跨座式单轨列车走行轮轮胎工作模态与偏磨关系研究

摘要

跨座式单轨列车在重庆推广运营过程中出现了严重的走行轮轮胎偏磨现象并引发一系列安全、环境、运行成本高等问题，因此，研究跨座式单轨列车走行轮轮胎的偏磨机理和偏磨控制方法具有重要的理论意义和工程应用价值。 跨座式单轨列车走行机制存在一定特殊性，其转向架的超静定性、多轮系和轨道梁的多弯道、小曲率等特点使其有别于其它交通方式。走行轮轮胎与轨道梁接触摩擦特性是研究走行轮轮胎偏磨的基础。为更精确描述走行轮轮胎与轨道梁之间的接触特性，综合考虑了微观解析摩擦模型和唯象模型优缺点，提出了跨座式单轨车辆轮轨摩擦模型，并采用摩擦磨损试验机测试了走行轮轮胎胎面橡胶摩擦特性，研究了胎面橡胶摩擦系数随接触压力和滑移速度的变化规律。 采用模态测试设备获取 205/55R16 型子午线轮胎自由模态与双胎并装约束模态，并与有限元仿真结果对比，验证了子午线轮胎有限元建模方法的可靠性与准确性。在此基础上，建立了走行轮轮胎（345/85R16）有限元模型，仿真计算了自由模态、单胎约束模态和双胎并装约束模态。结果表明，不同约束状态下走行轮轮胎的一阶扭转振型一致，都呈现沿轮胎前进方向一侧倾斜的特点，当走行轮轮胎以该振型长时间滚动时易发生偏磨，且走行轮轮胎在双胎并装约束条件下的一阶扭转频率分别比无约束和单胎约束条件分别下降 2.4% 和 1.3%，更易处于偏磨激励频率范围内，故走行轮轮胎双胎并装时，其一阶扭转模态更易被触发。 为研究走行轮轮胎偏磨的影响因素，基于行波理论，利用上述走行轮单胎和双胎并装的有限元模型，计算了考虑滚动效应的工作模态。结果表明：走行轮单胎和双胎并装时，其一阶扭转频率都会发生分叉，即前行波频率大于后行波频率；两种安装方式下的一阶扭转模态前行波（或后行波）频率一致。为此，以走行轮单胎为研究对象计算前后行波频率差，发现前后行波频率差增大会加剧走行轮轮胎偏磨。分析了载荷、速度、充气压力和侧偏角等外部因素对走行轮轮胎一阶扭转前后行波频率差的影响。结果表明：随着载荷、速度和侧偏角的增加和充气压力的减小，走行轮轮胎一阶扭转前后行波频率差都呈上升趋势，且侧偏角比载荷、速度和充气压力对一阶扭转前后行波频率差的影响更大。 为探索走行轮轮胎结构参数对轮胎偏磨的影响，通过有限元方法分析了带束层钢丝帘线排布角度、弹性模量等结构参数对走行轮轮胎一阶扭转前后行波频率差的影响规律。结果表明：2、3 号带束层钢丝帘线角度差、0°带束层钢丝帘线弹性模量与走行轮轮胎一阶扭转前后行波频率差呈正相关；适当改变2、3号带束层钢丝帘线角度差或 0°带束层钢丝帘线弹性模量可改善走行轮轮胎的偏磨性能，对解决走行轮轮胎偏磨问题提供了参考依据。

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