（车辆工程专业论文）重载铁路曲线段磨耗状态下轮轨相互作用分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国经济的发展，铁路货物运量迅速增长，重载运输己成为我国铁路 货运的发展方向。但是，由于车辆运行速度及轴重的增大，重载铁路曲线段钢 轨磨耗日益严重，大大增加了铁路的运营成本。由于磨耗而导致的轮轨型面的 变化，对钢轨磨耗的发展有重要影响。因此，研究分析实际磨耗状态下轮轨相 互作用特征，对进一步认识钢轨磨耗机理，研究合理的钢轨减磨措施有重要意 义。 本文以车辆动力学理论为基础，应用多体动力学仿真软件a d a m s r a i l 建 立了详细的重载货车动力学模型。基于重载铁路曲线段车轮和钢轨的实测型面， 研究分析了实际磨耗状态下轮轨型面匹配时的轮轨接触几何关系和重载货车的 曲线通过性能。结果表明，实际磨耗状态下的轮轨型面对轮轨接触几何关系和 车辆曲线通过性能均有较大的影响；磨耗后的轮轨型面匹配时，容易出现车轮 轮缘与外侧钢轨内侧面接触的现象，并导致车辆曲线通过过程中轮轨动态作用 力增大，使外侧钢轨出现严重的侧向磨耗。 应用有限元分析软件a n s y s 建立了轮轨三维弹塑性接触模型，研究分析 了车辆通过曲线时实际磨耗状态下车轮和钢轨的接触应力特征。分析表明，钢 轨使用初期，外侧钢轨的接触应力及钢轨的塑性变形均较大，导致外侧钢轨极 易出现接触疲劳伤损；随着钢轨磨耗量的增加，外侧钢轨轨距角处的接触应力 和内侧钢轨轨头的塑性变形均逐渐增大，进一步加剧了外侧钢轨的侧磨和内侧 钢轨的压溃。 相关研究结果对研究探讨合理的曲线段钢轨减磨措施具有参考价值。 关键词：重载铁路；轮轨相互作用；钢轨磨耗；实测型面；轮轨接触 a b s tr a c t h e a v y - h a u lr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nh a sb e e nt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nc h i n a w i t ht h eg r o w t ho f e c o n o m ya n dr a i l w a yt r a n s p o r tv o l u m e b u td u et ot h ei n c r e a s eo f t r a i ns p e e da n da x l el o a d ，t h er a i lw e a l - o nc u r v eh a sc o n s t a n t l yi n c r e a s e d ，w h i c h i n c r e a s e sr a i l w a yr u n n i n gc o s tg r e a t l y a sc h a n g e so fw h e e l r a i lp r o f i l ec a u s e db y w e a l s e r i o u s l ya f f e c tt h er a i lw e a r , i ti sv e r ym e a n i n g f u lt oc o n d u c tr e s e a r c ho nw o r n w h e e l r a i li n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c st of u r t h e r s t u d yr a i lw e a l p r i n c i p l ea n de f f e c t i v e m e a s u r e sf o rr e d u c i n gr a i lw e a r b a s e do nv e h i c l ed y n a m i ct h e o r y , ad e t a i l e dd y n a m i c sm o d e li se s t a b l i s h e db y u s i n gm u l t i b o d yd y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s r a i l t h ea n a l y s i si sc a r d e d o u to nc o n t a c tg e o m e t r yo fw o lf fw h e e l r a i la n dc u r v i n gp e r f o r m a n c eo fh e a v yh a u l f r e i g h tc a r t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t hv e h i c l ec u r v i n gp e r f o r m a n c ea n dw h e e f r a i l c o n t a c tg e o m e t r ya les e r i o u s l yi n f l u e n c e db yw o l f fw h e e l r a i lp r o f i l e s ；a n dt h es i d e w e a lo fo u t e rr a i li sb e c o m i n gs e r i o u sd u et ot h ec o n t a c tb e t w e e nw h e e lf l a n g ea n d r a i lg a u g ec o m e ra n dt h ee x c e s s i v ew h e e l r a i ld y n a m i cf o r c ew h e nw o r nw h e e l r a i l a l ec o m b i n e d at h r e e - d i m e n s i o n a lw h e e l - r a i l e l a s t i c p l a s t i cc o n t a c tm o d e li se s t a b l i s h e db v u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h ea n a l y s i si sc a r r i e do u to nc o n t a c t s t r e s sc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h ew o r nw h e e la n dr a i lo nh e a v y - h a u lr a i l w a yc u r v e t h er e s u l t ss h o wt h a tc o n t a c tf a t i g u ee a s i l yo c c u r so nn e wo u t e rr a i lh e a dl e db v e x c e s s i v ec o n t a c ts t r e s sa n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n ；a sw e a lp r o g r e s s e s ，t h ec o n t a c t s t r e s so fo u t e rr a i lg a g ec o r n e ra n d p l a s t i cd e f o r m a t i o no fi n n e rr a i lh e a dg r a d u a l l y i n c r e a s e ，w h i c hf u r t h e re x a c e r b a t e st h es i d ew e a lo fo u t e rr a i la n dt h ec r u s h i n go f i n n e rr a i l t h er e s u l t sh a v et h er e f e r e n c ev a l u ef o r r e s e a r c h i n ge f f e c t i v em e a s u r e st o r e d u c er a i lw e a lo nc u r v e k e y w o r d s ：h e a v y - h a u lr a i l w a y ；w h e e l r a i li n t e r a c t i o n ；r a i lw e a r ；m e a s u r e d p r o f i l e ；w h e e l r a i lc o n t a c t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、 ) 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 根据重载铁路曲线段磨耗状态下典型车轮和钢轨的实测型面，分析了实 际磨耗状态下的轮轨接触几何关系；采用多体动力学理论，建立重载货车动力 学模型，研究分析了不同磨耗状态下轮轨型面的变化对车辆曲线通过性能的影 响。 2 应用有限元方法，分析了实际磨耗状态下车轮和钢轨匹配时的轮轨接触 应力特征。结果表明，随着钢轨磨耗量的增加，外侧钢轨轨距角处的接触应力 和内侧钢轨轨头的塑性变形逐渐增大，加剧了外侧钢轨的侧磨和内侧钢轨的压 溃。 学位论文作者签名碰儆隰卅忆刁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 重载铁路轮轨相互作用研究背景 铁路运输具有安全程度高、运输速度快、运输距离长、运输能力大、运输 成本低等优点，成为世界许多国家主要的运输方式。重载铁路能够有效地提 高铁路运能，增加经济效益，成为铁路货物运输发展的共同趋势，得到 了世界许多国家的重视，典型代表有美国、加拿大、澳大利亚、南非和巴 西等国【”。 长期以来，我国铁路发展缓慢，铁路运输能力严重不足，长期处于超 负荷运输状态，远远不能适应国民经济和社会发展的需求，成为制约国民经济 发展的瓶颈。重载运输的发展给我国铁路货运带来了蓬勃生机，成为铁路扩能 提效的一种有效途径。 铁路货运的重载化加剧了机车车辆与轨道结构的动态相互作用，导致钢轨 磨耗更加严重，大大降低了钢轨的服役寿命p ，”。特别是在小半径曲线段，高强 度的重载运输使钢轨出现了严重的鱼鳞状裂纹、大面积剥离、外侧钢轨的侧磨 和内侧钢轨的压溃等现象。这些现象的出现使养护部门不得不反复对钢轨进行 调边、打磨甚至换轨，提高了铁路的运营成本睁一，严重干扰了铁路的正常运输 秩序。同时这些破坏现象常常隐蔽地发生和发展，以至造成钢轨在工作过程中 突然失效断裂，酿成列车颠覆等重大行车事故。图l - 1 为某重载铁路磨耗严重 的曲线段钢轨图。 嚣匿型互壹醛 一 、； ，7。 ? 一，fj， 昌昌睦 一【 a 1 外侧钢轨b ) 内侧钢轨 图1 - 1 磨耗严重的曲线段钢轨 为减缓轮轨磨耗，许多学者进行了深入的研究m ”。研究表明，由于磨耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而导致的轮轨型面的变化，对钢轨磨耗的发展有重要影响。因此，研究分析实 际磨耗状态下的轮轨相互作用特征，对进一步认识钢轨磨耗机理，研究合理有 效的减磨措施具有重要的意义，是铁路运输发展的迫切要求。 对轮轨相互作用的研究，都是建立在车辆系统动力学和轮轨蠕滑理论的基 础之上。 车辆在曲线上运行时，各运动部件之间以及轮对与钢轨之间将会产生相对 位移，由此引起悬挂系统的弹性复原力和轮轨之间的蠕滑力，导致轮轨之间产 生很大的横向力，加剧了轮轨的磨损，使线路的维修工作量大大增加。因此， 为深入研究轮轨磨耗问题，迫切需要加强轮轨系统动力学的研究，建立更完善 的曲线轨道车辆动力学分析理论，更好地模拟曲线轨道与车辆的相互作用，从 而为减轻轮轨磨耗提供理论指导。 长期以来，国内外在车辆曲线通过理论方面进行了大量的研究，并建立了 相应的理论和计算模型田 2 5 】，为在轮轨磨耗等问题研究中的应用奠定了基础。 这些理论模型主要有： ( 1 ) 稳态模型，假设车辆以等速度连续通过等半径圆曲线，车辆各部件的 运动轨迹均为理想圆周。 ( 2 ) 准稳态模型，研究中引入运动学约束条件来分割曲线区段，在每个小 段的曲线区段上仍认为车辆是稳态运动。 ( 3 ) 动态益线通过，考虑任意轨道曲率、超高和车辆运行速度的变化，建 立完整的车辆运动方程式，应用数值积分技术求解运动方程，以获得车辆在曲 线上运动时较完整的动力学信息。动态曲线通过模型能够更全面的考虑到车辆 通过曲线过程中的各种非线性因素，因此得到了广泛的应用。 2 0 世纪9 0 年代以来，重载铁路的进一步发展，大大加剧了车辆与轨道的动 态相互作用，使得铁路车辆与轨道系统动力学问题更加突出，也更趋复杂。因 此深入细致地开展机车车辆与轨道系统动态相互作用研究就显得十分必要。中 国的翟婉明将车辆系统和轨道系统作为一个相互耦合的整体系统开展了车辆一 轨道耦合动力学的研究，相继建立了一系列机车车辆一轨道相互作用统一模型 以及车辆一轨道横向动力作用模型【l 】，开拓了铁路大系统动力学研究的新领域， 在工程实际中得到了广泛的应用。 轮轨蠕滑理论是研究列车运动时，轮轨间的相对运动状态和接触斑上作用 力的关系，其研究基础是接触理论和滚动接触理论。 1 8 8 2 年h e r t zh e i n r i c h 在德国发表了论文“论弹性固体的接触”，提出了h e r t z 接触理论。h e r t z 接触理论认为两弹性圆柱体接触区为椭圆接触斑，并认为弹性 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 体椭圆接触斑上的压力分布形状是半椭球状，法向弹性变形为抛物面状。h e r t z 的研究成果为后来的接触理论和滚动接触理论的发展奠定了基础。 1 9 6 7 年荷兰学者k a l k e rj j 对轮轨滚动接触理论进行了研究，提出了线性 蠕滑理论【2 6 】。后来k a l k e r 又提出了更为精确的三维弹性体非h e r t z 滚动接触理 论【27 1 ，并开发了相应的数值计算程序c o n t a c t 程序。 几十年来，滚动接触理论的研究尽管取得了较大的进展，但研究结果仍不 尽人意。它们还不能用来解决轮轨滚动接触过程中产生的某些问题【l6 ，2 8 1 ，如轮 轨滚动接触过程中产生的两点接触和共形接触、弹塑性变形和残余变形累积过 程等。随着数值仿真技术的不断发展，有限单元法( f e m ) 在工程分析中得到 了广泛的应用。有限单元法不受半空间假设和线弹性材料的限制，能够比较精 确地处理轮轨间两点接触和材料塑性变形问题，弥补了传统方法的不足。一些 研究人员已经开始使用有限元技术来分析轮轨接触问题【1 5 ，1 6 ，l9 1 ，可以预见，有 限单元法将成为研究轮轨相互作用关系问题的主要途径1 2 引。 1 2 轮轨磨耗研究现状 轮轨磨耗是一个极为复杂的问题，受到轮轨作用力、轮轨材质等许多因素 的影响。为减缓轮轨的磨耗，世界各国的学者从轮轨相互作用关系出发，对轮 轨磨耗问题进行了长期大量的研究。 文献 7 利用w r t o l 软件研究，分析了美国a a r 1 b 车轮踏面与磨耗钢轨 接触时的轮轨接触几何关系和接触应力，并在此基础上，为降低轮轨磨耗和疲 劳伤损设计开发了新型轮轨型面。最后采用n u c a r s 软件对不同轮轨型面匹配 下的车辆动态曲线通过性能进行了仿真，预测轮轨磨耗的发展趋势。研究指出， 由于新旧轮轨型面的接触特征的不同，导致轮轨磨耗的发展趋势出现很大的差 异。 m a r e z v a n i 掣8 j 利用a d a m s r a i l 软件建立了车辆动力学模型，并通过 动力学仿真计算，分析了磨耗车轮型面对车辆通过曲线时轮轨磨耗指数的影响。 指出，磨耗后的车轮型面导致车辆通过曲线过程中的轮轨磨耗增大。研究结果 为优化车辆悬挂系统参数，提高车辆运行性能，优化轮轨型面，改进轮轨的维 修养护工作等提供了参考。 卢家方等【9 】采用系统、动态的轮轨相互作用观点，研究分析了钢轨侧磨的 成因，探讨了轮轨作用力、轮对冲角、轮轨几何外形等因素对钢轨侧磨的影响。 通过在津浦线建立的曲线试验段，全面调整了轨道几何参数、铺设中频热处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 钢轨以及应用机车轮缘与地面固定涂油等综合性的对比试验和治理措施，取得 了较为满意的减磨效果，延长了钢轨的使用寿命。 王平等【1 0 】在考虑间断支承轨道的横向弹性、阻尼和不平顺基础上，建立了 转向架动态曲线通过时的轨道横向动力分析模型，并计算得到了轮缘力、冲角 和轮轨空间接触位置等参数。通过修正的m a r c o o t e 磨耗指数，建立了曲线段钢 轨侧面磨耗动力分析模型，对钢轨的磨耗量进行了计算分析，并通过现场实测 数据对计算结果进行了验证。 黄运华等 1 l 】利用多体系统动力学软件s i m p a c k 建立了地铁车辆动力学模 型，分析研究了中国l m 磨耗型踏面和德国d i n 5 5 7 3 踏面对地铁车辆曲线通过 性能及轮轨磨耗的影响。指出，采用d i n 5 5 7 3 踏面的车辆通过曲线时，其最大 轮轨横向力、脱轨系数及轮轨磨耗指数都比采用l m 磨耗型踏面时大。 王开云等 12 】利用车辆一轨道耦合动力学仿真软件t t i s i m ，分别对锥形( t b 型) 和磨耗形( l m 型) 踏面的车辆的动力学性能进行仿真计算，并分析了两种 踏面形状对轮轨接触界面间磨损的影响。 针对山区铁路小半径曲线段出现的严重轮轨磨耗问题，翟婉明等【l 1 3 , 1 4 j 利 用车辆一轨道耦合动力学对山区铁路小半径曲线轮轨动态相互作用问题进行了 分析研究，指出实际磨耗后的轮轨型面更易出现轮缘与钢轨侧面接触的现象， 加剧了钢轨侧面磨耗，降低了钢轨的使用寿命。 波兰的a l e k s a n d e rs 和m a r e ks 【l5 j 利用有限元软件a n s y s 研究了不同车轮 型面及轮对冲角对轮轨接触区的分布及接触应力的影响，同时也对轮轨两点接 触问题进行了研究，指出轮轨间发生两点接触时，轮缘根部接触区存在很高的 接触应力，使轮缘出现了较严重的磨耗。 瑞典的tt e l l i s k i v i 等【l6 】利用多体动力学和有限单元法对磨耗状态下的轮轨 接触问题进行了分析研究。研究指出，磨耗状态下轮轨型面匹配时容易导致车 轮轮缘与钢轨内侧的接触，加剧钢轨的侧磨。同时也指出，在两点接触情况下， 利用有限元法计算的轮轨接触应力更加合理。 张焱等 1 7 】用三维弹性体非h e r t z 滚动接触应力计算程序c m e f ，计算分析 了轮轨摩擦系数、轴重对轨头内弹塑性接触应力场的影响。计算结果指出，随 着摩擦系数、轴重的增加，轨头内的最大剪应力、最大等效应力及轮轨的塑性 变形区都呈现增大趋势。 张军等【1 8 1 9 】采用了参变量变分原理及基于此原理的有限元参数二次规划法 来求解轮轨接触问题，研究了标准轮轨型面间的法向接触力受牵引力的影响情 况，接触斑和粘着区的面积随轴重和轮径影响情况，并研究了牵引力和摩擦系 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 数对轮轨间切向接触力和接触状态的影响。 日本轨道交通系统在其社会与经济活动中具有非常重要的地位。长期以来， 为延长车轮、钢轨的使用寿命和减少维修费用，日本轨道交通系统的相关部门 对轮轨相互作用关系的理论、试验和应用开展了大量专题研究工作【2 0 2 1 】，主要 涉及轮轨接触力、钢轨材质、小半径曲线的外轨侧磨等问题。日本铁道综合技 术研究所( r 1 砒) 根据实际的车辆载荷和轮轨接触条件，分析了轮对冲角、轮 轨材质对轮缘和钢轨侧磨的影响，并进行了现场测试调查。基于调查试验结果， 利用车辆动力学仿真模型，研究了磨耗后钢轨形状对车辆动力学的影响，并提 出了预测轮轨磨耗的模型。研究指出，影响钢轨侧磨的因素主要有轮轨材质、 轮轨型面廓形、车辆与轨道条件等，这些因素导致了轮轨接触应力和蠕滑率的 增大，因此，可采用钢轨润滑及轨头型面优化打磨的方法来改善轮轨磨耗严重 的问题。 1 3 本文主要研究内容 随着重载铁路的快速发展，货物列车速度的提高、轴重的增加，加剧了轮 轨磨耗。由于车轮和钢轨的严重磨损，导致轮轨几何廓形发生较大改变，使轮 轨之间的接触几何关系和接触状态发生变化，进而影响到车辆运行性能及轮轨 间动态作用力。因此，对重载铁路小半径曲线实际磨耗状态下的轮轨相互作用 特征进行研究分析，对进一步认识轮轨磨耗机理及发展趋势有重要意义，同时 也为研究合理有效的轮轨减磨措施提供理论指导。 本文基于重载铁路曲线段不同磨耗程度的典型车轮和钢轨的实测型面，建 立重载货车动力学模型和轮轨三维弹塑性接触有限元模型，对不同轮轨磨耗型 面匹配工况下的重载车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析。论 文的主要工作包括以下几个部分： ( 1 ) 首先从我国的铁路现状、客观条件等方面阐述研究重载铁路曲线段磨 耗状态下轮轨相互作用的意义及迫切性，并将国内外对轮轨磨耗问题的研究现 状进行介绍。 ( 2 ) 对重载货车转向架的结构进行详细的分析，在此基础上，充分考虑了 各种非线性因素，利用多体系统动力学软件a d a m s r a i l 建立重载货车曲线通 过动力学仿真模型。 ( 3 ) 基于实测的轮轨型面数据，详细分析不同磨耗程度轮轨型面匹配时的 静态接触几何关系。对实际磨耗状态下轮轨型面匹配时的重载货车动态曲线通 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 过性能进行分析，并对钢轨磨耗的发展进行初步分析与预测。 ( 4 ) 利用有限元分析软件a n s y s 建立曲线段轮轨弹塑性接触有限元模型。 分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态，并 研究其对钢轨磨耗的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章重载货车动力学模型 2 1 我国铁路重载货车转向架结构及特点 随着我国重载铁路运输的迅猛发展，铁路运能的需求与我国落后的重载车 辆装备之间的矛盾越来越突出，迫切需要开发研制适合我国国情的性能优良的 重载货车转向架。 为满足我国重载铁路运输的需求，在引进侧架交叉支撑、侧架摆动式等技 术的基础上，并结合我国国情，先后研制出用于7 0 t 级通用货车和8 0 t 级专用货 车的2 5 t 轴重的转k 5 和转k 6 型转向架，并成功地应用在各重载铁路线上，使 我国铁路大型重载货车的开发研究工作取得重大进展。 转k 5 型转向架采用了摆动式转向架技术，转向架结构类似传统的铸钢三大 件式转向架。在原三大件式转向架基础上增加了弹簧托板，把左右摇枕弹簧连 接一起，并通过摇动座坐落在侧架中央承台的摇动座支撑上，提高了转向架的 抗菱刚度。侧架通过其顶部导框摇动座分别支撑在前后两承载鞍上，使左右两 侧架成为横向可同步摆动的吊杆，这种摆动机构增加了车辆的横向柔性，提高 了车辆的横向动力学性能。 转k 6 型转向架是齐齐哈尔车辆厂基于2 5 t 轴重下交叉支撑式转向架的研究 成果而开发的铸钢三大件式转向架1 36 | 。转k 6 型转向架具有侧架交叉支撑转向 架所有的技术优点。特别是在轴箱处布置弹性元件，不仅对轮对起到了弹性定 位的作用，还相当于给转向架增设一系悬挂装置，降低了转向架的簧下质量， 从而减小了转向架与线路之间的不良动作用力，有利于改善转向架的动力学性 能，降低轮轨磨耗。转k 6 型转向架一系悬挂采用内八字形橡胶弹性剪切垫，实 现了轮对的弹性定位；二系悬挂采用带变摩擦减振装置的中央枕簧悬挂系统， 摇枕弹簧为二级刚度，空车时先压缩外圆枕簧，重车时外、内枕簧共同承载， 减振装置由组合式斜楔( 主摩擦板为高分子复合材料) 、减振弹簧组成；两侧架 间加装侧架弹性下交叉支撑装置，两根交叉杆呈交叉状态从摇枕下部穿过；采 用直径3 7 5 m m 的下心盘，下心盘内设有含油尼龙心盘磨耗盘；采用双作用常接 触弹性旁承；基础制动装置为中拉杆式单侧闸瓦制动装置，采用l a 或l b 型 组合式制动梁，新型高摩合成闸瓦。转k 6 型转向架的主要结构见图2 1 ，三维 图如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 厂 1 一轮对；2 侧架组成；3 一摇枕组成；4 一制动装置；卜啪箱橡胶垫；6 一轴承；7 旁承； 8 一交叉支撑装置；9 一横跨粱；1 1 一中心销：1 2 一斜楔：1 3 一承载鞍；1 4 心盘磨耗盘： 1 5 弹簧：1 6 挡键 圈2 - 1 转k 6 型转向架结构总图 图2 - 2 转k 6 型转向架三维结构图 转k 6 型转向架主要用于载重8 0 t 级的专用货车和载重7 0 t 级的通用货车。 由于转k 6 型转向架优异的动力学性能在重载铁路上得到了广泛的应用，已成为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 我国2 5 t ( 包括2 3 t 轴重) 轴重货车的主型转向架。 2 2 铁路车辆多体系统动力学概述 车辆在钢轨上的运动是一个复杂的动力学过程，在研究车辆的各种动力性 能时，需将实际系统抽象为物理或力学模型，再据此建立相应的数学模型即描 述系统运动的微分方程，以求其解。在研究车辆或列车的动力特性时，普遍采 用多体系统动力学来描述系统各部件的相互作用。 2 2 1 多体系统动力学的发展及其在铁路中应用 多体系统动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多 体系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。 在传统车辆动力学中，对于自由度少的简单多自由度模型，可以使用牛顿 定律、达朗伯原理、动量定理或动量矩定理来建立运动微分方程组。随着科学 技术的发展，研究的动力学模型越来越复杂，构造动力学方程时，将面临复杂 的代数和微分运算，而计算机技术的进步，大大推动了多体系统动力学的发展。 借助于现代计算机技术，应用多体动力学可建立复杂的数学模型并求解分析， 这对长期以来用传统的人工方法来推导运动方程无疑是一次突破。 2 0 世纪6 0 年代中期，h o o k e r ，m a r g a l i e s ，r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 等人的 研究【37 ，3 8 j ，促进了多刚体系统动力学的发展。多刚体系统动力学是在经典力学 基础上产生的新的学科分支，针对由多个刚体组成的力学模型，研究自动化的 求解算法，以便实现计算机自动建立方程并求解。多刚体系统动力学诞生以后 发展很快，形成了几种不同的求解算法，代表性的方法有牛顿一欧拉方法、 r o b e r s o n w i t t e n b u r g 方法、凯恩方法和拉格朗日方法等。 随着计算机技术的发展，推动了多体系统动力学从理论建模到面向工程的 计算机辅助仿真研究的发展。许多大型通用计算机软件不断涌现，如a d a m s 、 s i m p a c k 、n u c a r s 等软件。这些软件结构性强、功能完备、操作方便，不但 能够求解航天器和机器人等以开环和低运动副为主的机构，而且能求解铁路车 辆等结构形式复杂的多闭环系统。 多体系统动力学作为动力学仿真中的一种新方法，应用领域非常广泛，在 机械系统的设计过程中普遍采用，同时在铁路工程领域也具有很大的应用前景。 首先，采用多体系统动力学分析方法，能够得到一个通用的自动建立数学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 模型的方法。这种方法，不仅能够求解车辆垂向、横向、纵向的空间动力学问 题，而且还能对它们之间的耦合模型进行分析。由于这种方法的通用性，它除 了能对已有的车辆模型进行各种动力学分析外，还能对设计中的车辆进行动力 学性能分析，大大加快了新型车辆的设计和研究。 其次，多体系统动力学分析方法可与有限元技术和模态分析方法进行联合 仿真研究。随着车辆动力学模拟的深入，对钢轨、道床、接触网、车体等这些 柔性体不能以一个刚体来代替，而必须考虑它的弹性变形。目前，对于这些问 题的处理主要采用有限元离散化方法与模态分析方法。由于有限元方法与模态 分析方法已经相当成熟，多体系统动力学分析方法可以借鉴这些方法的现有成 果，来对包含弹性变形的多体系统进行仿真分析。依据这一思想，可对由车辆 与轨道或桥梁、受电弓与接触网等刚体和柔性体组成的复杂系统建立一个较为 精确的刚柔耦合模型，从而可以较全面地模拟车辆、轨道的动力学性能，为各 种新型高速、重载机车车辆的设计和高速、重载线路结构参数的确定提供有效 的分析手段。 2 2 2m s c a d a m s r a i 软件简介 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 软件是美国 m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的虚拟样机分析软件。目前，a d a m s 软件已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参 数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日 方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力 学分析，输出位移、速度、加速度和作用力等计算结果。a d a m s 软件的仿真 可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及有限元计算 的输入载荷等。 a d a m s 的核心模块包括交互式图形用户界面a d a m s v i e w 和仿真求解器 a d a m s s o l v e r 等。 a d a m s v i e w 是a d a m s 软件的交互式图形建模模块。采用形象直观的方 式来建立仿真模型，以分析虚拟样机的动力学性能，并输出计算结果。 a d a m s s o l v e r 是a d a m s 软件的求解模块。该模块可以自动建立机械系 统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的计算结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以非常方便地运用该 软件对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟 样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户 进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 m s c a d a m s r a i l 模块是a d a m s 软件为铁路用户开发的专用模块，提供 了专用于铁路机车车辆的建模及分析功能。利用m s c a d a m s r a i l 可以在可视 化环境中建立车辆的结构和悬挂模型、轨道模型及轮轨接触关系等，并将其组 装到一起，建立完整的车辆系统仿真模型，并进行仿真计算，其工作界面如图 2 3 所示。 由于铁路车辆的特殊性，轮轨接触关系在铁路车辆动力学性能的分析中起 着关键性的作用。m s c a d a m s r a i l 采用的轮轨接触单元模型经过多年的发展 已经从通过简单的弹性约束和基于接触点处的几何曲率来计算接触面法向力和 接触斑形状的模型，发展到通过计算接触体的弹性变形来得到接触面法向力以 及接触斑形状的模型。 m s c a d a m s r a i l 的轮轨接触单元有三种类型，分别是： 1 ) 线性轮轨接触单元，用锥度、接触角和侧滚角等参数来描述轮轨运动学 关系，主要用于车辆的稳定性、临界速度的仿真计算。 2 ) 预算表格式非线性轮轨接触单元，采用预先计算的轮轨非线性运动学数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 据文件作为输入表格来计算轮轨接触几何关系，主要用于轮轨非多点接触情况 下的车辆系统的动态仿真计算。 3 ) 通用非线性轮轨接触单元，根据预先输入的轮轨型面，实时动态计算轮 轨接触几何关系，主要用于轮轨多点接触情况下的车辆系统的动态仿真计算。 计算中最常用到的轮轨接触单元是通用非线性轮轨接触单元。它模拟了非 椭圆接触面和依照b o u s s i n e s k 定理定义的接触刚度，并且没有限制接触体中接 触面的数目。通用非线性轮轨单元中轮轨接触力的计算主要分为以下几个步骤： 车轮接触线的计算； 轮轨接触面的计算； 接触面上法向力的计算； 蠕滑率的计算； 蠕滑力的计算； 接触力的转换计算。 根据h e u m a n n 方法，轮轨接触问题可以作为二维问题来求解。将车轮轮廓 线在钢轨的定位平面( 轮轨廓线所在平面) 上的投影作为可能的接触线。并分 析车轮接触线和钢轨断面在不变形情况下的侵入量，如果两接触面没有侵入发 生，就不会有接触。 假设在不变形情况下车轮接触线和钢轨断面之间的侵入量为氏，其弹性形 变为w c l ，比例关系为： 戍2 忠 协) 钢轨断面和车轮接触线的交叉点描述了接触斑的横向宽度。假设钢轨在纵 向为直线，将这一区域分割成多个窄条则可计算出接触斑的形状。 将接触点的位置作为接触区的中心来计算。每个轮轨接触单元的接触区的 数量限制在1 0 个以内。图2 4 是$ 1 0 0 2 车轮与u i c 6 0 钢轨的接触斑( 车轮载荷 为7 0 l 洲) 的计算结果。 图2 - 4s 1 0 0 2 车轮与u i c 6 0 钢轨的接触斑( 车轮载荷为7 0 k n ) 3 9 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 m s c a d a m s r a i l 通过使用h e r t z 接触理论计算出接触域的法向力。而轮 轨蠕滑力的计算则以j o h n s o n 和k a l k e r 滚动接触理论为基础，也可以自行选用 不同的蠕滑率与蠕滑力关系函数来计算蠕滑力。 m s c a d a m s r a i l 提供了几种常用的蠕滑力计算方法，主要有： 1 ) k a l k e r 的表格法，基于h e r t z 接触理论和c o n t a c t 程序； 2 ) k a l k e r 的f a s t s i m 程序，基于等向弹性膜和抛物线法向压力分布状态 理论； 3 ) 修正的f a s t s i m 程序，该程序对接触面的网格进行了修改，可避免高 速滚动状态下f a s t s i m 程序对自旋值计算的不稳定性，计算速度显著提高； 4 ) p o l a c h 近似函数计算方法，采用分析函数，可以精确地描述蠕滑力关系； 5 ) 考虑自旋的j o h n s o n v e r m e u l e n 近似计算公式，基于滚动接触理论分析 的计算方法。 2 3 重载货车动力学模型 铁道车辆是一个复杂的多体系统，运行过程中不但有各部件之间的相互作 用力和相对运动，而且还有轮轨之间的相互关系。因此，理论计算分析模型只 能根据研究的主要目的和要求，对一些次要因素进行相应的假定或简化，而在 对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能做出符合实际情况的模拟。 本文根据重载铁路的实际运营情况，以装配转k 6 转向架的c 7 0 通用敞车 为研究对象。根据转k 6 转向架的结构特点，在建立重载货车动力学模型时，作 如下假定： 1 ) 轮对、构架、摇枕、车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，均 视为刚体，即忽略各结构部件的弹性变形； 2 ) 不考虑相邻车辆的作用，即只考虑单独一辆车的运动。 2 3 1 重载货车动力学模型的建立 货车模型结构松散、零部件多，合理简化和处理各部件间的运动关系，才 能确保模型的正确合理，表2 1 列出了动力学模型中各刚体的自由度。 直接利用车辆及转向架的三维c a d 模型建立车辆的动力学模型是当前车 辆动力学仿真研究发展的趋判3 9 1 。m s c a d a m s 提供了与各种三维c a d 软件 的接口，本文利用a d a m s 与s o l i d w o r k s 软件的接口，将转向架主要部件的c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 模型导入a d a m s r a i l ，定义各部件问的连接约束关系，建立了转向架的动力 学模型，如图2 - 5 所示。将转向架与车体组装，建立起重载货车动力学模型， 如图2 - 6 所示。 表2 - 1 货车模型自由度 自由度 纵向横移沉浮侧滚摇头点头 车体置r cz c中c吼 摇枕( f 1 ，2 )x b ,rz b ，钆如 侧架( i = 1 ，2 )k m 州三m 删 击忆删 0 t a r ) i 奸m 删 轮对( 严1 4 )爿j r ，z w ，垂。钆。虬 楔块( 尸l 8 )蜀，z 山乩 轴箱( = 1 8 ) 螺 萋 l 二删 图2 - 5 转向架动力学模型 【 图2 击重载货车动力学模型 232 重载货车动力学模型中非线性环节的处理 转k 6 型转向架为两个侧架和一个摇枕组成的三大件结构，存在着大量的非 线性环节，主要有轴箱间隙、楔块摩擦、交叉支撑装置的抗菱刚度和常接触弹 性旁承等。为使计算结果更为合理，建模时尽可能地考虑了车辆系统中的非线 性环节。 ( 1 ) 一系悬挂 转k 6 型转向架在轴箱承载鞍和侧架导框座问增设弹性剪切橡胶垫，以实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 轮对的弹性定位，其非线性关系如图2 7 所示。当轴箱与导框不相接触时，一一 系横向力和纵向力由弹性剪切橡胶垫的弹性变形力提供；当轴箱与导框横向和 纵向接触后，一系横向和纵向刚度即为轴箱与导框的接触刚度，一系横向和纵 向力则为弹性剪切橡胶垫弹性变形力与接触弹簧力之和。 只 0 a ) 轴箱间隙示意图b ) 纵向力c ) 横向力 图2 7 一系导框非线性作用模型 y 因此，一系悬挂纵向力为 = 如吱鑫麓酊圳雠耋埘 协2 ， 式中蚝x _ 一系悬挂纵向刚度； 疋x 一轴箱与导框的纵向接触刚度； 文一轴箱与导框的纵向间隙； 广轴箱与侧架之间的纵向相对位移。 一系悬挂横向力为 ，= 。或+ k 五p 岛y x 。j l 。t i 一或，l 乏二：三耄c 卢8 ， c 2 3 ， 式中局厂一系悬挂横向刚度； 疋v _ 轴箱与导框的横向接触刚度； 6 v _ 轴箱与导框的横向间隙； 厂轴箱与侧架之间的横向相对位移。 ( 2 ) 二系悬挂 转k 6 型转向架的二系弹簧减振装置主要包括摇枕弹簧和摩擦楔块减振器。 摇枕弹簧为两级刚度，由自由高不等的摇枕内圆弹簧和摇枕外圆弹簧组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 空车时先压缩外圆枕簧，由于摇枕外圆弹簧刚度较小，使空车状态下的弹簧静 挠度增大，可改善空车的动力学性能。重车时，外、内枕簧共同承载，弹簧总 刚度增大，形成两级悬挂特性，如图2 8 所示。图中k l 为第一级刚度，局为第 二级刚度。 z 图2 - 8 两级刚度悬挂弹簧示意图 摩擦楔块减振器由组合式斜楔( 主摩擦板为高分子复合材料) 、磨耗板和减 振弹簧组成。楔块式变摩擦减振器的作用原理如图2 - 9 所示。 楔 图2 - 9 楔块式变摩擦减振器作用原理图 螺旋弹簧 车体重量通过摇枕作用于弹簧上，使弹簧压缩，由于摇枕和楔块之间存在 一定倾斜角度的斜面，因此在车体作用力和弹簧反力的作用下，楔块与摇枕之 间、楔块与侧架立柱磨耗板之间就会产生一定的压力。在车辆振动过程中，摇 枕和楔块由原来的实线位置移到了虚线位置，楔块与摇枕、楔块与侧架立柱磨 耗板之间产生相对移动和摩擦，从而使振动动能变为摩擦热能，实现衰减车辆 振动和冲击的目的。 通常将减振器楔块的受力情况考虑为如图2 1 0 所示的简化模型。图2 1 0 中，m 、1 1 分别是摇枕和侧架面向运动时减振器楔块两摩擦面间的正压力；u 、 l u 分别是摇枕和侧架背向运动时减振摩擦器楔块两摩擦面间的正压力：厅、一l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 分别是摇枕与侧架面向运动时减振器楔块两摩擦面间的摩擦力；凡、f l u 分别是 摇枕与侧架背向运动时减振器楔块两摩擦面间的摩擦力；a 、分别是楔块与摇 枕及楔块与侧架立柱接触面的倾角；p a 是楔块弹簧反力；t 、1 分别是楔块两摩 擦面间的摩擦系数。减振楔块的受力可由式2 4 式2 - 9 求得。 a ) 摇枕与侧架面向运动b ) 摇枕与侧架背向运动 图2 1 0 摩擦减振器楔块受力图 m = 竺酱坐只 n i l = 掣只 i a a = ( 1 + “) c o s ( a 一夕) + ( “一a ) s i n ( a 一) l a b = ( 1 + “) c o s ( a 一) 一( “一g ) s i n ( a 一) p a = k 嘣一z i 式中驴支承楔块的弹簧刚度； z 产一支承楔块的弹簧挠度。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 晕羞 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 实际上，摇枕和侧架在接触面上的相对运动方向是不规则的，斜楔减振器 除了在垂向上提供摩擦阻力外，在横向同样具有减振作用，如果横向同样按照 式( 2 4 ) 式( 2 9 ) 来计算摩擦力或另外附加一组摩擦阻力，无疑增大了斜楔 的摩擦减振作用【4 。 为了更真实地说明侧架和摇枕间的连接和约束关系以及楔块的摩擦减振作 用，本文采用a d a m s 中提供的接触单元( c o n t a c t ) 直接接触单元来模拟楔 块与摇枕、侧架之间的相互作用关系。将楔块单独考虑成一个刚体，底部与减 振弹簧上端相连，主、副摩擦面分别与侧架立柱磨耗板和摇枕楔形槽表面接触， 楔块减振弹簧反力将斜楔体