城軌車輛壓剪複合型彈性車輪縱向振動行為研究

《城軌車輛壓剪複合型彈性車輪縱向振動行為研究》是依託西南交通大學，由丁軍君擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：城軌車輛壓剪複合型彈性車輪縱向振動行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：丁軍君
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

2015年中國城軌交通運營里程預計將達到4380公里。由於橡膠彈性車輪能有效降低輪軌噪聲，因此在環保標準越發嚴格的中國城軌交通中將會得到廣泛運用。彈性車輪中輪心與輪箍之間嵌裝有橡膠彈性元件，因此彈性車輪縱向振動問題較目前常用的剛性車輪更為複雜。本課題首先根據彈性車輪的結構特點，通過剛度等效方法建立完整的壓剪複合型彈性車輪動力學模型，其次利用輪軌滾動接觸理論研究輪軌黏滑振動狀態下接觸斑內的縱向接觸剛度特徵，並將該縱向接觸剛度用於建立彈性車輪縱向振動模型，分析彈性車輪縱向振動的機理及誘因。最後建立採用彈性車輪的城軌車輛系統動力學模型，研究彈性車輪縱向振動對車輛動力學行為的影響，並從縱向振動的角度分析彈性車輪參數與轉向架懸掛參數之間的匹配關係。本項目最終的研究目的是我國在研製彈性車輪及其對應的轉向架時，根據本項目的研究結果合理設計結構和懸掛參數，避免彈性車輪縱向振動引發異常輪軌磨耗或車體振動。

結題摘要

彈性車輪由於能夠降低輪軌噪聲，在國內外城軌車輛上逐漸開始推廣使用。但彈性車輪縱向振動及其與轉向架懸掛參數匹配設計方面的研究尚為空白。根據彈性車輪的實際結構原理，定義了彈性車輪輪轂相對於輪芯的六向剛度，設計了測量該六向剛度的方法及輔助夾具，並成功申請專利。在傳統動力學模型的基礎上提出一種考慮輪轂與輪芯間橡膠六向剛度的彈性車輪動力學複合模型，能夠實現左右車輪的解耦，與未考慮橡膠偏轉剛度和扭轉剛度的傳統模型相比，與實際情況更加相符。彈性車輪相對於剛性車輪臨界速度降低了6.6%，但是在小半徑曲線上彈性車輪表現出更好的動力學性能，其中愛因斯磨耗指數相對於剛性車輪降低5.3%。基於最小距離搜尋法研究彈性車輪的輪軌接觸關係，彈性橡膠元件變形對彈性車輪接觸點位置影響較小可忽略；彈性車輪在曲線外側上接觸點較剛性車輪更加靠近車輪輪緣，容易發生輪緣磨耗和鋼軌側磨。彈性車輪踏面上的磨耗分布範圍較剛性車輪寬，輪緣部分的磨耗略大於剛性車輪，但圓周磨耗明顯小於剛性車輪；彈性車輪的镟修壽命為57.5萬km，較剛性車輪增大27.8 %；彈性車輪橡膠元件的徑向剛度和扭轉剛度對車輪磨耗的影響較小，而軸向剛度和偏轉剛度主要影響輪緣的磨耗，軸向剛度和偏轉剛度越小，輪緣的磨耗越大。基於彈性車輪複合模型建立城軌車輛動力學模型，研究彈性車輪縱向振動行為。由於輪轂與輪芯之間橡膠元件剛度大且阻尼較小，當車輛高速運行時，輪軌蠕滑力誘發了彈性車輪縱向高頻大幅振動，對構架振動影響較大但對車體基本沒有影響；當一系縱向阻尼提高縱向到72kNm/s時可有效抑制彈性車輪振動，且阻尼值可由一系懸掛常用的橡膠堆提供。提出一種基於Kriging近似模型及NSGA-II遺傳算法的車輛動力學性能最佳化方法，以懸掛參數為設計變數同時以動力學性能指標為回響擬合其Kriging近似模型，得到彈性車輪參數與車輛懸掛參數的最佳匹配關係。該方法已在廣州電力機車有限公司開發的低地板有軌電車轉向架上成功運用，具有良好的工程套用價值。