博士论文：双轴转向架单轨走行轮胎偏磨损分析及影响因素研究

1、博士论文：双轴转向架单轨走行轮胎偏磨损分析及影响因素研究第一章 绪论1.1 选题背景作为一种新的城市轨道交通制式，跨座式单轨交通已成功在我国重庆市开通运营。跨座式单轨交通具有转弯半径小、占地少、爬坡能力强、通过噪声小、乘坐舒适、造价低等诸多优势1，目前正在被大力推广使用，应用前景广阔。跨座式单轨车辆转向架由制动器、齿轮箱、构架、受电弓支架、驱动电机、中央牵引、空气弹簧安装座、走行轮、导向轮、稳定轮、安全轮等部件组成，如图 1.1 所示。其中，走行轮、导向轮和稳定轮为橡胶轮胎，它们与轨道梁接触，以保证车辆的行驶、驱制动和导向等功能。然而，重庆跨座式单轨运营实践发现，走行轮胎偏磨损现象较严重，如图

2、 1.2所示。走行轮胎偏磨损不仅使轮胎更换频繁，造成大量人力物力的消耗，还会使轮胎附着能力下降，轮轨接触压力不均，从而严重影响单轨车辆行驶安全性。由于单轨车辆与铁道车辆轮胎结构、材料、驱制动存在不同，因此它们偏磨损机理存在本质性差异。单轨车辆通过橡胶轮胎与 PC 轨道梁间的附着力驱动，轮胎磨损形式为橡胶轮胎磨损；铁道车辆通过钢轮与钢轨间的黏着力驱动，轮胎磨损形式为钢轮金属磨损。同时，作为一种过约束空间轮系结构，单轨车辆运行是走行轮、导向轮和稳定轮的共同作用，其与汽车走行系走行机理有明显不同，因此轮胎偏磨损也将存在根本性区别。对于汽车轮胎的偏磨损，国内外学者已进行了较为深入的研究。然而，对于单轨

3、车辆偏磨损，国内外研究甚少，基本处于空白状态。因此，走行轮胎偏磨损成为亟待研究的新内容。在此背景下，本研究团队申请到了国家自然基金项目（项目名称：跨座式单轨列车走行轮轮胎偏磨机理及控制方法研究；项目编号：51475062）。在基金项目的支持下，本文借助轮胎制造公司提供的走行轮胎 CAD 模型、材料特性对走行轮胎偏磨损进行了深入研究。研究为走行轮胎偏磨损发生机理、偏磨损影响因素、影响规律提供了理论依据，为降低走行轮胎偏磨损提供了可行方案，为推广跨座式单轨交通的运用提供了条件。.1.2 走行轮胎偏磨损研究现状单轨车辆走行轮胎磨损是走行轮胎和轨面相互作用的结果，其过程十分复杂，受到多种机理的影响，而

4、走行轮胎偏磨损正是各种机理的不合理作用造成的。走行轮胎磨损影响因素大致可分为四种，即走行轮胎自身因素、单轨车辆参数、轨道梁参数和驾驶员操作习惯。考虑到单轨车辆走行轮胎偏磨损研究的空白，且单轨车辆走行轮胎和汽车轮胎都为橡胶轮胎，本文借鉴汽车轮胎研究成果来研究单轨车辆走行轮胎。汽车轮胎磨损、偏磨损国内外研究现状如下：轮胎磨损理论由橡胶磨损机理发展而来，根据橡胶磨损理论，提出了磨粒磨损和疲劳磨损两种主要的轮胎磨损形式，并获得了其正比于摩擦能的结论。Fleischer认为，当局部摩擦能达到表面破坏临界值时，该局部体积将会以磨粒的形式脱落。由于磨损和摩擦能关系密切，而摩擦能又是轮胎与路面接触摩擦的结果，

5、因此研究轮胎与路面的摩擦成为磨损研究的一个主题。轮胎路面摩擦模型复杂，众多文献研究得到轮胎与路面的摩擦系数是轮胎接地压力、滑移速度和温度等因素的函数。在国内，彭旭东2,3、王野平4、方庆红5等人对轮胎磨损微观机理，磨损影响因素等方面进行了深入研究，黄海波6对轮胎偏磨损机理进行了深刻阐述。.第二章 单轨走行轮胎偏磨损关键模型研究为研究走行轮胎的偏磨损，需要建立与偏磨损相关的模型。本文研究偏磨损的关键模型为走行轮胎有限元分析模型、走行轮胎偏磨损模型和走行轮轮胎模型。通过对关键模型的建立，可以为后文走行轮胎偏磨损分析奠定基础。2.1 走行轮胎有限元模型研究走行轮胎有限元模型通过对轮胎结构、材料的精确

6、模拟来分析走行轮胎不同工况的应力、应变、接地压力等状况。有限元模型的准确建立，可以为走行轮胎偏磨损分析提供精确剪切力和滑移量等输入值。跨座式单轨走行轮胎结构复杂，清楚理解走行轮胎各部分的组成和性能才能建立更加精确的走行轮胎有限元模型。走行轮胎采用充氮气的橡胶子午线轮胎，如图 2.1（a）所示。子午线轮胎的结构如图 2.1（b）所示，主要由胎面、胎面基部、缓冲层、带束层、胎体、胎侧、三角胶条、钢丝圈、气密层、冠带层等构成，且各组成部分功能各不相同。在进行有限元分析时，考虑全部走行轮胎组成部分无疑会使有限元模型异常复杂，从而导致计算效率低下，甚至无法计算。因此，在实际的计算过程中需根据分析目标不同

7、，对走行轮胎进行简化，以提高计算效率24。本文的分析目标为跨座式单轨走行轮胎的偏磨损，因此走行轮胎关键受力部分和胎面需精确建模，而其他部位可适当简化。走行轮胎关键受力部位主要有胎面、带束层、胎体帘布层、胎侧和钢丝圈等。其中，胎面是与轨道梁直接接触且发生磨损部位；带束层是胎面与胎体之间的钢丝帘布，它能提高胎面刚度和耐磨度，并保护胎体免受外部冲击损伤；胎体帘布层是轮胎的最关键受力部位，它是轮胎骨架的核心支撑；胎侧为一层橡胶，它起到胎体免受侧向损伤；钢丝圈为一定的带胶钢丝缠绕成环，它能使轮胎与轮辋更好地固定在一起。.2.2 走行轮胎偏磨损模型研究走行轮胎偏磨损为文章研究的重点目标，因此建立准确而适用

8、的走行轮胎偏磨损模型至关重要。轮胎胎面磨损通常由轮胎与路面的相互作用，胎面表层橡胶材料发生机械、物理和化学等变化，表层橡胶材料破坏脱落三个过程组成2,3。根据磨损机理的不同，轮胎磨损通常分为粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损和侵蚀磨损四种形式。然而，胎面相对路面滑移引起胎面受到微观切割和撕裂是磨损发生的主要原因，而轮胎胎面偏磨损是轮胎磨损在横向分布的不均匀造成的。因此，对轮胎偏磨损的衡量通常分为两个步骤：轮胎磨损量的衡量和磨损量在横向分布不均匀度的计算。根据摩擦学理论，轮胎磨损评价方法通常有两种：胎面磨损的深度h和轮胎磨损的质量m。目前，轮胎磨损的计算方法通常有三种：有限元法13,22、单位磨损里程

9、法14和磨损耗散能量法2730，下面进行具体说明。.第三章 不同工况单轨走行轮胎偏磨损分析.313.1 走行轮胎充气与轮轨静态接触分析 . 313.1.1 走行轮胎充气分析 . 313.1.2 轮轨静态接触分析 . 333.2 走行轮胎自由滚动分析 . 353.3 纵滑工况偏磨损分析 . 403.4 侧偏工况偏磨损分析 . 413.5 侧倾工况偏磨损分析 . 443.6 复合工况走行轮胎偏磨损分析 . 463.7 本章小结 . 49第四章 走行轮胎偏磨损影响因素及其规律研究.514.1 转向架几何参数对走行轮胎偏磨损的影响规律研究 . 514.2 车辆悬挂参数对走行轮胎偏磨损的影响规律研究 .

10、 564.3 轨道梁参数对走行轮胎偏磨损的影响规律研究 . 584.4 车辆过弯速度对走行轮胎偏磨损的影响规律研究 . 624.5 走行轮胎偏磨损影响因素灵敏度分析 . 634.6 本章小结 . 67第五章 基于降低走行轮胎偏磨损的车轨参数优化.685.1 基于降低走行轮胎偏磨损的单轨车辆参数优化 . 685.2 基于降低走行轮胎偏磨损的轨道梁参数优化 . 735.3 本章小结 . 77第五章 基于降低走行轮胎偏磨损的车轨参数优化从第四章走行轮胎偏磨损影响因素对轮胎磨损、偏磨损的贡献值大小可知，优化各影响因素取值可达到优化走行轮胎偏磨损的目的。轨道梁线路设计时，尽可能使弯道半径大些，或者不出现

11、弯道。过弯速度在可能的情况下，应尽可能小。因此，本章不再考虑这两个影响因素的优化，而主要从单轨车辆参数和轨道梁走行面凹凸高度这两个方面入手。优化时，轨道半径取100m，车辆过弯速度取 36Km/h。5.1 基于降低走行轮胎偏磨损的单轨车辆参数优化单轨车辆参数的优化不仅要改善走行轮胎的磨损、偏磨损情况，还必须考虑单轨车辆安全性、曲线通过性等动力学性能。一般而言，走行轮胎磨损、偏磨损与车辆动力学性能是一个矛盾体，好的磨损、偏磨损状况可能降低车辆的动力学性能。因此，单轨车辆参数的优化必须要保证动力学性能不受影响。目标函数为设计变量不同组合好坏的评定标准，因此目标函数的确定将直接影响优化最终结果。由于

12、本文优化目标是改善走行轮胎的磨损、偏磨损，因此确定走行轮胎摩擦功总和、摩擦功偏度值为优化的目标函数，计算公式为式 2.16 和式2.15。由于优化函数有两个，需要采用多目标优化策略。因此，最后得到的优化解将是一个解集，称为 Pareto 最优解。.结论针对单轨车辆走行轮胎出现严重偏磨损的现象，本文依托国家自然基金项目（项目名称：跨座式单轨列车走行轮胎偏磨机理及控制方法研究；项目编号：51475062）和轮胎制造公司提供的走行轮胎几何模型、材料参数等资料，对走行轮胎偏磨损、偏磨损影响因素、影响规律进行了分析讨论，并基于降低走行轮胎偏磨损对单轨车辆参数和轨道梁参数进行了优化，具体过程和结论如下：（

13、1）探讨了走行轮胎结构和材料性能，采用 ABAQUS 建立了走行轮胎模型，并采用轮胎垂向、纵向和侧向刚度验证了有限元模型的有效性；探讨了轮胎偏磨损评价方式，确定出本文采用摩擦功总和及摩擦功偏度值来衡量走行轮胎磨损和偏磨损；采用魔术公式建立了走行轮胎模型，为单轨车辆动力学模型提供了高精度的轮胎模型；采用 ABAQUS 和 modeFRONTIER 联合仿真的方式为偏磨损的计算提供了快捷的计算模式。（2）分析了走行轮胎充气、静态接触受力状态；分析了走行轮胎单一工况参数与轮胎摩擦功总和摩擦功偏度值的关系；分析了自由滚动和弯道复合工况下的走行轮胎摩擦功分布状况；通过分析获得了纵滑加重轮胎磨损，侧偏和侧倾加重轮胎磨损和偏磨损，自由滚动基本不存在偏磨损，复合工况下偏磨损很严重的结论。（3）分析了转向架参数、车辆悬挂参数、轨道梁参数、车辆过弯速度对走行轮胎摩擦功总和、摩擦功偏度值的影响规律；结果显示，L5、空气弹簧刚度、导向轮垂向刚度、弯道半径为负相关影响因素，L1、L4、过弯速度为正相关影响因素，L2、L3 存在最佳值使偏磨损最小，存在最佳值的左凹右凸的凹凸混合型走行面使偏磨损最小。（4）对偏磨损影响影响进行了灵敏度分析，结果