随着高速列车的开行以及快速发展,高速车辆系统所处的动态环境更加复杂,由此而引发的车辆系统动力学问题也更加突出,如何提高高速车辆系统的三大动力学指标:运行稳定性、运行平稳性以及曲线通过性能则显得尤为关键。高速车辆系统的横向运动稳定性作为车辆系统安全运行的首要问题之一,它直接影响着高速列车在线路上运行时所允许的最高运行速度。当高速车辆系统在线路上运行时,一旦车辆系统发生蛇行失稳,车辆系统的运行品质便会急剧恶化,导致车辆系统的运行平稳性以及运行安全性大大降低,同时导致轮轨间的动态作用加剧,对线路条件造成破坏,从而,有可能引发车辆系统发生脱轨。因此,深入研究高速车辆系统的横向运动稳定性机理并掌握其内在规律,对高速车辆系统的安全运行具有重要的理论意义和指导价值。本文根据研究目的的不同,分别建立了单轮对横向动力学模型、转向架横向动力学模型以及高速车辆系统整车横向动力学模型。由于单轮对模型和转向架模型主要用于蛇行运动机理以及Hopf分岔类型转迁机理的研究,因此,为了便于理论分析,在建模过程中对单轮对模型和转向架模型进行了大量的简化。而对高速车辆系统整车横向稳定性的研究主要采用数值计算方法进行研究,因此,为了使高速车辆系统横向动力学模型更加贴近实际模型,建模过程中考虑了实际轮轨轮廓外型,并充分考虑了用刚度和阻尼串联的Maxwell模型表示的抗蛇行减振器模型以及二系横向减振器模型、抗侧滚扭杆装置以及带有间隙的横向止挡等。从简单系统的理论推导到复杂系统的数值仿真,本文系统地研究了高速车辆系统蛇行运动机理,并在此基础上研究了系统关键参数对某型车横向动力学性能的影响。本文所做的主要工作有:(1)根据Kalker的线性蠕滑理论、Wagner的关于轮对横移量的五次多项式表示的轮缘力、重力刚度以及重力角刚度等,建立了仅考虑横移运动和摇头运动的单轮对横向运动微分方程。根据非线性动力学理论中的中心流形定理以及正规型理论,推导得出当单轮对系统发生Hopf分岔时,在其中心流形上得到的标准正规型所对应的一阶Lyapunov系数的表达式。从而,根据一阶Lyapunov系数的符号来判定单轮对系统所发生的Hopf分岔类型。当一阶Lyapunov系数大于零时,轮对系统发生亚临界Hopf分岔;当一阶Lyapunov系数小于零时,轮对系统发生超临界Hopf分岔;而当一阶Lyapunov系数为零时,即系统处于退化情况下,系统的分岔分析将变得更为复杂。此时,需要额外再引入一个分岔参数才能完成对系统的Bautin分岔分析。通过分析可知,单轮对系统通过发生Bautin分岔完成了两种不同Hopf分岔类型之间的相互转换。(2)在单轮对模型的基础上,考虑车辆系统的二系悬挂,并分别考虑前、后轮对以及转向架构架的横移运动和摇头运动,建立了转向架横向运动微分方程。相较于单轮对模型而言,转向架系统的维数大大增加,倘若利用中心流形定理和正规型理论对转向架模型进行理论推导则会显得比较繁琐,在此,引入多重线性向量函数,使得对高维系统的降维过程和正则化过程可以同时进行。当转向架系统发生Hopf分岔时,经过推导得出其中心流形上的标准正规型所对应的一阶Lyapunov系数的表达式,并根据一阶Lyapunov系数的符号判断转向架系统所发生的Hopf分岔类型。当系统的一阶Lyapunov系数为零时,通过额外引入另一个控制参数,完成对转向架系统的Bautin分岔分析。同样地,转向架系统通过Bautin分岔完成了两种不同类型Hopf分岔之间的相互转换。(3)考虑实际的踏面和钢轨外型轮廓,利用轮轨接触计算程序RSGEO生成轮轨接触数表,考虑用刚度和阻尼串联的Maxwell模型来表示抗蛇行减振器以及二系横向减振器,并同时考虑抗侧滚扭杆装置以及带有间隙的横向止挡,建立了高速车辆系统整车横向动力学模型。利用MATLAB汇编了可以计算高速车辆系统Hopf分岔速度的数值求解程序,并在此基础上利用多重线性向量函数编写可用于计算高维系统对应的正规型中的一阶Lyapunov系数的程序,使得在系统参数已知的情况下不用求解系统的分岔图便可判断系统的Hopf分岔类型。由于所建车辆系统的非光滑性,通过在数值积分程序中引入事件监测机制,实现对高速车辆系统的不同运动状态的切换面进行监测。通过数值仿真分析了某型车的横向运动稳定性,得出某型车在新轮状态下发生超临界Hopf分岔的结论,但其在实际运行速度范围内表现为亚临界分岔特性。通过升-降速法得到某型车在原车参数下的分岔图,并利用事件监测机制得到,在对某型车进行降速分析的过程中,某型车通过擦切分岔由大幅周期运动跳跃至平衡态。(4)通过数值分析手段研究了系统关键参数如一系轴箱定位纵向和横向刚度、二系空气弹簧纵向和横向刚度、二系横向减振器接头刚度和阻尼、抗蛇行减振器接头刚度和阻尼、轮轨接触关系等对某型车的横向稳定性的影响。研究发现,在常规工况参数下,除了一系轴箱定位纵向刚度对某型车的Hopf分岔类型有影响外,其他系统参数对其Hopf分岔类型均无影响;通过降低一系轴箱定位纵向刚度、二系横向减振器接头刚度和抗蛇行减振器接头刚度,或者增加二系空气弹簧纵向和横向刚度以及抗蛇行减振器第一段阻尼,均有助于提高某型车的非线性临界速度;值得注意的是,过大或过小的二系横向减振器阻尼值均会导致某型车的非线性临界速度降低;抗蛇行减振器接头刚度及其卸荷力对某型车能否实现运行安全监控具有决定性作用;在四种标准踏面下某型车均发生超临界Hopf分岔,且其线性临界速度远远大于其非线性临界速度;随着车辆运营里程增加,导致车轮磨耗,某型车的线性临界速度不断降低,并最终与其非线性临界速度重合,且在运行9万公里以后,车辆系统的失稳运动形态更加复杂。