基于系统动力学的大轴重货车轮轨磨耗研究

摘要

2006年，我国25t轴重货车投入大秦线运用;2014年新一代27t轴重货车在大秦线进行商业性线路运行，30t轴重货车在朔黄铁路开始运用考验。这些成就表明我国铁路货运已进入重载新时代。随着轴重增加，我国车轮、钢轨磨耗及各种动力学问题日渐突出。大秦线25t轴重运煤专用敞车95％以上车轮在2年内即须镟修。轮轨磨耗已严重制约重载运输发展，甚至危及行车安全，成为重载技术研究的核心问题之一。
　　本文以既有货车轮轨磨耗的调查及线路试验为基础，建立了大轴重货车轮轨磨耗仿真模型，研究了我国铁路重载服役条件下轮轨界面管理对轮轨磨耗的影响、典型车轮磨耗的形成和控制、车轮磨耗与车辆动力学性能的演变关系、低动力转向架降低轮轨磨耗的效果、制动工况对轮轨磨耗的影响等一系列问题。具体的研究内容有以下几个方面:
　　1.论文首先依据我国重载铁路货车的实际结构、参数和运用线路建立了货车动力学模型:斜楔等主要摩擦件采用粘着-滑动干摩擦模型;径向转向架导向臂等变形较大的主要部件则采用刚柔耦合动力学模型。研究结果表明:斜楔干摩擦接触模型得到的相对摩擦系数等结果与试验结果有很好的一致性，能反映垂向加载频率等外部条件对转向架减振能力的影响，并能模拟出斜楔横向减振力和转向架抗菱刚度的滞环特性;径向转向架U形副构架结构刚度对车辆动力学性能有一定影响，采用刚柔耦合动力学模型不但能得到更高的计算精度，还能得到动力学性能更优和更轻量化的设计。
　　2.在上述车辆动力学模型基础上，本文将车辆动力学模型、轮轨接触模型、轮轨磨耗模型、轮轨外形更新及运行工况统一组织在动力学软件中，采用SIMPACK软件内嵌的子程序进行动力学计算和磨耗过程的工况和数据组织，实现了轮轨磨耗的自动迭代计算。基于轮轨蠕滑理论的轮轨接触和磨耗模型，对FASTSIM算法和CONTACT算法的计算效率和精度进行了对比，并将其运用到磨耗计算的不同阶段;采用切比雪夫多项式曲线拟合方法，进行磨耗轮轨外形的平滑计算，可有效的提高原始数据的光滑性，降低因局部毛刺形成的不真实多点接触，提高磨耗计算的鲁棒性。
　　3.采用以上程序对我国大轴重货车轮轨界面管理的轮轨外形配合、材质选择及摩擦控制3个方面进行了研究。结果表明:标准LM踏面与R75轨配合时接触斑面积和接触应力变化剧烈，轮轨磨耗比R60轨明显增大，采用提高强度R60轨更符合我国重载铁路的实际情况;采用硬度更高的新型材质CL70钢车轮后，钢轨磨耗增加量远小于车轮磨耗的减少量。在所计算的工况下，钢轨磨耗而积最大仅增加约2.48％，而车轮磨耗面积却可降低约31.87％，具有较高的经济价值;轮轨摩擦控制可以显著降低轮轨磨耗，曲线轨侧摩擦控制主要减小外轨车轮轮缘和外轨轨角磨耗。轨侧+轨顶摩擦控制时不论直线还是曲线，均可同时减小两侧车轮和钢轨磨耗。
　　4.调查显示车轮凹槽磨耗和车轮局部磨耗形成的扁疤是我国重载货车车轮磨耗的典型形式之一。本文以凹槽磨耗和车轮扁疤磨耗对车辆动力学性能和轮轨相互作用的影响为出发点，研究了其成因和发展，并建议我国重载货车车轮凹槽磨耗深度维修限度为2.0mm、车轮擦伤或剥离形成的扁疤深度维修限度为1.0mm。
　　5.车轮磨耗与车辆动力学是相互耦合的。车轮磨耗与车辆运行里程、轴重和运行速度呈近似线性关系，据此并按车轮等量磨耗的计算方法，可以选择确定不同轴重下车辆的经济运营速度。此外，轮轨相互作用和磨耗的相关研究还表明，径向转向架是实现重载货车低动力、低运行阻力、低能耗和低磨耗的有效技术手段。
　　6.假设闸瓦磨耗与轮瓦摩擦功成线性关系。将轮轨磨耗模型进行推广，建立了我国大轴重货车空气制动系统和转向架基础制动的动力学模型和车轮-闸瓦磨耗模型，并计算了制动工况下的闸瓦和轮轨磨耗。大秦线制动工况下，现有高摩合成闸瓦的磨耗率约为3.63mm/万km，考虑制动后车轮平均磨耗深度和磨耗面积将分别增加约6.21％和3.73％。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 国外货车轴重

1．1．2 我国重载运输及大轴重货车

1．1．3 轮轨磨耗研究意义

1．2 我国既有货车车轮磨耗调查

1．2．1 测量方法

1．2．2 典型磨耗型式

1．2．3 既有货车车轮磨耗

1．3 国内外轮轨磨耗研究

1．3．1 国内外实验室试验

1．3．2 国外理论研究

1．3．3 国内理论研究

1．3．4 存在问题

1．4 本文研究内容

第2章 大轴重货车系统动力学模型研究

2．1 多体动力学货车模型

2．1．1 货车转向架主要结构

2．1．2 货车系统动力学模型

2．2 干摩擦非线性悬挂模型

2．2．1 干摩擦粘滑特性

2．2．2 中央悬挂模型

2．3 刚柔耦合动力学模型

2．3．1 机构运动及受力分析

2．3．2 结构模态选择

2．3．3 工程实例

2．4 本章小结

第3章 轮轨磨耗模型及计算方法

3．1 基本过程

3．2 轮轨滚动接触模型

3．2．1 Hertz接触

3．2．2 Carter理论

3．2．3 J—V理论

3．2．4 Kalker线性理论

3．2．5 Kalker精确理论

3．2．6 Kalker简化理论

3．2．7 CONTACT与FASTSIM接触计算对比

3．3 轮轨磨耗模型

3．3．1 Archard磨耗模型

3．3．2 Krause／Poll，Specht，Zobory磨耗功模型

3．3．3 Derby，Braghin磨耗模型

3．4 计算数据结构和组织

3．4．1 接触斑磨耗与轮轨磨耗关系

3．4．2 运行工况组织

3．5 外形平滑重构

3．5．1 平滑方法

3．5．2 效果评估

3．6 本章小结

第4章 轮轨界面管理与轮轨磨耗

4．1 外形配合

4．1．1 接触几何关系

4．1．2 接触力学分析

4．1．3 动力作用下磨耗分析

4．2 材质配合

4．2．1 我国新材质车轮研究

4．2．2 单一线路工况磨耗

4．2．3 大秦线运行工况磨耗

4．3 轮轨摩擦控制

4．3．1 轮轨摩擦控制原理

4．3．2 摩擦系数设置

4．3．3 曲线轮轨磨耗

4．3．4 直线轮轨磨耗

4．4 本章小结

第5章 典型车轮磨耗形成及控制

5．1 凹槽形磨耗

5．1．1 凹槽形磨耗定义和调查

5．1．2 凹槽形磨耗对车辆动力学性能的影响

5．1．3 凹槽形磨耗发展和成因

5．2 非圆磨耗

5．2．1 货车车轮非圆磨耗现状及危害

5．2．2 扁疤数学描述

5．2．3 扁疤冲击响应

5．2．4 扁疤限度

5．3 本章小结

第6章 车轮磨耗与车辆动力学性能相互影响

6．1 车轮磨耗演变及动力学性能影响

6．1．1 磨耗演变

6．1．2 车辆直线动力学性能演变

6．1．3 车辆曲线通过性能演变

6．2 轴重与速度对车轮磨耗影响

6．2．1 环行线磨耗速率估计

6．2．2 大秦线镟修比例估计

6．2．3 轴重与车轮磨耗

6．2．4 经济运营速度选择

6．3 低动力作用转向架轮轨磨耗

6．3．1 结构介绍及技术要点

6．3．2 轮轨相互作用力

6．3．3 摩擦能量消耗

6．3．4 车轮磨耗

6．4 本章小结

第7章 制动工况下轮瓦磨耗研究

7．1 闸瓦磨耗模型

7．2 制动工况轮轨关系

7．3 制动工况轮瓦磨耗

7．3．1 闸瓦磨耗

7．3．2 制动工况车轮磨耗

7．4 本章小结

结论及展望

主要结论

工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果