（车辆工程专业论文）车轮踏面磨耗及轮径差对高速动车组动力学性能影响研究.pdf

中文摘要 摘要：随着铁路客运的高速发展，车轮缺陷成为影响列车运行安全性和稳定 性的一个重要因素。车轮踏面磨耗和车轮轮径差是车轮缺陷的主要表现形式，为 保证列车在高速运行下的安全性和稳定性，需要研究车轮缺陷对车辆动力学性能 的影响。 本论文以高速旅客列车c r h 2 3 0 0 为研究对象，应用多体动力学软件 s i m p a c k 建立高速车辆动力学模型，采用数值计算方法，研究了列车在存在不同 车轮轮径差及踏面磨耗缺陷工况下的运行特性，分析了高速列车的轮轨作用力及 主要动力学参数在不同缺陷工况下的变化特征。通过统计脱轨系数、倾覆系数和 轮重减载率等列车运行安全性指标及乘坐舒适度指标，并结合相关动力学标准， 提出了c r h 2 高速动车组轮径差允许限度。 本论文在分析车轮磨耗及轮径差对高速车辆动力学特性的影响方面，具有一 定的借鉴和参考意义，对保证高速旅客列车的安全可靠运行有一定的指导意义， 并将为制定相关标准提供参考。 关键词：高速列车；动力学；车轮踏面磨耗；轮径差；安全性 分类号：u 2 9 8 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dt r a i n ，t h ei n f l u e n c eo fw h e e ld e f e c t s o nt h eo p e r a t i o ns a f e t yi sb e c o m i n go n eo ft h ec r i t i c a lf a c t o r so ft h ee m u w h e e l d e f e c t sm a i n l yi n c l u d ew h e e lt r e a dw o r na n dr o l lr a d i id i f f e r e n c e w em u s ts t u d yh o w t h ew h e e ld e f e c t si n f l u e n c et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m ut oe n s u r et h es a f e t y o p e r a t i n g o ft h et r a i na c c o r dw i t hc o u n t r y sc r i t e r i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，h i g h - s p e e dp a s s e n g e rt r a i no fc r i - 1 2 3 0 0 、, v a sc h o s e na st h e s t u d y i n go b j e c t ，t h ed y n a m i cm o d e lw a sb u i l tb yt h ec a e s o f t w a r es i m p a c k b y s i m u l a t i n gt r a i no p e r a t i o n sa td i f f e r e n tw h e e ld e f e c t ss i t u a t i o n s ，t h em a i nd y n a m i c p a r a m e t e r s a n ds a f e t y o p e r a t i n g c r i t e r i o n s i n c l u d i n gw h e e l - r a i lf o r c e , d e r a i l m e n t c o e f f i c i e n t , d e c r e a s er a t i oa n dr i d ei n d e x e sw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，w h i c hw e r e v e r yh e l p f u lf o rt h es t u d yh o wt h ew h e e lw o r na n dr o l lr a d i id i f f e r e n c ei n f l u e n c et h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee m u t h e r ea r ea c a d e m i cv a l u e si nt h ea s p e c to fa n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft r a i n o p e r a t i n ga tt h ed i f f e r e n tw h e e ld e f e c t ss i t u a t i o n sw h i c hi n f l u e n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed y n a m i c so ft h ee m u t h ea c h i e v e m e n t so ft h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o nh a v e r e f e r e n t i a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a ls e n s e st op r o m o t eh i 曲s p e e dr a i l w a yp r o j e c to n g u a r a n t e e i n ga e r o d y n a m i cs t a b i l i t ya n ds a f e t yo f t h ee m u a n di ti sc o n t r i b u t et od r a f t r e l e v a n ts t a n d a r d s k e y w o r d s ：h i 曲- s p e e dt r a i n ；d y n a m i c s ；w h e e lt r e a dw o m ；r o l lr a d i id i f f e r e n c e ； s e c u r i t y c l a s s n 0 ：u 2 9 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 釉p f 月召日 导师签名：了垂兽辛乡 签字日期：岬年月，铂 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 归飙1 幽 5 9 仙 致谢 本文是在任尊松老师的悉心指导下完成的。从论文题目的选定、研究方案和 研究内容的构思到论文的撰写和修改都倾注了导师无限的心血。特别是老师在本 论文研究过程中对学生的严格要求和循循善诱启发式教育，让我受益匪浅。老师 对科研工作一丝不苟的敬业精神和高尚的人格将影响我的一生。感谢导师对我孜 孜不倦的教导，感谢导师对我人格品质的培养熏陶，以及在各方面对我无微不至 的关怀! 并祝老师永远健康幸福，硕果累累。 在实验室工作及撰写论文期间，张福全、张永贵等同学在我的论文修改方面 亦给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时，对支持帮助我完成学业的其他老师、我的家人、朋友表示诚挚的感谢! 1 绪论 从世界第一条铁路建成并开始通车，铁路逐渐成为了交通运输中的重要运输 方式之一，随着各种运输方式的竞争，提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会 发展的唯一出路。为此，从本世纪初至5 0 年代，德、法、同等国都开展了大量的 有关高速列车的理论研究和试验工作。高速铁路技术，至6 0 年代已进入实用阶段， 8 0 年代又取得了一系列新成就、新突破，使铁路进入了新时代。由传统的机车牵 引到动力分散配置的动车组形式，列车速度能够大幅度的提高，铁路运输的要求 提高也成为必然趋势。提高列车速度是铁路适应社会经济发展对运输业要求的必 然，从而各国发展高速铁路也成为一种趋向。但列车在高速运行情况下的动力学 性能和行车安全性是一个非常重要的问题，除车体本身的结构因素外，也有其他 一些不确定性因素对列车的影响也比较大增大，其中车轮缺陷对高速车辆的动力 学性能和安全性有着比较大的影响。本文主要研究车轮缺陷对高速车辆动力学性 能的影响，并探讨不同工况下车辆的动力学性能。 1 1 选题背景及选题意义 1 1 1高速铁路发展简史【1 - 3 】 实现“安全、快捷、舒适、经济 的运输是所有运载工具的设计准则。高速 铁路在这几个方面的卓越性能，给古老的铁路注入了新的活力使得具有1 7 0 年历 史的铁路重新焕发出勃勃生机，进入了其发展史上的第二个黄金时代，世界铁路 运输真正进入了一个以高速为特征的新时代。正如高速公路不同于普通公路一样， 高速铁路是区别于常规铁路、以现代高新科学技术为装备、全新类型的现代铁路， 它提供了高效、舒适、安全、可靠、洁净的交通运输大通道，成为2 l 世纪最富吸 引力的一种旅客运输方式。 目前世界上高速铁路技术最发达的国家是法国、日本和德国。1 9 6 4 年1 0 月1 日世界上第一条高速铁路一同本的东海道新干线正式投入运营时速达到2 1 0 k m h 。至今日本已建成东海道、山阳、东北、上越四条高速铁路，总长为1 8 3 6 k m 。 目前，日本正在建设的高速铁路有东北新干线的延长线和北陆、九州两条新干线 的4 个区段，长5 0 1k m 。下一步将继续建造北陆和九州新干线的其它区段，以及 北海道新干线长约1 0 0 0 k m 。还有1 2 条基本计划线，总长3 5 0 0k m ，高速铁路的 总规模将达到6 9 0 0l a n 。高速列车由最初的0 系列，发展到1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、5 0 0 、 7 0 0 系最高运营速度达到3 0 0 k m h 。 法国在高速铁路的建设中，汲取了日本的经验，考虑到线路与列车相互适应， 尽量降低线路的投资。长4 2 7k m 的t g v 东南线，于1 9 7 6 年开工。1 9 8 1 年南段 2 7 5k m 投入运用，最高运行速度为2 6 0 k m h 。1 9 8 3 年全线投入运用，最高运行 速度2 7 0k m h 。法国于1 9 8 9 至1 9 9 0 年建成t g v 大西洋线，最高运行速度3 0 0 k m h 。1 9 9 0 年5 月1 8 日试验最高速度达到5 1 5 3k m h ，创造了轮轨式地面交通的 世界记录，法国又于1 9 9 4 年建成t g v 北方线。2 0 0 7 年3 月1 3 日试验最高速度达 到5 7 4 8 k m h ，创造了轮轨式地面交通的世界记录。目前法国高速铁路的总长达 1 2 8 2k m 。 德国于1 9 8 2 年7 月新线动工，1 9 9 1 年建成通车，新线总长4 3 2k m 。德国的 模式是一部分地区修建新线，一部分地区是旧线改造，形成高速路网，而且是客 货混运，不同于日本、法国的高速客运专用线。德国的i c e 列车在新建线路上最 高运行速度为2 5 0k m h ，在改造线路上为2 0 0k m h 。目前，i c e 已经发展到了第 三代，拥有更快的运行速度，其构造速度3 3 0 k m h ，持续速度3 0 0 k m h ，属于动力 分散式。i c e 3 由八辆车组成，共1 6 个动轮，相当于i c e 2 动力的两倍。 英国发展高速铁路的方针，与以上二种模式不同，他们是改造既有线路，研 制新型机车列车，使运行速度提高，第一期目标是2 0 0 k m h ，第二期目标2 5 0k m h ， 目前i c 2 2 5 列车运行速度已达到2 2 5k m h 。 西班牙引进t g v 技术，于1 9 8 7 年到1 9 9 2 年建成了4 7 1 k m 高速铁路，最高速 度2 7 0 k m h 。意大利已于1 9 9 0 年建成2 8 9k m 高速铁路。此外西欧北美的许多国 家如奥地利、瑞士、美国、加拿大、南非、澳大利亚、韩国等国家都制定了或正 在实施高速铁路计划。 1 1 2中国特色的高速铁路发展之路 改革开放以来，我国的铁路建设和铁路交通得到了快速发展，在经过几次提 速后，铁路交通的运力得到大幅度提高。但是，随着我国国民经济高速平稳的发 展，对铁路运输提出了更高的要求。如何解决铁路运输制约经济发展的瓶颈问题， 人们自然想到建设和发展高速铁路和高速列车。在日本、法国、德国和意大利等 发达国家都有成功的高速铁路建设和管理经验，高速铁路在这些国家的经济发展 中确立了不可动摇的位置。虽然中国高速铁路发展与世界先进水平相比差距很大， 但经过中国科学家和铁路建设者不懈努力，已取得一系列突破和进展。 2 0 0 7 年1 2 月2 2 日，首列国产时速3 0 0 公里“和谐号 动车组列车( c r h 2 - 3 0 0 ) 2 在南车四方机车列车股份有限公司竣工下线。它的成功下线是我国铁路全面实施 自主创新战略取得的重大成果，标志着我国铁路客运装备的技术水平达到了世界 先进水平，中国也由此成为世界上少数几个能够自主研制时速3 0 0 公里动车组的 国家。相对于时速2 0 0 公里动车组，时速3 0 0 公里动车组的动力更加充沛，列车 的气密性、运行的平稳性、空气动力学性能等要求更高，技术难度也更为复杂。 由南车四方股份研制的时速3 0 0 公里“和谐号 动车组列车突出了“先进、成熟、 经济、适用、可靠 的方针，体现了中国特色和人性化的设计理念。 我国第一条高等级城际高速铁路一京津高速铁路于2 0 0 8 年8 月1 日开通运 行，直接服务于奥运。京津城际铁路下设北京南、亦庄、永乐、武清、天津5 大 站，终点站是天津东站。设计时速3 0 0 公里d , 时，最小发车间隔3 分钟，最大通 过能力2 0 对小时，每列车定员9 0 0 人，最大输送能力1 8 0 0 0 人小时。建成通车 后，京津两地直达3 0 分钟之内。 2 0 0 8 年4 月1 8 日，京沪高速铁路全面开工建设，计划5 年后建成。届时，乘 火车从上海到北京的时间，将由现在的约1 0 小时，缩短到5 小时。这条高速铁 路全长1 3 1 8 公里，总投资2 2 0 9 4 亿元，设计时速3 5 0 公里，采用轮轨技术，将由 中国自主建设。这是新中国成立以来一次投资规模最大的建设项目，也是目前世 界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路。京沪高速铁路自北京南站至上海 虹桥站，新建全长1 3 1 8 公里的双线铁路，贯穿北京、天津、河北、山东、安徽、 江苏、上海七省市，连接环渤海和长江三角洲两大经济区，与既有京沪铁路走向 大体并行，全线共设北京南、天津西、济南西、南京南、虹桥等2 1 个车站。京 沪高速铁路设计时速3 5 0 公里，初期运营时速3 0 0 公里，全部为高速动车组，规 划每年单向运送旅客8 0 0 0 万人，是目前京沪线年旅客运力的两倍以上 2 1 。 1 1 3选题意义 列车在线路上运行时，它与轨道之间的联系时通过轮轨接触来实现的，因此， 轮轨关系在列车轨道系统中起着一种纽带作用，它将列车和轨道联结起来，使二 者具有相互作用、相互影响的关系。轮轨关系在一定程度上决定了列车的运行特 征。 轮轨接触关系的核心主要取决于钢轨轨头和车轮踏面的外形，世界各国铁路 都根据本国实践经验，确定本国或本铁路公司的钢轨轨头和车轮踏面的形状。轮 轨经过长期使用磨损后，轨头和车轮踏面外形也逐渐发生变化，不再保持原来的 设计形状，致使轮轨之间的几何关系和接触状态不断地发生变化，这对列车运行 的平稳性和安全性都会产生一定程度的影响【4 】。 随着列车长期运行，车轮会出现踏面磨耗、轮径差等缺陷，这些缺陷会对轮 轨接触关系产生影响，进而影响列车运行的平稳性和安全性。随着我国成功开展 “动车组技术引进消化吸收再创新，我国的铁路步入全新的高速时代，研究车轮 缺陷对高速动车组动力学性能的影响对保证列车在高速运行下的平稳性和安全性 具有一定的意义。 1 2 论文的主要工作 本论文在应用s i m p a c k 软件建立车辆动力学仿真模型的基础上，仿真了踏面 磨耗前后、车轮存在轮径差及磨耗加轮径差等不同工况下列车在直线轨道上高速 运行，通过统计相应工况下车辆的动力学性能参数来讨论车轮缺陷对车辆动力学 性能的影响。 本论文的工作内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 以c l m 2 3 0 0 为基础建立高速车辆动力学模型 应用s i m p a c k 多体动力学软件，建立c r h 2 高速动车组动力学模型。即建立 包含车辆基本结构( 车体、构架和轮对) 及其约束关系和运动学关系的列车系统动力 学模型。 ( 2 ) 设置合理的车轮缺陷，计算不同工况下动车组动力响应，获得主要动力学 参数计算结果 运用s i m p a c k 软件对车轮踏面磨耗前后、车轮轮径差、踏面磨耗加轮径差进 行仿真，分析其在列车高速运行时其对车辆动力学性能的影响，主要包括轮轨力、 定位臂力、轴箱弹簧力、脱轨系数、减载率、乘坐舒适度指标等。 ( 3 ) 数值计算与结果分析 通过对列车在不同工况下的仿真数据的对比分析，获得了踏面磨耗前后列车 的动力学性能与速度的关系，确定了列车在高速运行时车轮轮径差对车辆动力学 性能的影响特性，得到列车在存在踏面磨耗及车轮轮径差时列车的动力学性能与 速度的关系，提出在车辆检修方面关于车轮踏面磨耗及车轮轮径差的相关参考标 准。 4 2 高速车辆动力学模型建立 高速列车系统是一个复杂的多体系统，各部件通过悬挂系统相连接。本论文 以c r h 2 - - 3 0 0 高速客车结构及参数为原型，利用s i m p a c k 多体动力学仿真软件 建立车辆动力学模型。本章将具体说明车辆动力学建模过程、原理及其相关问题。 2 1s i m p a c k 简介及多体动力学基本原理 2 1 1s i m p a c k 简介 s i m p a c k 是1 9 8 5 年由德国宇航局( d l r ) 开发的高端多体系统动力学仿真软 件。应用范围包括铁路、公路、控制的集系统建模，运动学仿真及分析计算。工 程应用中，首先利用s i m p a c k 基本模块建立机械系统的动力学模型，包含铰链约 束、各种外力或相互作用力，并自动形成其动力学方程，然后利用其强大的求解 器，以各种求解方式如时域积分来得到系统的动态特性，或频域分析得到系统的 固有模态及频率，快速预测复杂机械系统整机运动动力学性能和系统各部件所受 载荷，所以说s i m p a c k 软件可以被应用到产品设计、开发、优化的任何环节。 s i m p a c k 软件采用递归算法、相对坐标系以及子结构建模方法；拥有快速、 稳定可靠的求解器；完善强大的碰撞建模和求解功能；独有的和控制分析软件 ( m a t u 蝠) 双向的协同仿真技术；全参数化的机械系统和控制系统分析模型；独有 的源代码输出功能；唯一可以进行多体系统实时仿真的技术；快速高效、优化弹 性体建模和求解器；独有的软件一体化技术，使专业化模块和通用模块1 0 0 兼容； 完整、安全可靠的数据库管理技术；专业标准化的数据结果处理技术；功能强大 的专业化模块，使其可保证高的计算精度和稳定性。 s i m p a c k 的构成包括核心模块和和三个功能强大的专业化子模块，分别为 a u t o m o b i l e ( 汽车模块) ，w h e e l r a i l ( 铁道模块) ，e n g i n e ( 发动机模块) 。w h e e l r a i l 模 块是s i m p a c k 软件针对铁路行业开发的专用分析工具，利用s i m p a c k w h e e l r a i l 可以快速的建立铁路机车列车、线路的系统模型，并能够分析铁路行业涉及的全 部的动力学问题。 s i m p a c k 轮轨模型的特点为：在轮轨接触斑上的力，也就是车轮的法向力 和导向力可以通过将轮和刚轨看成是运动学约束，而不是传统的接触弹簧一阻尼 系统来计算得到，这样可以考虑轮轨之间的高频接触振动。而这种高频成份的振 动会大大降低时域内的积分步长，但对在给定精度内的动力学性能影响不大。因 5 此，“运动学方法”可以大大的提高计算速度，从而使s i m p a c k 能够满足行业应用 的需要，并能够达到期望的水平。s i m p a c k 软件所采用的完全的递归方法以及在 相对坐标系中建立运动方程的算法，使其在处理轮轨接触时建立最小数目的约束 方程。另外也可选择利用传统的接触弹簧一阻尼模型取代运动学约束模型，来建 立轮轨之间的接触关系。s i m p a c k 提供了许多不同的模拟轮轨之间的摩擦力的 方法。最常用的是k a l k e r 简化的非线性滚动接触理论，可以在计算速度和精度方 面得到较好的统一【4 j 。 2 1 2多体动力学基本原理 5 石】 列车运行时，系统中各组成构件将会产生各种力和位移的动力过程，这些力 和位移是由于机车列车与线路的相互作用以及机车与列车和各连接列车之间的相 互作用所引起的。列车系统动力学分析就是在给定条件下求解动力学方程的时间 历程。采用多体动力学方法建立铁路列车的系统方程可分为两类，第一类是一组 与系统自由度相同的常微分方程组( o d e s ) ： 彳孑= b 另一类是一组微分代数方程( d a e s ) ： m j + 彰名= f ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( g ，f ) = 0 ( 2 3 ) 其中，g 为广义坐标，必为广义质量矩阵； f 为广义力矩阵；旯为l a g r a n g e 乘子；痧为约束矩阵。九的定义如下： ，a 西 伤= 葛( 2 - 4 ) 对于列车系统的动力学仿真，轮轨的接触关系非常重要。为了减少计算时间 同时不失计算的准确性，通常将轮轨接触模型视为准弹性接触模型。关于轮轨接 触模型的设置将在本章第二节中介绍。 轮轨系统的运动可以用微分代数系统( d a e s ) 的坐标q ( t ) 来描述： m ( q ) i f l = 厂( g ，毒，兄，t ) - g 7 ( g ) 旯 g ( g ) = 0 ( 2 5 ) 式中，l a g r a n g e 乘子名( f ) 将动力学方程与轮轨几何接触条件g ( g ) = o 耦合起来。 6 其中： m ( g ) ： 伊劬允： f ( q ，圣，无d ： 对称的质量矩阵； 约束力； 应用力。 作为刚体，一个车轮有6 个自由度，它的相对运动可以用三个笛卡儿坐标和三 个角坐标决定。引入函数d ( s ，p ) ( 由车轮接触坐标j 和车轮的位置矢量 p = ( x ，y ，z ，妒) r 描述) ，几何问题可以缩减为一维。因此，引出传统的接触条件： g ( g ) = m a x d ( s ，p ) = 0 ( 2 6 ) 因为相对位置矢量p 和接触坐标s 取决于m b s 的坐标q ，上述接触条件定义了 方程( 3 4 ) 中的运动约束。因此，接触点遵守以下必要条件： a d ( s ，p ) = 0 ( 2 - 7 ) 2 2c r h 2 3 0 0 动力学建模过程 2 2 1c r h 2 - - 3 0 0 动力学模型系统自由度 任意一个自由刚体都具有六个自由度，这六个自由度可用笛卡尔坐标来表示， 即三个定义在物体重心上的坐标纵向( x ) 、横向( y ) 和垂向( z ) ，以及物体分 别绕三个坐标轴旋转运动的转动坐标一侧滚( 秒) 、点头( ) 和摇头( 缈) 运动。 对于c r h 2 3 0 0 动力学模型而言，列车模型为车体构架轮对组合结构，车体和 构架( b o 西e ) 运动自由度为6 ，其间以空气弹簧联结。轮对自由度为4 ，通过轴箱与 构架联结。模型中，转向架由轴箱悬挂和中央悬挂两部分组成。轴箱悬挂包括垂 向、横向和纵向三个方向的刚度以及垂向阻尼，并且考虑每轴箱两组弹簧纵向和 垂向距离差异；中央悬挂为空气弹簧，其悬挂参数主要包括垂向、横向和纵向三 个方向的刚度和阻尼。另外，模型还包含有抗蛇行阻尼器、横向止挡和抗侧滚扭 杆。列车模型中考虑了3 4 个自由度( 见表2 1 ) m j 。 7 表2 1 列车系统模型刚体运动自由度 运动形式 构件名称 纵向横向垂向侧滚点头摇头 车体x c y c z c 0 cb cv c 构架 y by bz b0 bp b、l ，b 轮对 x wy w | l p w 、l ，w 2 2 2c r h 2 3 0 0 横向垂向动力学模型拓扑结构【1 0 】 多体系统各个物体之间的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑，拓扑图 能够准确地描述主要部件之间作用力类型、数目以及作用界面等。准确建立列车 系统拓扑图不仅便于编写列车系统动力学模型程序，对于使用商业软件如 s i m p a c k 等建立列车系统动力学模型也十分重要的前提工作。c r h 2 可以被简化 为一个包括一个车体、两个构架和四个轮对的多刚体系统，系统拓扑图如图2 1 所示： 车体 构架 1 0 ，1 i - - 一- - 一i - - 。1 + + 。1 i ，一。厂1 。 + 。， 。+ + z 6 ，2 8 ii凳 - 瑟翌 凳釜弹蝥 ：； i2 5 2 卜+ 。- 。基蔓。- 一1 ： 卜_ - o - o o - - - - _ - 一o 。- - o 一i _ 1 4 十一 t 9 , 1 1 , 1 3 2 ，4 炙 i 跫 图2 1 模型系统结构拓扑图 f i 9 2 - 1t h ef r a m et o p o l o g ym a po ft h em o d e l 8 t 一8 轮轨力 9 1 6 一系悬挂力 1 7 - 2 0 二系弹簧阻尼力 2 1 - 2 4 横向减振器阻尼力 2 5 2 8 抗蛇行减振器阻尼力 2 9 3 2 横向止挡力 3 3 3 6 牵引拉杆力 韭惠窑亟去堂照主芏位 金奎商建至扭弛左堂搓翟基童 2 2 3建模所做假设及模型中的非线性因素 为理论计算而建立的动力学模型，根据研究的主要目的对动力学性能影响比 较大的主要因素尽可能地按照实际情况进行模拟，对一些非主要因素进行简化处 t i m , h , 1 。因此，本文在建立车辆动力学模型时，做了如下假设： 1 轮对、构架、车体均视为剐体轮对、构架和车体的弹性与悬挂系统相比 要小得多。因此将之视做刚体是可以接受的。 2 不考虑钢轨的弹性变形，只考虑轨道不平顺的影响。只有存在高频激扰时， 钢轨的弹性对车辆动力学性能才会有较大影响，而在线路的低频激扰下这种影响 并不大，因而可以忽略钢轨的弹性变形。 为更接近实际情况，在建立动力学模型时应尽可能考虑系统中的非线性因素。 以下为模型中需要考虑的非线性因素： ( 1 ) 轮轨接触几何非线性。 ( 2 ) 轮轨蠕滑非线性：计算中按幽简化理论确定轮轨问蠕滑力和力矩。 f 3 ) 悬挂特性的非线性：列车系统中一系和二系的横向和垂向减振器以及横向 止挡均具有明显的非线性特性一2 i 。 2 2 4模型结构 应用s m i p a c k 的w h e e l r a i l 模块，建立列车系统多体动力学模型。列车的模 型如图2 - 2 所示。列车模型中，车体、构架、轮对等的质量和转动惯量等属性通过 b o d y 来定义，所有零部件之间的运动连接形式用铰接j o i n t 和约束c o n s t r a i n t 来定 义，同时定义各个零件的自由度。转向架上的弹簧、减振器、横向止挡等以力元 件f o r c e 的形式来定义，其中横向止挡的非线性特性通过函数( o u t p u tl e n t o 时来 定义井在力的设置中引用。空气弹簧受力( 二系悬挂力) 是通过控制模块束定义 的。 矍声 图2 - 2s i m p a c k 中午辆动力学模塑幽 f i g2 - 2v e h i c i e sk i n e t i cm o d e l sf i s u r ei ns i 肝a c k 2 2 5模型结构参数 列车建模所需要的结构参数如表2 - 2 所示。 表2 - 2c r h 2 - - 3 0 0 动车模型参数h 1 t a b l e 2 - 2t h ep a r a m e t e ro fc rh 2 3 0 0 sm o d e l 名 称 参数单位 车体质量 3 1 6 0 0 k g 构架质量 3 2 0 0 k g 轮对质量 2 0 0 0 k g 车体绕z 轴转动惯量 1 0 2 3 8 4 k g m 2 车体绕y 轴转动惯量 1 5 4 8 4 0 0 k g m 2 车体绕z 轴转动惯量 1 3 3 5 l o o k g m 2 构架绕j 轴转动惯量 2 5 9 2 蚝l n 2 构架绕y 轴转动惯量 1 7 5 2 k g l n 2 构架绕z 轴转动惯量 3 2 0 0 k g m 2 轮对绕x 轴转动惯量7 2 0 k g m 2 轮对绕y 轴转动惯量 8 0 k g m 2 轮对绕z 轴转动惯量 9 8 0 k g m 2 轴箱纵向定位刚度1 4 7m n m 轴箱横向定位刚度6 5m n m 轴箱弹簧垂向刚度 1 1 7 6m n m 轴箱垂向减振器阻尼 2 5k n s m 中央悬挂纵向刚度0 1 7 3 5 5 m n m 中央悬挂横向刚度o 1 7 3 5 5m n m 中央悬挂垂向刚度0 1 1 4 5 6m n m 中央悬挂横向减振器阻尼 2 9 4埘m 抗蛇行减振器阻尼 2 4 5k n s m 轴箱悬挂横向跨距 2 om 中央悬挂横向跨距2 4 6m 列车定距1 8m 转向架同定轴距2 5m 车体质心高度 1 7 5m 列车总长2 5 7 m 车轮直径 8 6 0n l m 1 0 2 3 模型中非线性因素的处理 2 3 1非线性轮轨接触几何关系 在车辆动力学模型中，轮轨接触参数计算采用非线性方法实现。轮轨接触几 何参数是轮对横移量的非线性函数，其参变量包括车轮滚动圆半径、接触角、轮 对侧滚角、车轮横断面曲率半径、轨头横断面曲率半径等。由于车轮踏面和钢轨 轨头外形可以是任意的，轮轨接触几何参数很难直接表示为轮对横移量的显式函 数，因此，上述轮轨接触几何参数可预先做成轮对横移量的数表，而中间值则采 用样条函数插值来计算。 车轮踏面外型采用国内l m 型踏面，标准新轮轮径为8 6 0 m m 。钢轨采用我国 6 0 k g m 钢轨，它们之间的匹配与接触关系如图2 3 和图2 4 所示。s i m p a c k 采用 轮轨蠕滑的k a l k e r 简化非线性理论计算蠕滑力与法向力。 图2 - 3 轮轨匹配关系( 接触点) f i g 2 3t h ew h e e l a n dr a i l w a y sn e x u s ( c o n n e c t i o n sp o i n t ) 2 1 2 空气弹簧特性1 4 】 -0h i ； ， t “一 一” f j j 乡 图2 _ 4 轮轨匹配关系( 轮对质心) f i g 2 _ 4t h ew h e e la n dr a i l w a y sn e x u s ( q u a l i t y sc e n t e ro ft h ew h e e l s ) 高速转向架中普遍采用空气弹簧作为二系悬挂装置。空气弹簧结构及其工作 原理见图2 5 和图2 - 6 。空气弹簧悬挂的采用可以显著提高列车系统的运行平稳性。 当空气弹簧外加载荷发生变化，并引起气囊高度发生变化时( 即空气弹簧被压缩 或被拉伸) ，空气弹簧所受载荷f 对变形s 的导数即为空气弹簧刚度。空气弹簧的 刚度不仅与静平衡位置时的压力和容积有关，还与空气弹簧的有效面积变化率和 体积变化率有关。 c 图2 5 空气弹簧模型图图2 - 6 空气弹簧原理图 f i g 2 5t h ea i r - s p r i n g sm o d e lf i g u r ef i g 2 - 6t h ea i r - s p r i n g sp r i n c i p l ef i g u r e 空气弹簧悬挂系统具有理想的反s 形非线性刚度特性，在正常工作范围内刚 度很低，而振幅较大时其刚度具有陡增的特点，可限制车体发生过大的位移恻。 s i m p a c k 列车模型中，空气弹簧特性的控制方式如图2 7 所示。 图2 7 空气弹簧系统控制示意图 f i g 2 - 7t h ec o n t r o lf i g u r eo ft h ea i r - s p r i n g ss y s t e m 2 3 3液压减振器与横向止挡的非线性特性 车辆动力学模型中包含纵向抗蛇行减振器。图2 8 为模型中纵向液压减振器非 线性特性。液压减振器在低速振动时阻尼亦较低，但阻尼随振动速度增加而迅速 增大，故具有较好的振动衰减作用。在s i m p a c k 模型中，减振器的非线性特性是 以输入函数的方式被调用到模型中的。 1 2 图2 8 液压减振器的非线性特性 f i g 2 8t h en o n - l i n e a rp r o p e r t yo ft h el i q u i d - p r e s s sa b s o r b e r 另外，在列车模型中，车体与转向架之间设有横向止挡，并存在自由间隙。 这些自由间隙、橡胶垫层和刚性部件一起，构成了非线性位移与作用力关系。在 本论文所建动力学模型中，这些非线性关系通过作用力与自由间隙之间的变化特 性来体现，图2 9 和图2 1 0 反映了止挡等效刚度、横向作用力与横向相对位移之 间关系。其中，为止挡自由间隙，为弹性间隙。模型中，止挡自由间隙设为 3 0 m m ，弹性间隙设为l o m m 。横向止挡的非线性特性见图2 1 1 。横向止挡的非线 性刚度特性同样以输入函数的方式加入模型中【7 】【1 5 1 。 图2 - 9 i ：挡横向刚度特性 f i g 2 - 9s t o p - b a f f l el a n d s c a p eo r i e n t a t i o n r i d d e g r e ep r o p e r t y 1 3 图2 1 0 止挡横向作用力特性 f i g 2 - l0s t o p b a f f l el a n d s c a p eo r i e n t a t i o n f o r c e sp r o p e r t y 2 4 轨道激扰 轨道几何形状的变化是引起列车系统各种动态响应的主要原因之一。为研究 轮轨之间的相互作用及预测和分析列车的动态响应，必须首先了解轨道的几何状 态和参数变化的特征及其描述，由轨道不平顺产生的位移输入是列车系统所受的 主要外部激励之一【4 】。 轨道具有四个方向的不平顺：垂向不平顺、水平不平顺、方向不平顺及轨距 不平顺。可认为轨道的随机输入是各态历经的，并满足一定的统计规律；因此允 许用一段有限长的时间历程来模拟列车在实际线路上的运行情况。实际轨道存在 的不平顺可以由一项或几项简谐函数或其他确定性函数来描述。轨道不平顺一般 是里程的随机函数，其波长、波幅均为随机变量。对于随机过程需要用统计函数 来加以描述，功率谱密度函数p s d ( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ) 是表达作为平稳随 机过程的轨道不平顺的最重要和最常用的统计函数。轨道不平顺常用空间频率 f ( c y c l e m ) 或空间波数q ( r a d m ) 描述较为方便，它们与时间频率厂和缈的关系 朋 fq ：2 万厂1 q= 彩矿( 2 8 ) 【， = yj 美国、英国和德国等国家先后对轨道不平顺进行了测量和研究，并建立了统 一标准的谱密度函数。国内目前还未建立起统一标准的谱密度函数表达式，现阶 段以借鉴别国己建立的统一标准谱密度函数为主。但要将轨道不平顺功率谱转换 为时域内的激扰函剡1 6 。1 8 1 。 鉴于德国低干扰轨道谱可以用于2 5 0 k r n h 以上车速的车辆动力学计算，本论 文的轨道随机激扰采用德国低干扰轨道谱。通过频谱转换，建立轨道随机激扰在 时域内的不平顺形式，并加入到s i m p a c k 模型的轨道设置中。轨道在四个方向上 的不平顺的表达式如下： ( 1 ) 方向不平顺 蹦q ) = 石五撩丢雨 一r a d m9 ) ( 2 ) 高低不平顺 趴q ) = 矿 砰r a d m ( 2 。o ) ( 3 ) 水平不平顺 ， ，= 而毒鬻岔r a d m 1 4 ( 4 ) 轨距不平顺 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，所以轨距不平 顺的功率谱密度为 彳q2 q 2 & ) 虿瓦丽菁雨丽 m 2 枞 ( 2 - 1 2 ) 粗糙度系数和截断频率如表2 3 所示，其中a g 为随意给定的值，但必须保证 轨距不平顺在+ 3 r a m 范围内变化。 表2 - 3 德国轨道谱粗糙度系数及截断频率 t a b l e 2 3g e r m a n i cw h e e l - r a i l w a yc h a r tc o a r s ed e g r e ea n di n t e r c e p t i v ef r e q u e n c y 轨道暖 q rf 2 sa aa va g 级别( r a d m )( t a d m )( r a d m )( 1 0 7 m r a d )( 1 0 t m r a d )( 1 0 - 7 m r a d ) 低干扰 0 8 2 4 60 0 2 0 60 4 3 8 02 1 1 94 0 3 20 5 3 2 高干扰 0 8 2 4 60 0 2 0 60 4 3 8 06 1 2 51 0 8 01 0 3 2 图2 1 1 与图2 1 2 为德国低干扰谱的水平和高低不平顺在时域上的波形。 图2 1 l 德国低干扰轨道谱水平 不平顺( 时域) f i g 2 1l g e r m a n i cl o wd i s t u r bw h e e l - r a i l w a y c o m p o s ei n e q u a l i t y ( t i m ea r e a ) 图2 1 2 德国低干扰轨道谱高低 不平顺( 时域) f i g 2 1 2g e r m a n i cl o wd i s t u r bw h e e l r a i l w a y i i lh i g ha n dl o wi n e q u a l i t y ( t i m ea r e a ) 1 5 2 5 本章小结 论文中应用s i m p a c k 多体动力学软件的r a i l 模块并按照c r h 2 - - 3 0 0 建立包 含列车的基本结构：车体、构架和轮对及其约束关系和运动学关系的列车系统动 力学模型，确定了模型中的轮轨接触关系以及减振器( 阻尼器) 、空气弹簧和横向止 挡等非线性元件的特性。其中，空气弹簧特性是通过控制方式加入到s i m p a c k 模 型中的，轮轨接触采用k a l k e r 简化的非线性理论。c r h 2 - - 3 0 0 动力学模型的建立 为论文接下来的仿真奠定了良好的基础。 模型中选择德国低干扰谱作为轨道激扰，轨道选择为直线，论文中的仿真都 是在此工况下进行的。 1 6 3 踏面磨耗对车辆动力学性能的影响 列车在轨道上运行时，车轮踏面与钢轨顶面的接触点是车轮转动的瞬时转动 中心。车轮绕瞬时转动中心转动，轮缘与钢轨侧面之间在接触点处将会出现相对 滑动，这不可避免的造成车轮踏面的磨耗。另外，车轮踏面具有曲线通过性、自 动对中性、抗蛇行运动稳定性，这些特性决定了车轮踏面在列车的运行过程中会 产生不断的磨耗，致使车轮踏面的形状会发生不断的改变，进而改变了轮轨与踏 面的接触关系，从而影响了列车的动力学性能。本章内容主要讨论踏面磨耗对列 车在高速直线运行工况下动力学性能的影响【4 】。 3 1 列车系统动力学性能评价标准 3 1 1列车抗脱轨稳定性评估标准 列车抗脱轨稳定性指标包括脱轨系数和轮重减载率【4 】。 ( 1 ) 脱轨系数 对于脱轨安全性指标来说最基本的就是脱轨系数。在测量或计算得到的轮轨 力中，选用横向力和垂向力同时发生的数值来计算两者的比值，我们称之为脱轨 系数，其定义式及安全性限定标准为： 鲁姐8 ( 3 - 1 )