鐵路車輛車輪型面優(yōu)化設計研究.pdf

1、輪軌幾何型面匹配關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，結合車輛系統(tǒng)動力學開展輪軌型面優(yōu)化設計研究，對鐵路輪軌損傷綜合防治具有重要工程應用價值和理論指導意義。
　　本文發(fā)展了鐵路車

2、輛車輪型面的兩種設計方法，分別是依據(jù)鋼軌型面的車輪型面設計方法和車輪型面數(shù)值優(yōu)化模型。依據(jù)鋼軌型面設計車輪型面的設計方法是發(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)視為設計變量，可以設計不同等效錐度、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)鋼軌型面設計了車輪型面，通過輪軌接觸特性分析和車輛動力學計算，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性能和輪軌作用特性的影響。第7章對一個鏇修周期內某高速動車組車輪型面磨耗連續(xù)跟蹤測量結果進行了詳細分析，針對測量結果所發(fā)現(xiàn)的問題，結合前面章節(jié)研究結果提出了車輪型面設計的新建議。
　　本論文主要結果和結論如下。
　　(1

4、)在輪對等效錐度與車輛動力學性能的關系方面，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。錐度太小將導致輪對恢復對中位置能力不足，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臨界速度與錐形型面幾乎相同。等效錐度應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)關于“輪軌名義間隙”對車輛動力學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計分析表明，輪軌名義間隙的減小會導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，若輪對等效錐度設計適當，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性能和輪軌接觸狀態(tài)影響均很大。
　　(3)關于軌底坡對車輛動力學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、輪軌作用力未構成實質影響。而依據(jù)不同軌底坡設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。跟蹤測試結果發(fā)現(xiàn)，列車的