鐵路車(chē)輛車(chē)輪型面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、輪軌幾何型面匹配關(guān)系直接影響鐵路車(chē)輛的運(yùn)行性能、運(yùn)輸成本和運(yùn)行安全，一直是國(guó)內(nèi)外鐵路工作者的重要研究課題。雖然人們通過(guò)對(duì)輪軌型面的優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了非常豐富的成果，但該問(wèn)題仍未得到很好地解決。隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，輪軌界面動(dòng)態(tài)作用加劇，輪軌磨耗現(xiàn)象變得更為突出。因此，以降低輪軌動(dòng)態(tài)作用力改善輪軌接觸狀態(tài)為目的，結(jié)合車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)開(kāi)展輪軌型面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對(duì)鐵路輪軌損傷綜合防治具有重要工程應(yīng)用價(jià)值和理論指導(dǎo)意義。
　　本文發(fā)展了鐵路車(chē)

2、輛車(chē)輪型面的兩種設(shè)計(jì)方法，分別是依據(jù)鋼軌型面的車(chē)輪型面設(shè)計(jì)方法和車(chē)輪型面數(shù)值優(yōu)化模型。依據(jù)鋼軌型面設(shè)計(jì)車(chē)輪型面的設(shè)計(jì)方法是發(fā)展了Leary等人的鋼軌型面擴(kuò)展法，用解析表達(dá)式將反映動(dòng)力學(xué)性能的輪對(duì)等效錐度與代表輪軌型面共形度的鋼軌型面擴(kuò)展系數(shù)聯(lián)系起來(lái)，并將擴(kuò)展系數(shù)視為設(shè)計(jì)變量，可以設(shè)計(jì)不同等效錐度、輪軌間隙并能適合不同軌底坡的多種車(chē)輪型面。在Shevtsov、Jahed等人的工作基礎(chǔ)上，利用3次樣條理論提出了數(shù)值優(yōu)化約束條件，并根據(jù)輪軌蠕

3、滑理論提出了目標(biāo)滾動(dòng)圓半徑差曲線的確定方法。
　　在論文第4、5和6章中，根據(jù)鋼軌型面設(shè)計(jì)了車(chē)輪型面，通過(guò)輪軌接觸特性分析和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分別研究了輪對(duì)等效錐度、輪軌名義間隙以及鋼軌軌底坡對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能和輪軌作用特性的影響。第7章對(duì)一個(gè)鏇修周期內(nèi)某高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪型面磨耗連續(xù)跟蹤測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對(duì)測(cè)量結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合前面章節(jié)研究結(jié)果提出了車(chē)輪型面設(shè)計(jì)的新建議。
　　本論文主要結(jié)果和結(jié)論如下。
　　(1

4、)在輪對(duì)等效錐度與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)系方面，車(chē)輛臨界速度并不嚴(yán)格地與輪對(duì)等效錐度平方根成反比。而是存在一個(gè)臨界速度比較高的小錐度區(qū)域，等效錐度在該區(qū)域的變化不會(huì)引起臨界速度明顯變化。等效錐度大于該區(qū)域時(shí)車(chē)輛臨界速度方與等效錐度的平方根成反比。錐度太小將導(dǎo)致輪對(duì)恢復(fù)對(duì)中位置能力不足，在一定的情況下車(chē)輛臨界速度隨等效錐度的減小而迅速降低。磨耗型車(chē)輪型面在上述小等效錐度范圍內(nèi)臨界速度與錐形型面幾乎相同。等效錐度應(yīng)隨輪對(duì)橫移量的增大而持續(xù)增大，

5、在輪緣接觸前形成輪對(duì)等效錐度較高的過(guò)渡平臺(tái)，可以提高車(chē)輛曲線通過(guò)性能，有效地減少輪緣接觸。
　　(2)關(guān)于“輪軌名義間隙”對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能及輪軌接觸特性影響方面。通過(guò)不同輪軌名義間隙車(chē)輪型面的設(shè)計(jì)分析表明，輪軌名義間隙的減小會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛臨界速度明顯降低，并在軌道不平順作用下容易發(fā)生輪緣接觸。但是，若輪對(duì)等效錐度設(shè)計(jì)適當(dāng)，仍可獲得足夠高的臨界速度，并減小輪緣接觸幾率。對(duì)于采用較小輪軌間隙的錐形車(chē)輪型面，車(chē)輛臨界速度明顯降低，并低于磨耗

6、型車(chē)輪型面所對(duì)應(yīng)的臨界速度。錐形型面輪對(duì)在軌道不平順作用下發(fā)生較大橫移量時(shí)無(wú)法提供足夠大的輪徑差，故不可避免地發(fā)生輪緣接觸。因此，輪軌名義間隙對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能和輪軌接觸狀態(tài)影響均很大。
　　(3)關(guān)于軌底坡對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能及輪軌作用力的影響方面。軌底坡的變化對(duì)錐形車(chē)輪輪對(duì)等效錐度影響很小，故對(duì)車(chē)輛臨界速度、曲線通過(guò)性能、輪軌作用力未構(gòu)成實(shí)質(zhì)影響。而依據(jù)不同軌底坡設(shè)計(jì)的磨耗型輪對(duì)的臨界速度有差別，軌底坡越大它們臨界速度差異越大，但磨

7、耗型輪對(duì)均存在著臨界速度較高的小等效錐度工作區(qū)域。只是由于設(shè)計(jì)的磨耗型輪對(duì)的等效錐度隨著軌底坡的增大而增大，能夠兼顧最佳鋼軌受力狀態(tài)的高臨界速度等效錐度區(qū)域變窄。依據(jù)不同軌底坡設(shè)計(jì)的并具有相同等效錐度的輪對(duì)通過(guò)曲線性能和輪軌動(dòng)態(tài)作用力無(wú)實(shí)質(zhì)差別。因此，軌底坡僅對(duì)車(chē)輛臨界速度有影響。
　　(4)車(chē)輪型面磨耗跟蹤測(cè)量結(jié)果分析可知，車(chē)輪踏面和輪緣平均累積磨耗深度變化規(guī)律基本一致，表明車(chē)輪型面異常磨耗現(xiàn)象得到緩解。跟蹤測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，列車(chē)的