如摇枕和楔块，楔块与侧架导框之间，干摩擦阻尼 在运动方向发生改变的同时，其摩擦力方向也发生改变。三大件式货车转向架 采用干摩擦减振装置删，其工作原理如图2 ，7 所示，当摇枕向下运动时，摇枕 与楔块，楔块与侧架立柱磨耗板之间都产生相对位移。车辆系统振动的能量通 过楔块与摇枕、楔块与侧架立柱磨耗板之间的摩擦转变为热能，并使之消散在 空气中，从而达到衰减车辆振动的目的。摇枕与侧架相对楔块的运动发生改变 时，楔块两摩擦面的受力方向会同时发生改变，如图2 _ 8 所示。 由文献【2 8 】可知，当摇枕向下移动z 时，楔块向下移动z ，而摇枕与楔块 之间的相对位移为最，楔块与侧架立柱磨耗板之间的相对位移为占。图2 8 中口 和芦分别为楔块与摇枕、楔块与侧架立柱磨耗板接触面的倾角，则： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 第3 章轨道不平顺激励模型 线路激励是引起轮轨系统振动的根源，受轨道不平顺激励，轮轨系统会产 生振动。一般而言，轮轨系统激励可分为非确定性和确定性激励“。非确定性 激励主要是轨道几何随机不平顺。确定性激励则主要由车辆和轨道两方面的因 素组成，车辆方面的因素较单一，主要有车轮擦伤、车轮踏面几何不圆顺及车 轮偏心等。而轨道方面的因素较复杂，大致包含：钢轨脉冲型不平顺，如低接 头、轨缝、轨面擦伤等：轨下基础缺陷，如道床板结等；轨道谐波型不平顺， 如三角坑、波浪形磨耗等。轨道垂向不平顺可用谐波输入来描述，因此本文也 将其归入到轨道谐波型不平顺中。由于车轮缺陷的维修、更换作业相对于轨道 结构较容易，车轮维护费用也比轨道结构低得多，因此本文只考虑了轨道方面 的部分关键因素，未涉及车轮缺陷、脉冲型不平顺及轨下基础缺陷。 3 1 非确定性轨道激励模型 轮轨系统中非确定性轨道激励模型主要是轨道随机不平顺。实际线路的几 何状态受到众多因素的影响常表现出明显的随机性，这些因素包括：钢轨初始 弯曲，钢轨磨耗、伤损、轨枕间距不均，道床的级配和强度不均、松动、板结， 路基下沉不均匀，刚度变化等，这些因素的综合作用构成了轨道不平顺的随机 特征。 轨道随机不平顺的统计特征只能依靠线路实地测量获得。轨道不平顺统计 特征的测定，在国外早已引起重视，英国是世界上开展这一研究的最早国家之 一，在1 9 6 4 年就开始了这项测试工作。目前，英、曰、德、美、俄、印度、捷 克等国家都测定了各自的轨道不平顺谱密度与相关函数。相对而言，我国在这 方面所做的工作还远远不够，至今尚未形成自己具有代表意义的轨道谱。1 9 8 2 年铁道部科学研究院罗林等【3 2 1 讨论了各种轨道不平顺的测量方法，用“魄性基 准法”测量了轨道不平顺，并对大量轨检车实测的不平顺数据进行了分析处理， 列举了轨道不平顺的样本记录功率谱密度。1 9 8 5 年长沙铁道学院随机振动研究 室p 3 1 将轨道不平顺分为弹性和几何不平顺，先后3 次用地面测试方法在京广线 测定了轨道不平顺，并进行分析处理得到了各种不平顺谱，统计出我国i 级干 线轨道不平顺功率谱密度的解析表达式。但是，由于种种条件限制，两单位早 期研究中获得的轨道谱分辨率精度都不够，尤其是样本数据太少( 当时长沙铁道 学院测取的数据仅数百米，铁道部科学研究院测取的数据也只有数十公里1 ，所 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 0 页 以都不能代表我国铁路轨道不平顺的统计特征。 鉴于此，9 0 年代末，我国铁道部科学研究院对我国轨道不平顺进行了深入 细致的研究，在我国各主要干线约4 0 0 0 k m 在轨检车检测到的数据和部分地面 测量数据的基础上，经筛选、分类、计算及统计分析后，提出了我国主要干线 高低、水平、轨向三种轨道不平顺和部分轨道长波不平顺的功率谱密度，其中 包括重载线、提速线、准高速线、高速试验线、不同轨道结构以及特大桥梁等 各种情况下的轨道不平顺功率谱密度。 下面列举国内外几种典型轨道不平顺功率谱密度。 3 1 1 美国轨道谱 美国联邦铁路管理局( f r a ) 根据大量实测资料得到线路不平数功率谱密 度，拟合成一个截面频率和粗糙度常数表示的偶次函数。其波长范围可达 1 5 2 扯3 0 4 8 m ，轨道级别分为六级 “】。 ( 1 ) 轨道高低不平顺 ) = 焉c m 2 m a d ( 3 1 ) ( 2 ) 轨道方向不平顺 蹦q ) - 热c m 2 删( 3 - 2 ) ( 3 ) 轨道水平及轨距不平顺 郴胛) = 矿卷嚣丽c m 2m a d ( 3 3 ) 其中 s ( q ) 一功率谱密度函数： n 一空间频率； 4 、以一粗糙度函数； q 。、q 。一截断频率； 七一系数，一般取o 2 5 。 所有轨道级别的粗糙度参数及截断频率如表3 1 所示，表中还同时列出了 根据行车安全标准制定的不同等级线路所允许的车辆最高运行速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 1 页 表3 1 美国轨道谱解析表达式的参数 参数各级轨道的参数值 符号单位级v 级级i 级级i 级 4 。 c i 矿r a ( o 0 3 3 9o 2 0 9 5 0 5 3 7 60 6 8 1 61 0 1 8 l1 2 1 0 7 以c f l r n 曲 0 0 3 3 90 0 7 6 20 3 0 2 7o 4 1 2 81 2 1 0 73 3 6 3 4 q 。m o 4 3 8 0o 8 2 0 91 1 3 1 2 0 8 5 2 00 9 3 0 8o 6 0 4 6 q 。 r a o 8 2 4 5o 8 2 4 5 0 8 2 4 50 8 2 4 50 | 8 2 4 5o 8 2 4 5 货车最高运行速度n 向 1 7 61 2 89 6 “4 01 6 客车最高运行速度0 m ) 1 7 61 4 41 2 89 6 4 82 4 3 1 2 德国两速轨道谱 ( 1 ) 轨道高低不平顺 驷) 2 耐热锄2 础a a ( 3 _ 4 ) ( 2 ) 轨道方向不平顺 ) = 若c m 2 删( 3 - 5 ) ( 3 ) 轨道水平不平顺 ，= 耐黑蕊舞高c m 2 m 甜协s ， ( 4 ) 轨距不平顺 原没有给出轨距不平顺的功率谱密度表达式，但规定了轨距不平顺在 一3 0 衄范围内变化。文献【1 6 认为，一般轨距不平顺功率谱密度与水平不平顺 具有相同的表达式，并给出了轨距不平顺功率谱密度解析表达式： = 而杀c m 2 劬d ( 3 - ，) 其中，4 。是基于轨距不平顺在一3 0 m m 范围内变化经试算得出的参考值，6 为滚动圆距离之半。租糙度系数和截断频率见表3 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 页 3 2 2 轨道波浪形磨耗激励模型 如图3 2 ，通常把钢轨沿纵向面出现规律性的类似波浪形状的不平顺现象， 统称为波浪形磨耗( 简称波磨) 。钢轨波磨时世界各国铁路上广泛存在的一种主 要的钢轨踏面损伤类型。2 0 世纪6 0 年代，我国铁路一些区段就曾出现过钢轨波 磨现象，2 0 世纪7 0 年代后期，发展非常迅速，而且分布面也越来越广。尤其是 近年来我国铁路不断向重载、高速发展，波磨的影响更加严重，致使波磨成为 铁路部门急待解决的问题。文献 3 7 】对部分铁路局波磨情况进行了统计，发现国 内多数铁路局都存在不同程度的钢轨波磨现象，而且波磨随着轴重增大、运行 速度提高而加剧。 图3 2 轨道波磨示意图 一般轨道波磨激励，可用对两股钢轨施加同相位的单波正弦不平顺来模拟 输入，左、右轨面垂向位移的表达式同式3 1 4 。 3 2 3 轨道垂向不平顺模型 轨道垂向不平顺是指钢轨表面在同一轮载作用下形成的沿长度方向的高低 不平现象。它能激起机车车辆的垂向振动，并能使轮轨间产生很大的垂向动作 用力。一般用左、右轨垂向不平顺的平均值来表示轨道的垂向不平顺。 为了充分反映轨道垂向不平顺对轮轨动力作用的影响，可在左、右轨垂向 上同时输入同相位、同幅值的正弦谐波以模拟轨道垂向不平顺，正弦谐波表达 形式如式3 1 4 。 3 3 本章小结 本章介绍了几类主要的轨道不平顺激励模型，包括随机不平顺轨道谱和典 型的确定性激励模型，其中部分激励模型在后续章节的重载货车动力学分析中 将会用到。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 6 页 第4 章重载化对货车轮轨动力作用的影晌 4 1 重载货车轮轨动力作用的评价体系 轮轨系统的功能中心是轮轨间的相互作用，而轮轨间的动力作用则是这种 功能发挥得好坏的关键因素，是引起机车车辆与轨道线路系统振动、冲击、疲 劳、损伤的根源，导致轮轨系统状态破坏与功能丧失的主要原因。因此，最大 限度地减轻轮轨间的动力作用，是确保铁路轮轨运输系统长期处于良好状态并 高效运转的关键所在。我国发展现代化铁路，正以此作为技术突破口，建设新 型低动力作用快速、重载铁路轮轨系统。 4 1 1 轮轨动力作用的评价体系 影响轮轨相互动力作用的因素是多方面的，不仅包括机车车辆结构形式、 悬挂参数，而且涉及到轮轨界面几何不平顺、接头状态及车轮擦伤、踏面圆顺 度等参数。由于车辆系统与轨道系统结构相互影响、相互制约、构成了一个相 当复杂的动力学闭环反馈系统，要用系统工程的方法，综合分析各种结构参数 及其匹配关系，从而做出最佳的选择。在进行轮轨系统参数优化时，如何评价 轮轨系统的低动力作用是直接判定系统参数设计合理与否的关键，现有研究成 果已指定了一套衡量重载铁路轮轨动力作用的评价体系【1 “ t 9 ，“】，共包括轮轨垂 向高频力只，轮轨垂向中低频力只等1 5 项指标。为了便于比较各种车辆技术措 施对轮轨动力作用的影响，且本文侧重研究车辆的低动力技术措施及车辆动力 学性能，故选用1 5 项指标中的1 0 项评价指标作为本文研究轮轨低动力作用的 评定尺度： ( 1 ) 轮轨间垂向动作用力只，( k n ) ： ( 2 ) 轮轨最大接触应力a k ( m p a ) ； ( 3 ) 最大轮轨横向作用力q o ( k n ) ； ( 4 ) 车辆蛇行临界速度嘭( k n 泊) ； ( 5 ) 车体垂向平稳性指标矿 ( 6 ) 车体横向平稳性指标彬。 ( 7 ) 轮对对钢轨的冲角妒( d e 曲； ( 8 ) 脱轨系数q p ； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 7 页 ( 9 ) 轮重减载率p p ； ( 1 0 ) 轮轨磨耗功率即蠕滑力与蠕滑率的乘积彬( k n 劬，m ) 。 其中第( 1 ) 项直接反映轮轨间的垂向动作用力，是导致车轮扁疤、轨头破损、 螺栓孔裂纹、鱼尾板折断、轨道变形及轨下基础破坏的主要原因。第( 2 1 项反映 轮轨的接触情况，国内外大量的研究工作表明，轮轨间的接触应力是导致轮轨 踏面疲劳剥离，引起疲劳伤损的关键因素【3 9 】。第( 3 ) 项反映轮轨间横向作用力， 是导致轨排横移、线路横向变形的主要根源。第( 4 ) 项则反映车辆最大运行速度。 第( 5 ) 、( 6 ) 项反映货车运行的平稳性，是确保运送货物完整性的关键因素。第( 7 、 项为轮轨间冲角的大小，反映车轮爬轨的可能性及轮轨之间的磨耗倾向。第f 8 ) 项是车辆抗脱轨性能的衡量指标，综合反映了轮轨间横向力与垂向力的变化程 度。第( 9 ) 项反映车辆在轨道上运行时的安全性。第( 1 0 ) 项反映轮轨间的磨耗大 小。 上述1 0 项指标除临界速度以外均应越小越好，而且最大不能超过各自规定 的限定值。根据国家标准g b 5 5 9 9 8 5 ，货车车体振动加速度的最大值，垂向 0 7 9 ，横向o 5 9 ，脱轨系数不得超过1 2 ( 第一限度) 和1 0 ( 第二限度) ，同时还 规定了横向力等标准。 4 1 2 重载货车的研制目标和要求 增大货车轴重和提高货车每延米载重是提高货运能力最简单和最经济的途 径。铁路主要技术政策已提出将大型货车的轴重提高到2 5 t 。随着轴重由现 有通用货车的2 l t 大幅提高到2 5 t ，将加剧轮轨间的静、动力作用，列车对轨道 结构的破坏作用及线路变形的影响也随之加剧，而我国铁