摘要
货运是铁路运输中的重要组成部分，随着C70、C80型铁路货车的广泛应用，我国铁路货车在提速和重载两方面取得重大突破。同时，与之相适应的货车制造、运用及维修技术均取得巨大发展，为铁路货车的运行安全提供了有力保障。与此同时，在货车检修制度方面也暴露出一些问题，例如目前的检修制度以“日常检查、定期检修”的计划预防修为主，虽然这种检修制度在过去几十年有效地保证了车辆正常运行，但随着货车部件质量的不断提高，按照以前的时限不考虑部件的状态对货车部件进行检修更换无疑会造成巨大浪费。如果能建立故障与性能之间关系，通过在线监测实时了解车辆状态，无疑会在保证车辆运行状态的基础上显著节约检修成本。本文在建立货车轨道耦合动力学模型的基础上，研究了转向架悬挂系统退化、轮径差和车轮失圆等情况下货车的动力学性能，为通过动力学性能在线监测货车状态奠定了基础。本文的主要研究内容如下： 1) 分别引入轮对有限元模型和Timoshenko梁来模拟轮对和轨道的弹性振动，同时考虑到货车的结构特性，建模时着重考虑斜楔减振器以及其他非线性元件的减振特性，基于Simpack和Simulink实时数据交换的方式建立较为完善的C80货车–轨道刚柔耦合动力学模型。 2) 对货车系统蛇行运动稳定性评价方法进行了研究。基于分岔理论对货车系统蛇行运动Hopf分岔特性进行了研究，确定货车系统的分岔类型及临界速度。同时对比分析现有车辆稳定性评判标准如GB/T 5599-2019、UIC518和49CFR213，并评判分析货车蛇行稳定性，与基于分岔理论得到的货车临界速度进行对比，确定了适合三大件式货车蛇行稳定性评判方法。 3) 对货车转向架常见的旁承、心盘、交叉支撑装置和中央悬挂系统等退化问题进行了建模，分别分析这些退化工况对货车回转摩擦力矩、相对摩擦系数和抗菱刚度的影响，进而分析了对货车系统动力学性能的影响。 4) 针对货车车辆中常见的轮径差故障，分析初始轮径差对货车轮轨接触关系的影响，在此基础上，分析等值同相、等值反相、后随轮对、前导向轮对等4种典型轮径差对货车系统稳定性、平稳性和安全性等动力学性能的影响。同时，考虑到踏面横向曲率半径的影响，采用semi-Hertz接触理论修正轮轨接触斑，并联合Archard磨耗模型和货车–轨道耦合动力学模型进行车轮磨耗预测，分析轮径差对车轮踏面磨耗速率的影响。 5) 最后，分析了车轮扁疤和车轮多边形对货车动力学性能的影响。基于旧扁疤数值模型，分析不同速度和扁疤长度对垂向轮轨力的影响，建立车轮扁疤与轮轨垂向力的映射关系；将车轮多边形理想化为车轮表面的简谐波，分析不同多边形深度和阶次对轮轨垂向力幅值和频率的影响，建立车轮多边形与轮轨垂向力的映射关系。研究结果为轨边检测车轮扁疤和多边形提供了依据。
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