随机载荷下含夹杂物动车车轮轮辋疲劳可靠性分析

摘要

轮对是高速动车组的关键部件之一，也是服役条件最苛刻的部件之一，直接承受了来自轨道车辆的全部动、静载荷，并在整个车辆系统中起着直接传递轮轨作用力的作用。随着动车组运行速度的不断提高，运输能力的不断增强，车辆安全性和可靠性方面的问题也随之增多，研究与钢轨直接接触的车轮，对于保证车辆安全和可靠性运行具有十分重要的意义。本文主要以CRH5型动车组车轮为研究对象，对随机载荷下含夹杂物动车车轮轮辋的疲劳寿命及其可靠性进行相关研究，具体内容如下:
　　首先，基于多体动力学理论和相应的动力学参数，在多体动力学软件SIMPACK中建立CRH5型轨道车辆的动力学模型。使建立的轨道车辆动力学模型以不同的速度通过加有激励的直线和曲线线路，通过仿真分析得到轨道车辆的平稳性和安全性指标，可知建立的轨道车辆动力学模型安全性和舒适性较高，满足日常运行的要求。
　　其次，在建立的轨道车辆动力学模型基础上，仿真得到不同速度下轮轨载荷时间历程。根据线路实际情况和设计规范，在建立的SIMPACK动力学模型中对有代表性的曲线工况和直线工况进行仿真分析，得到不同速度、不同工况下的轮轨横向力和垂向力时间历程，最后通过线路的组合形成不同速度下轮轨载荷时间历程，为更真实的计算车轮疲劳寿命和可靠度作了铺垫。
　　然后，采用有限元方法分析含夹杂物动车车轮轮辋在随机载荷作用下的疲劳寿命。在建立的含夹杂物动车车轮轮辋有限元模型中进行瞬态分析，分析得到危险部位的应力时间历程，将不同速度下危险部位的应力时间历程进行雨流计数统计和不同置信度、存活率下的S-N曲线进行平均应力修正，结合Miner线性累积损伤法则对含夹杂物的车轮轮辋进行疲劳寿命预估。结果表明:随着速度的提高，含夹杂物动车车轮轮辋的疲劳寿命明显缩短，而且不同的置信度和存活率对含夹杂物动车车轮轮辋疲劳寿命影响很大。
　　最后，确定了含夹杂物动车车轮轮辋在不同影响因素下的可靠度。对不同速度下危险部位应力时间历程进行处理和分布拟合，并根据结构材料的概率疲劳可靠性曲线得到不同期望寿命下的疲劳强度分布，基于应力-强度干涉模型求出不同影响因素下含夹杂物动车车轮轮辋的可靠度。结果表明:期望寿命对车轮轮辋可靠度影响最大，其次是期望置信度，而速度对其影响相对较小。
　　本文的研究内容可为列车检修周期提供一定程度上的指导，为进一步分析轮轴系统可靠性评价提供理论和技术支持，为我国高速列车安全运行提供支撑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轮轨载荷相关研究

1．2．2 车轮缺陷相关研究

1．2．3 车轮疲劳可靠性相关研究

1．3 本文主要内容及技术路线图

1．3．1 本文主要内容

1．3．2 技术路线图

第二章 轨道车辆动力学建模与分析

2．1 SIMPACK软件简介

2．2 多体动力学方程理论基础

2．2．1 广义坐标和坐标变换

2．2．2 牛顿-欧拉方程

2．2．3 拉格朗日方程

2．3 基于SIMPACK的轨道车辆动力学模型建立

2．4 车辆运行平稳性评价

2．4．1 直线运行平稳性分析

2．4．2 曲线运行平稳性分析

2．5 车辆运行安全性评价

2．5．1 直线运行安全性分析

2．5．2 曲线运行安全性分析

2．6 本章小结

第三章 不同速度下动车轮轨随机载荷研究

3．1 疲劳载荷理论

3．2 列车运行工况编制

3．3 不同速度下轮轨载荷情况

3．3．1 速度100km／h时不同工况的轮轨载荷情况

3．3．2 速度200km／h时不同工况的轮轨载荷情况

3．4 不同速度下编制的轮轨载荷时间历程

3．5 本章小结

第四章 不同因素下含夹杂物动车车轮轮辋疲劳寿命预估

4．1 疲劳基本理论

4．1．1 疲劳基本概念

4．4．2 载荷谱理论

4．1．2 疲劳寿命预测方法

4．2 含夹杂物动车轮轴有限元模型的建立

4．3 危险部位应力时间历程的获取

4．4 雨流计数法统计得到危险部位应力谱

4．4．1 雨流计数法原理

4．4．2 不同速度下应力时间历程的雨流计数统计

4．5 S-N曲线修正

4．6 不同因素下含夹杂物动车车轮轮辋疲劳寿命预估

4．7 本章小结

第五章 不同因素下含夹杂物动车车轮轮辋可靠度计算

5．1 应力-强度干涉理论

5．2 不同速度下应力分布的确定

5．3 不同期望寿命下疲劳强度分布的确定

5．4 不同因素下含夹杂物动车车轮轮辋可靠度计算

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果