摘要
城市轨道交通是大中城市的交通主力，为人们生活提供了巨大的便利。在城市轨道交通车辆运营中，轮轨磨耗问题逐渐加剧日益显现。常见磨耗形式有车轮常规凹形磨耗、车轮多边形磨耗、车轮扁疤伤损。本文针对上述磨耗形式对地铁车辆动力学安全性影响展开研究，建立轮轨柔性的某地铁B型车辆刚柔耦合动力学模型，计算不同磨耗形式对车辆动态运行和轮轨动态接触安全性能的影响，其中车辆动态运行安全性能包括车辆通过直线段和曲线段脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、倾覆系数等是否超过安全限值;车辆运行平稳性;关键零部件振动以及轨道线路的振动和位移。轮轨动态接触安全性能包括轮对冲角、轮对横移量、基于蠕滑力的磨耗指数等。以Archard磨耗模型预测表示车轮凹形磨耗，以谐波函数表示车轮多边形磨耗，以新旧扁疤圆心角公式表示车轮扁疤伤损，主要开展了以下研究工作: (1)根据车轮凹磨发展特点，预测不同运营里程下车轮凹形磨耗型面，计算不同型面轮轨接触几何关系、等效锥度、接触应力、接触斑、滚动圆半径差、非线性临界速度，结果表明，随运行里程增大，凹磨型面与钢轨接触点匹配由分散变得密集，3mm处等效锥度、滚动圆半径差逐渐增大，非线性临界速度逐渐下降，但提升了车辆曲线通过性能，接触应力呈先减小后增长在减小的趋势，接触斑面积变化与接触应力刚好相反。 (2)由于车辆运行品质与安全性能关联度大，运行品质体现在轮对振动、轴箱振动、钢轨振动及位移大小、车辆平稳性、舒适性上，分析不同磨耗形式对运行品质影响及其重要，研究发现，扁疤伤损相较于多边形和凹磨对轮对振动、轴箱振动、钢轨振动、钢轨垂向位移影响幅度最大，其次是多边形对其的影响，最后是凹磨对其的影响;在平稳性及舒适性中扁疤的影响也是最大，多边形磨耗适中，凹磨影响较小;其不同磨耗形式的扩展均对轨道线路产生不同程度的破坏，因此防治不同磨耗形式扩展能缓解车辆因线路和部件疲劳发生的安全隐患。 (3)通过不同磨耗形式对车辆动态运行安全限值的分析，车轮凹磨的演化均未出现车辆脱轨现象;多边形磨耗激扰明显，会出现车辆脱轨现象;同比之下，车轮扁疤对车辆安全性的影响最大。根据上述不同磨耗形式对脱轨安全性的影响，制定了不同磨耗形式对车辆动态运行安全限值，并以不同磨耗形式对应的动力学安全性指标提出相对应的镟修进刀量，为后续车辆运营提供工程应用价值。 (4)针对车辆在曲线段运行特点，研究了不同磨耗形式对车辆动态接触安全性的影响，提取导向轮与跟从轮的动态接触值分别是冲角、轮对横移量、磨耗指数，分析发现，随各种磨耗形式的发展，冲角逐渐增大，跟从轮突变角度大于导向轮突变角度，车轮摇头幅度加大，不利于车辆曲线运行。轮对横移量随各种磨耗形式的纵深发展，使接触点跳跃性加强，波动性增大，恶化了车辆蛇形稳定性。磨耗指数大幅增大表现在扁疤形式上、其次是多边形磨耗、最后为凹形磨耗，演化过程也是由磨耗主导过渡为疲劳主导，致使车辆安全运行隐患增大。
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