基于几何与动力学参数的山区线路地铁车辆轮轨磨耗控制研究

摘要

地铁车辆轮轨磨耗会使轮轨接触关系发生变化，引起车辆系统动力响应的改变，直接影响地铁车辆的运行安全性，平稳性，稳定性以及运营成本。在山区线路条件下，由于线路等级低、沿途坡度大、曲线半径小、弯道多等原因，轮轨磨耗的问题更为突出。
　　本研究以减小轮轨磨耗，延长轮轨使用寿命为目的，基于几何与动力学参数对山区线路运行条件下的地铁车辆轮轨磨耗控制进行了深入研究，主要研究内容及创新点如下:
　　1)基于轮轨磨耗理论和车辆系统动力学理论，运用SIMPACK软件建立地铁车辆系统动力学模型，并对地铁车辆动力学性能和轮轨磨耗进行仿真模拟分析;
　　2)参照《地铁设计规范》建立了不同的轨道线路动力学模型，分析计算了轨道参数（包括曲线半径、超高、缓和曲线、轨距、轨底坡、轨道润滑）分别对轮轨磨耗的影响规律，并据此提出山区线路条件下的减磨措施;
　　3)研究了车辆系统参数（包括车辆几何参数和动力学参数）等对轮轨磨耗的影响规律，发现车辆系统参数的合理设置可以有效控制轮轨磨耗，且几何参数对轮轨磨耗影响较大;
　　4)利用modeFRONTIER软件建立了以车辆动力学参数为优化变量，以磨耗功、轮轨横向力和轮对冲角为磨耗目标，以临界失稳速度、脱轨系数、轮重减载率等动力学性能为约束条件的多目标优化模型，打破了传统优化方法，实现多参数多目标优化，提高了优化精度。
　　5)首次实现了modeFRONTIER和SIMPACK的联合仿真，实现了设计参数和目标参数在两个软件间的数据传递，并成功应用于地铁车辆动力学参数优化。根据遗传算法得到车辆动力学参数合理的取值区间，实现了轮轨磨耗的有效控制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文选题背景

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容

1．4 研究方法及技术路线

第二章 轮轨磨耗理论基础

2．1 轮轨磨耗的形成机理

2．2 轮轨滚动接触理论

2．3 磨耗模型

2．3．1 Archard磨耗模型

2．3．2 磨耗功磨耗模型

2．4 磨耗评价方法

2．5 本章小结

第三章 车辆／线路系统动力学仿真模型研究

3．1 多体系统动力学理论

3．2 车辆-轨道动力学模型

3．2．1 车辆系统动力学方程

3．2．2 线路动力学方程

3．3 基于SIMPACK的地铁车辆动力学仿真模型研究

3．3．1 车辆子模型

3．3．2 轮轨接触子模型

3．3．3 线路子模型

3．3．4 车辆动力学仿真模型的构建

3．4 本章小结

第四章 线路参数对地铁车辆轮轨磨耗的影响研究

4．1 地铁车辆曲线运行动力学分析

4．1．1 研究方法及评价指标

4．1．2 车辆运行安全平稳性

4．1．3 轮轨相互作用力与轮轨接触磨耗

4．2 轨道参数对轮轨磨耗的影响分析

4．2．1 曲线半径对轮轨磨耗的影响

4．2．2 曲线超高对轮轨磨耗的影响

4．2．3 缓和曲线长度对轮轨磨耗的影响

4．2．4 轨距对轮轨磨耗的影响

4．2．5 轨底坡对轮轨磨耗的影响

4．2．6 轮轨摩擦系数对轮轨磨耗的影响

4．3 本章小结

第五章 车辆系统参数对地铁车辆轮轨磨耗的影响研究

5．1 车辆几何参数对轮轨磨耗的影响分析

5．1．1 车轮半径对轮轨磨耗的影响

5．1．2 转向架轴距对轮轨磨耗的影响

5．1．3 一系悬挂横向跨距对轮轨磨耗的影响

5．2 车辆动力学参数对轮轨磨耗的影响分析

5．2．1 车速对轮轨磨耗的影响

5．2．2 悬挂系统参数对轮轨磨耗的影响

5．2．3 车体质心位置参数对轮轨磨耗的影响

5．3 本章小结

第六章 基于车辆系统参数优化的轮轨磨耗控制研究

6．1 理论基础

6．1．1 软件介绍

6．1．2 遗传算法

6．1．3 多目标优化

6．2 SIMPACK与modeFRONTIER联合仿真的实现

6．2．1 SIMPACK的设置

6．2．2 modeFRONTIER的设置

6．2．3 优化的流程

6．3 优化设计

6．3．1 车辆动力学模型的建立

6．3．2 设计变量和目标函数的选择

6．3．3 优化设计流程的搭建

6．3．4 优化策略的确定

6．4 优化结果分析

6．4．1 优化目标和约束的变化

6．4．2 相关性分析

6．4．3 设计变量取值

6．4．4 结果分析

6．5 本章小结

第七章 总结

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果