动车组车轮多边形轮轨力的仿真研究

真 的 轴 箱 振 动 加 速 度 与 实 测 数 据 相 当 ，而 构 架 振 动 仿 真 数据与实测数据相近，说明仿真模型可靠。 ３ 轮 轨 力 动 力 学 性 能 的 影 响
高速动车组车轮多边形的临界速度随多边形阶数 的增大而降低，刚性 轮 对 在 柔 性 轨 道 上 运 行 的 轮 轨 力 的变化是车轮多边 形 化 最 直 接 的 影 响 表 现，不 同 阶 数 和波深对轮轨力的影响也不尽相同。
在 建 立 动 力 学 模 型 时 ，系 统 １６６５０１４）；江西省重点研发计划科技项目 （２０１６ＢＡＢ２０６０１５） 收 稿 日 期 ：２０１８０１３１； 修 订 日 期 ：２０１８０７３１ 作者简介：潘长领 （１９８６），男，河南项城人，在读硕士研究生，研究方向：车辆动力学。
２０１８ 年 第 ５ 期 潘 长 领 ，等 ：动 车 组 车 轮 多 边 形 轮 轨 力 的 仿 真 研 究
· １９ ·
辆 系 统 中 的 横 向 和 垂 向 减 振 器 、空 气 弹 簧 、横 向 止 挡 的 力元特性等，应当 尽 可 能 地 考 虑 到。 针 对 上 述 条 件 做 简 化 处 理 ：采 用 样 条 拟 合 方 法 拟 合 关 键 数 值 点 ，生 成 非 线性插值曲线，将 此 数 值 代 入 计 算。 横 向 止 挡 与 抗 蛇 行 阻 尼 器 的 力 元 参 数 曲 线 如 图 ２、图 ３ 所 示 。
本文以 ＣＲＨ３型车为研 究 对 象，通 过 建 立 整 车 仿 真实 验 模 型，着 重 探 索 列 车 时 速 为 ２００ｋｍ／ｈ～３５０ ｋｍ／ｈ时车轮多边 形 在 波 深 为 ０ ｍｍ～０．３ ｍｍ、阶 数 为０阶～３０阶的条件下车 辆 动 力 学 性 能 变 化 情 况，研
究 轮 轨 垂 向 力 与 阶 数 、车 速 、波 深 的 关 系 。 １ 动 车 动 力 学 模 型 １．１ 动 车 模 型
第 ５ 期 （总 第 ２１０ 期 ） ２０１８ 年 １０ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２６４１３（２０１８）０５００１８０３
Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．
动车组车轮多边形轮轨力的仿真研究櫜
潘长领，李沛泽，王 林，冯钰瑾，肖 鹏
以实际运营的 ＣＲＨ３型 车 为 研 究 对 象，采 用 多 体 动力学软件 ＵＭ 建 立 动 车 动 力 学 模 型。 车 辆 模 型 系 统 中 包 括 １ 个 车 体 、２ 个 构 架 、４ 条 轮 对 和 ８ 个 轴 箱 ，共 １５个惯性体。 其 中 构 架、车 体、轮 对 考 虑 点 头、侧 滚、 横 移 、摇 头 、沉 浮 、伸 缩 ６ 个 自 由 度 ，轴 箱 各 有 １ 个 点 头 自 由 度 ，整 个 车 辆 模 型 系 统 共 有 ５０ 个 自 由 度 。
动力学模型中考虑了四个轮对处于相同的波深和 阶数，并采用了刚性 车 轮，模 型 中 充 分 考 虑 了 一、二 系 悬挂阻尼特性和减 振 器 的 非 线 性 力 学 特 性，轨 底 坡 设 为１∶４０，线 路 不 平 顺 为 某 线 路 实 测 轨 道 不 平 顺。 动 车 模 型 见 图 １。
图 １ 动 车 模 型
０ 引 言 随 着 动 车 组 连 续 运 行 时 间 和 速 度 不 断 提 高 ，车 轮 踏
面 的 圆 周 方 向 会 出 现 不 同 形 式 的 磨 耗 ，车 轮 多 边 形 化 一 直是铁路行业 研 究 的 重 点［１－２］。 车 轮 多 边 形［３］是 车 轮 不 圆 顺 在 圆 周 方 向 呈 现 周 期 性 变 化 的 一 种 形 式 ，会 引 起 运行动车组 轮 轨 间 的 剧 烈 振 动，造 成 车 轮 及 轨 道 的 损 伤，同时还会引起车内噪声响度的增 大，这 不仅 对 动车 组正常运营造成安全隐患，还降低了乘车的舒适度。
（华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 ３３００１３）
摘要：车轮多边形会造成轮 轨 冲 击，对 车 辆、轨 道 零 件 造 成 破 坏， 严 重 影 响 列 车 运 行 的 安 全 稳 定 性。以 ＣＲＨ３型车作为研究对象，建立动力学仿真模型，模型中将车轮考虑成刚性，将轨道视为 柔 性 体， 通 过 实 测 与仿真对比验证了模型；通过改变轮对的形状，研究谐波数、波深、车速对轮轨力的影响。研究结果表明， 车轮多边形阶数、波深、车速对轮轨力影响较大，在车速为３００ｋｍ／ｈ下波深０．１４ｍｍ 时出现跳轨， 波 深 达 到０．２４ｍｍ 时，轮轨力最大值超限。该研究结果为进 一 步 研 究 轮 轨 关 系、 保 证 列 车 安 全 运 行 提 供 了 理 论 支 持。 关键词：车轮多边形；谐波数；轮轨力 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．９∶Ｕ２１１．５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
国外的专家学者很早就开始了对车轮多边形化的 研究，ＡＪｏｈａｎｓｓｏｎ和Ｊ．Ｃ．Ｏ Ｎｉｅｌｓｅｎ［４］通过建立数学 模型对轮轨实测数据 进 行 分 析 处 理，以 预 测 车 轮 多 边 形 的 持 续 变 化 对 车 辆 和 轨 道 的 影 响 ，研 究 表 明 ，绝 大 多 数车轮实测轮轨冲击力低于瑞典国家标准规定的值， 少部分长波长车轮多 边 形 会 导 致 轮 轨 力 幅 值 超 限，车 轮多边形引起的轮轨动态力的变化会对轴箱轨道等部 件产生不利的影响。罗仁 等 ［５－６］ 通 过 建 立 车 辆—轨 道 系统动力学模型对其 进 行 了 仿 真，研 究 结 果 表 明 车 轮 不圆顺会引起较大的 轮 轨 垂 向 力，且 与 车 轮 不 圆 顺 的 谐 波 阶 数 、波 深 和 车 速 密 切 相 关 ；指 出 车 轮 不 圆 顺 引 起 的 振 动 频 率 一 般 较 高 ，与 车 体 平 稳 性 变 化 关 系 不 大 ，但 是 会 增 大 车 体 振 动 响 应 ，降 低 车 辆 乘 坐 的 舒 适 性 ，应 该 考虑更多的参数才能使优化效果更好。