关键部件性能演变的高速列车动力学性能分析及评估

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1、国内图书分类号：U270.1，U271.91密级：公开国际图书分类号：629西南交通大学博士研究生学位论文关键部件性能演变的高速列车动力学性能分析及评估年级二〇一三级姓名刘国云申请学位级别工学博士专业车辆工程指导老师曾京教授二零一七年九月ClassifiedIndex:U270.1,U271.91U.D.C:629SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationANALYSISANDASSESSMENTOFHIGHSPEEDTRAINSDYNAMICPERFORMANCEDUETOPERFORMANCEEVOLU

2、TIONOFKEYCOMPONENTSGrade：2013Candidate：LIUGuoyunAcademicDegreeAppliedfor：Ph.DoctorSpeciality：VehicleEngineeringSupervisor：Prof.ZENGJingSep,2017西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要“速度”和“安全”是铁路运输的发展目标和永恒的主题。作为高速铁路庞大系统的一部分，高速列车通过轮轨滚动接触作用完成装载和运输旅客的任务。随着列车速度的大幅度提高，车辆与轨道之间的动态作用越来越强，影响行车安全性和乘坐舒适性问题也越来越多，包括车轮

3、踏面磨耗及擦伤、车轮高阶多边形、钢轨波磨以及悬挂元件失效等故障问题。如果这些问题不及时发现和排除，将会严重影响到高铁的正常运营，甚至酿成重大的安全事故，给旅客带来巨大的经济损失和人身财产损失。因此，本文紧紧围绕高速列车在服役过程中出现的相关动力学问题，结合机理分析和数值计算，深入开展故障模式下的高速列车动力学研究。具体的研究工作如下：（1）针对高速列车服役过程中所出现的中高频振动以及车体弹性振动问题，综合考虑了车辆主要部件的弹性振动和轨道弹性振动的影响，完善了相应的分析模型。在车辆系统动力学模型中，基于刚柔耦合动力学理论，轮对、轴箱、构架和车体均采用弹性体建模，实现

4、了车辆系统主要部件的弹性变形和刚体运动耦合作用的模拟；在板式无砟轨道动力学模型中，钢轨采用离散支承连续梁模型来模拟，轨道板则采用三维实体有限元建模，扣件系统以及轨道板下支撑结构均采用弹簧－阻尼单元模拟。（2）为了弄清轴箱轴承故障下的车辆系统振动特性，在车辆系统动力学模型的基础上，还建立了轴箱轴承的刚体动力学模型，包括外圈、内圈和保持架，其中外圈和内圈的相互作用是通过滚子的传递来完成的，而滚子则被等效为若干个力元。（3）详细分析了镟修周期内踏面等效锥度的演变规律以及车轮磨耗对高速列车动力学性能的影响，并采用不同的蛇行失稳评估方法对镟修周期内高速车辆的运动稳定性进行了评

5、估，最后根据我国高速动车组在实际线路上所出现的失稳问题，提出了满足高速列车正常运行的等效锥度范围。（4）基于所完善的分析模型，采用变化车轮半径的方法建立了车轮失圆（包括车轮扁疤和车轮多边形）的模型，系统研究了车轮失圆对高速车辆系统振动响应的影响，并初步确定了车轮扁疤和车轮多边形失圆形式下镟修的安全限值；同时详细研究了钢轨伤损（包括钢轨波浪形磨耗和焊接接头）对高速车辆系统振动响应的影响，并初步确定了钢轨波磨和焊接接头伤损形式下进行打磨维护的安全限值。（5）以一系垂向减振器为例，利用滚动振动台试验数据分析了减振器故障下转向架“浮沉-点头”相位差和“浮沉-侧滚”相位差与正

6、常时的差异，通过仿真计算，总结出了转向架不同位置处的一系垂向减振器发生故障时的相位差特征。（6）系统地分析了不同悬挂参数下高速车辆的动力学性能，包括抗蛇行减振器阻尼力、转臂节点间隙、转臂节点刚度和一系钢弹簧刚度，提出了满足高速列车安全运行的悬挂参数取值范围。详细分析了轴箱轴承早期表面局部故障和表面波纹度下的车第II页西南交通大学博士研究生学位论文辆系统振动特性，为铁路车辆轴箱轴承的故障检测提供理论指导与参考。关键词：高速列车；刚柔耦合；车轮磨耗；车轮扁疤；车轮多边形；波磨；焊接接头；悬挂故障；轴承故障；波纹度；车辆-轨道耦合动力学西南交通大学博士研究生学位论文第II

7、I页AbstractSpeedandsafetyarethedevelopmenttargetandeternalthemeforrailwaytransportation.Aspartofthehugesystemofhighspeedrailway,high-speedtrainadoptsthewayofwheel/railrollingcontacttocompletetasksofloadingandpassengertransport.Withthesignificantincreaseintrainspeed,thedynamicinteracti