基于径向机构误差的快速货车转向架动力学性能研究

摘要

提高铁路运输效率和能力是铁路货物运输发展长期以来的宗旨与目标。因此快速货车转向架作为解决运输需求与运输能力间矛盾的一大重要形式，是货车转向架发展过程中重点关注、研究的对象之一。随着我国经济的迅猛发展以及高速铁路运输的不断深化，铁路货物运输多元化的趋势不断显现，对快速货运的需求不断加大，因此，完善我国快速货运转向架技术，提高货物运输效率与经济性势在必行。随着车辆速度的提升，轮轨间的作用力以及车辆系统的振动响应都将更为显著，车辆运行的平稳性、安全性相应面临着更大挑战。因此，对可能影响转向架运行性能的相关因素需要更为严格的控制，以保障其具有良好的动力学性能。
　　在总结海内外典型快速货车转向架技术的基础上，选取一种带有径向机构的转向架为研究对象，对其进行了相应的动力学理论分析，并基于多体动力学研究方法，分别在SIMPACK软件中建立了整车刚体动力学模型以及基于柔性径向拉杆的刚柔耦合动力学模型，并对比两种模型振动响应差异。径向拉杆作为径向机构中的关键结构，重点分析研究其可能产生的结构误差对整车动力学性能影响。考察误差包括一定范围内拉杆长度误差以及球铰接头的径向刚度误差，影响性能选取车辆直线运行平稳性与稳定性、曲线通过性能与磨耗等。通过对不同车辆转向架径向拉杆误差设置以及不同线路条件设置下动力学系统的模拟计算，得到径向机构误差对车辆系统动力学性能影响分析结果。
　　直线稳定性与平稳性分析结果表明，径向拉杆杆长误差变化对车辆系统直线运行稳定性指标均有不良影响，对平稳性中横向相关指标有一定不良影响而对垂向指标造成小范围波动。球铰径向刚度在所考虑误差范围内认为对车辆稳定性及平稳性指标影响微弱，可忽略不计。
　　曲线通过性能及磨耗分析结果显示，径向拉杆杆长误差不仅使得曲线安全性指标有所恶化，同时由于同一转向架径向拉杆长度不对称所造成的轮对不正位状态使得车辆在通过曲线时轮对冲角与横移量大幅上升，并在此后直线段也始终保持轮对倾斜状态从而大大加剧了轮轨全线磨耗。球铰径向刚度在所考虑误差范围内，其误差变动对曲线通过性能与轮轨磨耗带来的影响不足以覆盖线路激励所引起的数值波动影响，仅可见随刚度值的增大轮对冲角具有持续增大趋势，但增幅较小。可认为在一定环境因素与时间作用下造成的球铰刚度变化是可以接受的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 国内外快速货车转向架现状

1．2．1 国外快速货车转向架

1．2．2 国内快速货车转向架

1．3 国内快速货车动力学及转向架误差影响研究现状

1．3．1 快速货车动力学研究现状

1．3．2 转向架误差影响研究现状

1．4 本文主要工作内容

第2章 转向架整体结构与刚体动力学模型

2．1 快速货车径向转向架整体结构

2．2 车辆系统刚体动力学模型

2．2．1 多刚体系统动力学简要介绍

2．2．2 动力学软件简要介绍

2．2．3 车辆动力学微分方程

2．2．4 车辆刚体动力学模型的建立

2．3 本章小结

第3章 基于柔性径向拉杆的刚柔耦合动力学模型

3．1 刚柔耦合动力学理论基础

3．2 柔性杆刚柔耦合模型建立

3．2．1 径向拉杆有限元模型

3．2．2 径向拉杆模态分析

3．2．3 径向拉杆子结构模态分析

3．2．4 刚柔耦合模型建立

3．3 刚体模型与刚柔耦合模型模态分析

3．4 径向拉杆振动响应对比分析

3．4．1 径向交叉拉杆质心振动位移对比

3．4．2 径向交叉拉杆质心振动加速度对比

3．5 本章小结

第4章 径向机构误差对直线运行性能影响

4．1 直线运行稳定性评价

4．1．1 蛇行运动失稳临界速度

4．1．2 构架超限横向加速度数量统计评价方法

4．1．3 轮轨导向力之和与构架横向加速度滑动RMS值评价方法

4．2 车辆直线运行平稳性评价

4．3 径向拉杆杆长误差对直线运行稳定性影响

4．3．1 杆长误差对轮轨导向力之和与构架横向加速度滑动RMS值影响

4．3．2 杆长误差对轴箱上方构架横向加速度值影响

4．3．3 杆长误差对蛇行运动失稳临界速度影响

4．4 杆长误差对直线运行平稳性影响

4．4．1 单杆误差对车体平稳性指标影响

4．4．2 双杆误差对车体平稳性指标影响

4．5 球铰径向刚度误差对直线运行稳定性影响

4．5．1 球铰径向刚度误差对轮轨导向力之和与构架横向加速度滑动RMS值影响

4．5．2 球铰径向刚度误差对轴箱上方构架横向加速度值影响

4．5．3 球铰径向刚度误差对蛇行运动失稳临界速度影响

4．6 球铰径向刚度误差对直线运行平稳性影响

4．7 本章小结

第5章 径向机构误差对曲线通过性能影响

5．1 曲线通过安全性评价

5．1．1 轮轨横向力

5．1．2 轮轴横向力

5．1．3 脱轨系数

5．1．4 轮重减载率

5．2 轮轨磨耗评定方法

5．2．1 Heumann磨耗指数

5．2．2 Marcotte，Kaldwell，List磨耗指数

5．2．3 轮轨磨耗功与磨耗功率

5．2．4 Elkins磨耗指数

5．3 线路设置

5．4 杆长误差对车辆曲线通过性能与磨耗影响

5．4．1 杆长误差对车辆曲线通过性能影响

5．4．2 杆长误差对车辆曲线磨耗相关指标影响

5．4．3 无激励圆曲线段杆长误差对车辆通过性能与磨耗相关指标影响

5．5 球铰径向刚度误差对车辆曲线通过性能与磨耗影响

5．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文