车轮踏面缺陷引起轮轨接触不平顺的数学模型、可视化技术及车轮镟修策略

摘要

轮轨关系是高速铁路领域最重要的研究课题之一。随着列车运行速度和运载重量的提高，车辆和轨道间的动态相互作用显著增强，车轮不圆顺问题日益凸显。车轮不圆顺会引起较大的轮轨冲击力和局部接触应力，诱使和加剧轮轨部件的损伤，导致车辆和轨道结构的疲劳破坏和断裂失效，严重影响和威胁列车的运行安全性和可靠性。本文针对高速列车车轮踏面缺陷引起的轮轨接触不平顺问题，通过理论分析、可视化技术与有限元模拟相结合的研究方法，建立了车轮踏面常见缺陷(扁疤、剥离和多边形化)的数学模型与不平顺表征方法，开发了轮轨接触随机不平顺的可视化软件，探究了多种车轮扁疤工况下的轮轨动态响应，提出了综合考虑轮缘磨耗、轮径磨耗和车轮踏面缺陷的综合镟修策略。主要内容与成果包括以下几个方面：　　1.为克服车轮踏面缺陷导致的轮轨接触有限元建模难度大、求解时间长、网格畸变以及无法反映缺陷(尺寸、位置和数量)随机特性等缺点，提出了将车轮踏面缺陷的几何不平顺转换为轮轨接触位移不平顺的显式有限元仿真分析方法，考虑车轮踏面缺陷尺寸、形状和位置的随机特点，采用伪随机数方法生成了满足多种随机分布特性的轮轨接触位移不平顺激励。　　2.基于提出的轮轨接触随机不平顺位移激励数学表征方法，利用Matlab软件中的Guide模块开发了可视化软件。该软件采用模块化设计，用户可通过自定义输入参数，获得车轮踏面缺陷(扁疤、剥离和多边形)的分布示意图、三维缺陷示意图以及位移不平顺激励等结果。　　3.基于三维轮轨滚动接触有限元模型和轮轨接触随机不平顺位移激励，采用显式有限元分析方法模拟了多种扁疤工况(新/旧扁疤、多个扁疤、同轴异轮双扁疤)下的轮轨动态响应。仿真结果表明：给定速度和扁疤长度工况下，新扁疤引起的最大垂向轮轨接触力均大于旧扁疤情形，且随着扁疤长度的增大其幅值相差越大；给定扁疤长度工况下，单轮多个扁疤引起的最大垂向轮轨接触力低于单个扁疤的情形；给定速度工况下，同轴异轮双扁疤产生的最大轮轨垂向接触力大于同侧车轮单个扁疤的情形；给定速度和扁疤长度工况下，扁疤随机分布的密集区域会增大垂向轮轨接触力峰值。　　4.结合有限元分析结果和等级镟修理论，提出了综合考虑轮缘磨耗、轮径磨耗和车轮踏面缺陷的车轮镟修策略，可为轮轨系统服役安全性评估和车轮镟修方案制定提供技术支持。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 车轮不圆顺

1.2.2 可视化技术

1.2.3 车轮镟修策略

1.3 本文主要研究内容

第2 章车轮踏面缺陷引起轮轨接触随机不平顺的数学模型

2.1.1 车轮扁疤的运动几何关系

2.1.2 新扁疤引起的轮轨位移不平顺

2.1.3 旧扁疤引起的轮轨位移不平顺

2.2.1 踏面剥离车轮-轨道接触几何关系

2.2.2 规则踏面剥离引起的轮轨位移不平顺

2.3.1 车轮多边形运动学关系

2.3.2 周期性多边形径向偏差

2.3.3 非周期性多边形径向偏差

2.4.1 伪随机数

2.4.2 线性同余法

2.4.3 随机函数

2.5 轮轨接触随机不平顺位移激励

2.5.1 车轮扁疤引起的轮轨随机不平顺位移激励

2.5.2 车轮踏面剥离引起的随机不平顺位移激励

2.5.3 车轮多边形引起的轮轨随机不平顺位移激励

2.6 本章小结

第3 章轮轨接触随机不平顺可视化软件设计与实现

3.1 软件总体设计

3.1.1 软件设计流程

3.1.2 系统需求分析

3.1.3 软件框架设计

3.1.4 软件界面设计

3.2.1 登录与主界面模块

3.2.2 车轮扁疤模块

3.2.3 踏面剥离模块

3.2.4 车轮多边形模块

3.3 软件应用示例

3.3.1 车轮扁疤模块应用示例

3.3.2 车轮踏面剥离模块应用示例

3.3.3 车轮多边形模块应用示例

3.4 本章小结

第4 章 基于位移激励法车轮扁疤引起的轮轨动态响应分析

4.1 有限元模型

4.2 仿真方法与模型验证

4.3 仿真结果分析与讨论

4.3.1 新/旧扁疤对轮轨动态响应的影响

4.3.2 扁疤间相位角对轮轨动态响应的影响

4.3.3 同轴异轮双扁疤对轮轨动态响应的影响

4.3.4 扁疤个数对轮轨动态响应的影响

4.3.5 扁疤分布对轮轨动态响应的影响

4.4 本章小结

第5 章综合考虑轮缘和轮径磨耗以及踏面缺陷的车轮镟修策略

5.1 考虑车轮踏面缺陷的镟修策略

5.1.1 车轮扁疤镟修策略

5.1.2 车轮踏面剥离镟修策略

5.1.3 车轮多边形化镟修策略

5.2 结合历史数据的综合镟修策略

5.2.1 镟修基本流程

5.2.2 镟修优化指标

5.2.3 综合镟修策略

5.3 本章小结

总结与展望

1. 总结

2. 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的学术成果及参加科研项目情况

学位论文数据集