地铁列车车轮磨耗数值仿真及偏磨原因分析

摘要

地铁车辆投入运营后，随运营里程增加车轮将不可避免地会产生磨耗。由于地铁线路存在小半径曲线、站间距较短、列车频繁启动和制动等，轮对可能出现各种各样的异常磨耗现象，如磨耗速率过大和车轮偏磨等。由车轮异常磨耗引起的频繁镟修将会大大缩短车轮使用寿命。此外，车轮磨耗还会影响车辆运动稳定性、平稳性和舒适性等，进而对行车安全构成威胁。因此，有必要对车轮磨耗展开深入研究。　　本文以国内某条地铁线路为研究对象，对线路运营车辆出现的车轮异常磨耗现象进行分析，在此基础上探究牵引工况下地铁列车动车、拖车车轮磨耗特性，提出列车车轮磨耗减缓措施。主要工作与结论如下：　　(1)通过跟踪测试发现，车辆出现较为明显的车轮偏磨的异常磨耗现象，左侧车轮以轮缘磨耗为主，右侧车轮以踏面磨耗为主。　　(2)基于商业多体动力学软件UM建立包括车辆动力学模型、轮轨接触模型以及Archard材料摩擦磨损模型为一体的地铁车辆车轮磨耗预测模型。磨耗模型预测结果与车轮磨耗测试结果基本一致，车轮偏磨规律吻合较好，验证了车轮磨耗预测模型的准确性。结果发现，线路小半径曲线的分布不对称是造成车轮偏磨的主要原因，列车采取不掉头运行使得车轮偏磨问题更加严重。　　(3)利用建立的地铁车辆车轮磨耗预测模型，仿真计算不同掉头里程下车轮的磨耗。结果表明，列车定期掉头行驶能缓解车轮偏磨现象，最佳掉头里程数为2×104~4×104km。小半径曲线占比对车轮磨耗的影响较大，左、右小半径曲线百分比差值减至3%时，可不采取掉头措施。　　(4)考虑地铁列车编组形式、列车牵引和制动模型，将建立的地铁车辆车轮磨耗预测模型拓展到列车车轮磨耗预测模型，研究牵引工况下动车、拖车车轮磨耗。仿真结果表明，牵引力增加，动车车轮磨耗增加明显；线路坡度每增加10‰，最大磨耗深度增加约为无牵引力状态的15%~20%；作用于轮对上的牵引力将会使得轮轨纵向蠕滑力和横向蠕滑力重新分配，牵引力增大，轮对导向能力减弱，拖车导向能力要优于动车；分析列车不同编组模式对列车车轮磨耗的影响，采用动车-拖车-动车(M-T-M)编组单元工况下动车车轮磨耗比拖车-动车-动车(T-M-M)编组单元的大，而拖车车轮刚好相反。从考虑车轮磨耗的角度，动车不宜作为列车的头车。　　(5)利用所建立的列车车轮磨耗预测模型，对列车启动工况下的车轮磨耗进行研究。研究结果表明，增加牵引力使得启动加速度变大，同时启动时间将缩短，但会带来更大的车轮磨耗；在车辆无法避免曲线上启动的情况下，应当根据前直线的长度来选取合适的启动加速度。通过仿真对比不同启动加速度下车轮踏面、轮缘磨耗规律，提出列车启动加速度选取判断公式。当前直线距离较短(约小于50m)，应选用较大的启动加速度(1.5 m/s2)；当前直线长度较长(约大于110m)，应选用较小的启动加速度(1.0 m/s2)。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外

1.2.2 国内

1.3 本文主要研究内容

第2章轮轨磨耗测试及分析

2.1 车轮磨耗

2.1.1 测试及评价方法

2.1.2 测试结果及分析

2.2 钢轨磨耗

2.2.1 测试及评价方法

2.2.2 测试结果及分析

2.3 本章小结

第3章 车轮偏磨原因分析及控制措施研究

3.1 车辆动力学模型

3.2 轮轨滚动接触模型

3.2.1 轮轨法向问题求解

3.2.2 轮轨切向问题求解

3.3 材料摩擦磨损模型

3.4 车轮磨耗数值仿真计算及验证

3.4.1 轨道线路模型

3.4.2 仿真迭代过程

3.4.3 车轮磨耗计算及模型验证

3.4.4 车轮偏磨原因分析

3.5 车轮偏磨控制措施研究

3.5.1 掉头对车轮磨耗的影响

3.5.2 小半径曲线占比对车轮磨耗的影响

3.6 本章小结

第4章牵引/制动对地铁列车车轮磨耗影响研究

4.1 地铁线路坡道现场调研

4.2 地铁列车车辆动力学模型

4.3 列车牵引模型

4.4 列车阻力模型

4.5 恒速工况下牵引力对地铁车轮磨耗影响

4.5.1 直线

4.5.2 曲线半径R800 m

4.5.3 曲线半径R650 m

4.5.4 曲线半径R350 m

4.6 恒速工况下制动力对地铁车轮磨耗影响

4.7 列车牵引状态下轮对导向特性研究

4.8 列车不同编组模式对车轮磨耗影响

4.9 本章小结

第5章 地铁列车启动工况下车轮磨耗研究

5.1 直线启动工况下车轮磨耗研究

5.2 曲线启动工况下车轮磨耗研究

5.2.1 启动前直线25 m

5.2.2 启动前直线60 m

5.2.3 启动前直线120 m

5.3 列车启动磨耗控制方法研究

5.4 本章小结

结论与展望

1. 主要结论

2. 工作展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目

学位论文数据集