【摘 要】
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铁路运营高速化进程的不断加快,对铁路运输的安全性,经济性也提出了更高的要求。转臂节点作为用于承载力与传递振动的关键部件,其刚度特性与车辆动力学性能息息相关。针对目前对服役节点刚度变化规律以及影响因素了解不全面、缺乏在实际轮轨匹配时的动力学分析、并且对转臂节点刚度与高频振动的关联关系了解不深入等问题,本文对不同线路、不同厂家生产的转臂节点刚度进行了国内外首次的系统性测试,利用试验与仿真相结合,获得转
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铁路运营高速化进程的不断加快,对铁路运输的安全性,经济性也提出了更高的要求。转臂节点作为用于承载力与传递振动的关键部件,其刚度特性与车辆动力学性能息息相关。针对目前对服役节点刚度变化规律以及影响因素了解不全面、缺乏在实际轮轨匹配时的动力学分析、并且对转臂节点刚度与高频振动的关联关系了解不深入等问题,本文对不同线路、不同厂家生产的转臂节点刚度进行了国内外首次的系统性测试,利用试验与仿真相结合,获得转臂节点静、动刚度变化范围并分析了其影响因素;建立车辆-轨道动力学模型结合实际运营轮轨关系分析了转臂节点刚度对车辆动力学性能的影响;结合一系悬挂等效刚度理论模型、钢轨波磨线路试验、车轮多边形台架试验以及建立刚柔耦合模型分析了转臂节点刚度在高频振动时对车辆耦合振动的影响;通过Isight与Simpack软件联合仿真进行转臂节点刚度多目标优化研究,并从动力学性能以及轮轨磨耗方面进行了验证与预测。1、分析了服役转臂节点刚度分布规律以及影响因素。本文测试获得三种生产厂家在两条高铁线路上服役120万公里后的径向节点刚度分布范围为74.5～163.18MN/m,径向刚度变化率为-38.9%～18.6%,并且均服从正态分布。通过对比发现节点刚度变化主要与产品类型有关,建立并结合有限元模型分析了节点结构对节点静刚度的影响。2、研究了服役节点刚度对车辆动力学性能的影响并获得了全寿命周期内的刚度允许变化范围。考虑不同钢轨廓形、一个镟轮周期内的车轮踏面变化、不同抗蛇行减振器性能等因素,建立车辆-轨道耦合动力学模型开展仿真计算,并结合测试获得的服役转臂节点刚度分布情况,分析在服役转臂节点刚度分布范围内刚度变化对动车组动力学性能的影响。研究发现:节点纵向刚度主要影响车辆稳定性以及曲线磨耗,在服役节点刚度变化范围内满足车辆运行安全性要求,获得服役转臂节点纵向及横向全寿命周期内的刚度允许变化范围分别为60～180MN/m、6～19MN/m。3、探讨了转臂节点刚度与车辆高频振动的关联关系。首先通过对转臂结构进行合理简化发现,一系悬挂纵向与横向定位刚度主要由转臂节点纵向与横向刚度所决定,而一系轴箱垂向等效刚度主要由一系垂向钢簧刚度所确定。其次,钢轨波磨线路试验以及车轮多边形台架试验结果表明,更换新旧转臂节点对各部件振动几乎没有影响,并且振动能量的主要传递路径为“轴箱→钢簧→构架”。建立包括柔性轨道及轨下部件、柔性轮对、柔性轴箱和柔性构架的刚柔耦合模型,仿真计算发现转臂节点纵向刚度对高频振动状态下的轮轨垂向力,钢轨加速度、轴箱加速度均无明显影响。(4)根据车辆低频与高频振动情况开展了转臂节点刚度多目标优化研究,并根据动力学指标以及踏面磨耗进行对比验证。结合响应面模型利用NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标优化,获得优化后节点纵向以及横向刚度分别为41.1 MN/m,4.3MN/m。在节点刚度变化50%范围内,各项动力学性能指标均处于优良水平。通过预测模型发现,进行刚度优化后能够明显降低车轮磨耗,同时能够大幅度改善磨耗后车轮与实际钢轨匹配时的动力学性能。图134幅,表32个,参考文献64篇。
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