高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素研究.pdf

1、高速鐵道車輛動力學(xué)問題存在運動穩(wěn)定性問題，遠(yuǎn)比一般的機械系統(tǒng)動力學(xué)問題復(fù)雜。本學(xué)位論文深入闡述了高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性問題的研究背景與意義，對高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性以及關(guān)鍵影響因素的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，包括輪軌滾動非線性接觸幾何、輪軌非線性接觸蠕滑以及車輛懸掛中的抗蛇行減振器等，之后對這幾個非線性問題進(jìn)行了研究，并討論它們對高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性的影響。
　　(1)改進(jìn)了一種基于多項式擬合的高速輪軌接觸幾何計算方法，并將它的

2、計算結(jié)果與傳統(tǒng)的跡線法以及Adams/Rail軟件RSGEO模塊的計算結(jié)果進(jìn)行對比。對比LMA/CHN60，CN踏面/CHN60，S1002/UIC60三種輪軌匹配計算的結(jié)果，顯示使用多項式擬合方法的計算結(jié)果與Adams/Rail軟件REGSO模塊更為接近。同時就計算效率而言，基于多項式擬合的高速輪軌接觸幾何計算方法的計算效率更高。與傳統(tǒng)跡線法相比，計算速度能提高40％左右。應(yīng)用此方法計算LMA/CHN60新輪新軌和磨耗車輪匹配的高速輪

3、軌滾動接觸幾何的非線性參數(shù)，并分析它們對高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示隨著名義等效錐度的減小，會使得速度分叉曲線向右移動，即線性臨界速度和非線性臨界速度增大;而在名義等效錐度大致相同時，非線性參數(shù)對車輛非線性穩(wěn)定性有較大影響，隨著λN,1減小，速度分叉圖中輪對的線性臨界速度明顯減小。此結(jié)果在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析中也得到了驗證。
　　(2)基于ALE的方法使用ABAQUS建立高速輪軌滾動接觸有限元模型，并在計算中通過在輪軸上

4、添加慣性力及使輪對材料沿圓周和型面方向流動的方法，實現(xiàn)高速輪軌非穩(wěn)態(tài)滾動狀態(tài)模擬計算。使用此模型計算彈性蠕滑率，與理論計算的剛性縱向蠕滑率進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示，在輪對橫移時，它們的縱向蠕滑率差別較小，最大誤差低于20％;橫向蠕滑率差別較大，并且左輪接觸斑內(nèi)的彈性橫向蠕滑率變化趨勢明顯大于右輪;在輪對橫移4mm的時候，左輪的自旋彈性蠕滑率有一個明顯變小的趨勢。在輪對搖頭時，彈性縱向蠕滑率出現(xiàn)了小幅的波動，彈性橫向蠕滑率隨搖頭角增加而增大

5、，但是超過2mrad后變化趨緩;彈性自旋蠕滑率不隨搖頭角變化。而使用有限元模型進(jìn)行輪軌蠕滑力計算時，發(fā)現(xiàn)在輪對橫移時，車輪的蠕滑力表現(xiàn)出接近KalkerCONTACT計算結(jié)果的變化趨勢，車輪接觸斑內(nèi)橫向蠕滑力分布均有正負(fù)值，從而使得橫向蠕滑力發(fā)生較大變化，與Kalker CONTACT計算結(jié)果相差較大，而縱向蠕滑力誤差相對較小;在輪對搖頭時，搖頭角增大會降低車輪的縱向蠕滑力，而橫向蠕滑力會隨著搖頭角增加會呈現(xiàn)快速上升趨勢。
　　(

6、3)應(yīng)用ABAQUS建立的高速輪軌滾動接觸有限元模型，對于不同的工況（改變y'/v和y）進(jìn)行計算，得到一系列的輪軌蠕滑力數(shù)據(jù)。在單輪對動力學(xué)非線性穩(wěn)定性計算中，不再利用蠕滑率進(jìn)行蠕滑力計算，而是使用有限元蠕滑力數(shù)據(jù)表直接進(jìn)行動力學(xué)計算，初步探索了有限元蠕滑力計算結(jié)果在車輛非線性穩(wěn)定性計算中的應(yīng)用。計算結(jié)果與Adams單輪對模型仿真進(jìn)行對比，結(jié)果顯示兩者的輪對橫移量和搖頭角隨時間變化的響應(yīng)規(guī)律一致，其RMS值差別分別為17.9％和10.1

7、％?；谟邢拊嬎愕娜浠?shù)表可以有效地應(yīng)用于高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性的計算。
　　(4)通過對抗蛇行減振器結(jié)構(gòu)及其工作原理的分析，利用Easy5建立描述準(zhǔn)確且計算高效率的抗蛇行減振器非線性液壓模型。該模型從抗蛇行減振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，對各種閥、活塞、油腔等元件依據(jù)流體力學(xué)的原理進(jìn)行建模，它可以應(yīng)用于不同的減振器，可以修改不同物理結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時將此模型與車輛動力學(xué)模型結(jié)合，使用聯(lián)合仿真的方法來分析抗蛇行減振器的內(nèi)部參數(shù)以及不同的油

8、液流動方向?qū)Ω咚勹F道車輛非線性穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示抗蛇行減振器內(nèi)部參數(shù)對高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性影響很大，但是對車輛的平穩(wěn)性影響相對較小;與油液單向流動式抗蛇行減振器的車輛模型相比，油液雙向流動式抗蛇行減振器的車輛模型在動態(tài)響應(yīng)中出現(xiàn)相對大的波動。因此在使用油液雙向流動式抗蛇行減振器的時候，為了提高高速鐵道車輛的穩(wěn)定性，應(yīng)該盡量提高拉伸/壓縮特性的對稱率。聯(lián)合仿真能高效、準(zhǔn)確地得到抗蛇行減振器對高速鐵道車輛非線性穩(wěn)定性的影響規(guī)律，有助