鐵路車輛車輪型面優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、輪軌幾何型面匹配關(guān)系直接影響鐵路車輛的運行性能、運輸成本和運行安全，一直是國內(nèi)外鐵路工作者的重要研究課題。雖然人們通過對輪軌型面的優(yōu)化設(shè)計取得了非常豐富的成果，但該問題仍未得到很好地解決。隨著列車運行速度的提高，輪軌界面動態(tài)作用加劇，輪軌磨耗現(xiàn)象變得更為突出。因此，以降低輪軌動態(tài)作用力改善輪軌接觸狀態(tài)為目的，結(jié)合車輛系統(tǒng)動力學(xué)開展輪軌型面優(yōu)化設(shè)計研究，對鐵路輪軌損傷綜合防治具有重要工程應(yīng)用價值和理論指導(dǎo)意義。
　　本文發(fā)展了鐵路車

2、輛車輪型面的兩種設(shè)計方法，分別是依據(jù)鋼軌型面的車輪型面設(shè)計方法和車輪型面數(shù)值優(yōu)化模型。依據(jù)鋼軌型面設(shè)計車輪型面的設(shè)計方法是發(fā)展了Leary等人的鋼軌型面擴展法，用解析表達式將反映動力學(xué)性能的輪對等效錐度與代表輪軌型面共形度的鋼軌型面擴展系數(shù)聯(lián)系起來，并將擴展系數(shù)視為設(shè)計變量，可以設(shè)計不同等效錐度、輪軌間隙并能適合不同軌底坡的多種車輪型面。在Shevtsov、Jahed等人的工作基礎(chǔ)上，利用3次樣條理論提出了數(shù)值優(yōu)化約束條件，并根據(jù)輪軌蠕

3、滑理論提出了目標滾動圓半徑差曲線的確定方法。
　　在論文第4、5和6章中，根據(jù)鋼軌型面設(shè)計了車輪型面，通過輪軌接觸特性分析和車輛動力學(xué)計算，分別研究了輪對等效錐度、輪軌名義間隙以及鋼軌軌底坡對車輛動力學(xué)性能和輪軌作用特性的影響。第7章對一個鏇修周期內(nèi)某高速動車組車輪型面磨耗連續(xù)跟蹤測量結(jié)果進行了詳細分析，針對測量結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合前面章節(jié)研究結(jié)果提出了車輪型面設(shè)計的新建議。
　　本論文主要結(jié)果和結(jié)論如下。
　　(1

4、)在輪對等效錐度與車輛動力學(xué)性能的關(guān)系方面，車輛臨界速度并不嚴格地與輪對等效錐度平方根成反比。而是存在一個臨界速度比較高的小錐度區(qū)域，等效錐度在該區(qū)域的變化不會引起臨界速度明顯變化。等效錐度大于該區(qū)域時車輛臨界速度方與等效錐度的平方根成反比。錐度太小將導(dǎo)致輪對恢復(fù)對中位置能力不足，在一定的情況下車輛臨界速度隨等效錐度的減小而迅速降低。磨耗型車輪型面在上述小等效錐度范圍內(nèi)臨界速度與錐形型面幾乎相同。等效錐度應(yīng)隨輪對橫移量的增大而持續(xù)增大，

5、在輪緣接觸前形成輪對等效錐度較高的過渡平臺，可以提高車輛曲線通過性能，有效地減少輪緣接觸。
　　(2)關(guān)于“輪軌名義間隙”對車輛動力學(xué)性能及輪軌接觸特性影響方面。通過不同輪軌名義間隙車輪型面的設(shè)計分析表明，輪軌名義間隙的減小會導(dǎo)致車輛臨界速度明顯降低，并在軌道不平順作用下容易發(fā)生輪緣接觸。但是，若輪對等效錐度設(shè)計適當(dāng)，仍可獲得足夠高的臨界速度，并減小輪緣接觸幾率。對于采用較小輪軌間隙的錐形車輪型面，車輛臨界速度明顯降低，并低于磨耗

6、型車輪型面所對應(yīng)的臨界速度。錐形型面輪對在軌道不平順作用下發(fā)生較大橫移量時無法提供足夠大的輪徑差，故不可避免地發(fā)生輪緣接觸。因此，輪軌名義間隙對車輛動力學(xué)性能和輪軌接觸狀態(tài)影響均很大。
　　(3)關(guān)于軌底坡對車輛動力學(xué)性能及輪軌作用力的影響方面。軌底坡的變化對錐形車輪輪對等效錐度影響很小，故對車輛臨界速度、曲線通過性能、輪軌作用力未構(gòu)成實質(zhì)影響。而依據(jù)不同軌底坡設(shè)計的磨耗型輪對的臨界速度有差別，軌底坡越大它們臨界速度差異越大，但磨

7、耗型輪對均存在著臨界速度較高的小等效錐度工作區(qū)域。只是由于設(shè)計的磨耗型輪對的等效錐度隨著軌底坡的增大而增大，能夠兼顧最佳鋼軌受力狀態(tài)的高臨界速度等效錐度區(qū)域變窄。依據(jù)不同軌底坡設(shè)計的并具有相同等效錐度的輪對通過曲線性能和輪軌動態(tài)作用力無實質(zhì)差別。因此，軌底坡僅對車輛臨界速度有影響。
　　(4)車輪型面磨耗跟蹤測量結(jié)果分析可知，車輪踏面和輪緣平均累積磨耗深度變化規(guī)律基本一致，表明車輪型面異常磨耗現(xiàn)象得到緩解。跟蹤測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，列車的