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原文传递轨道交通车轮多边形成因研究

论文题名：	轨道交通车轮多边形成因研究
关键词：	轨道车辆;车轮多边形;车轮振动;轮轨接触力
摘要：	轨道车辆因其具备运量大、速度快、安全舒适、准点率高等特点，逐渐成为人们出行的重要交通工具。然而，轨道车辆的车轮在经过长久运行后，多边形效应往往会引起车辆-轨道系统一系列动力响应的变化，车辆和轨道的振动响应也随之变得更加剧烈。这会造成车辆动力学性能的退化，引起车轮和轨道的剧烈噪音，进而影响乘坐的舒适性和行驶的稳定性。严重时还会对车辆的重要部件造成损坏，甚至还会危及行车安全。因此，研究车轮多边形的成因是提升车辆运行品质以及安全性的基础，对轨道车辆的持续发展有着至关重要的作用。本文着重研究了车轮振动和轮轨接触力所引起的车轮多边形，具体工作如下：　　首先建立了一种能够清晰分析车轮内部各部件受力以及加速度的动力学模型。基于对该模型从时域和频域的角度进行分析，并结合车轮系统和车厢系统的振动加速度，研究了不同工况下弹性车轮对车轮振动引起的车轮多边形的抑制作用。结果表明：在车轮系统振动加速度方面，弹性车轮由于具有橡胶元件，故与刚性车轮相比，在 70-150Hz 频率范围内的垂向振动以及 30-150Hz 频率范围内的横向振动都有显著下降。同时，由于橡胶元件的存在，也会使得弹性车轮的轴向刚度比径向刚度小，故弹性车轮横向振动的解耦频率比刚性车轮要低。从车厢系统振动加速度的角度分析，虽然弹性车轮内部的橡胶元件产生的弹性振动会导致车厢垂向振动的结果与刚性车轮相同，横向振动结果大于刚性车轮，但是弹性车轮不会影响车厢系统振动加速度的主频，并且能够很好的抑制车厢在 50-150Hz 的垂向和横向振动。　　其次基于建立的整车系统动力学模型，研究了不同工况下弹性车轮对轮轨接触力引起的车轮多边形的抑制作用。结果表明：弹性车轮的单个车轮以及轮对系统均能够有效减小车辆运行时的垂向轮轨接触力。在车轮滚动过程中，弹性车轮能够起到降低一定频率范围内簧下质量的作用，由此可以有效减少轮轨间的相互作用力以及能够抑制定波长波磨的产生。由于在出现相同多边形阶数的条件下，弹性车轮所需的垂向和横向轮轨力更多，故可得弹性车轮对多边形的产生具有抑制作用。　　然后针对目前已有的具备压剪复合型橡胶元件的弹性车轮，深入研究了车轮在滚动过程中的接触行为。基于轮轨耦合有限元模型，得到了接触斑在静止和不同速度下的变化规律，给出了轮轨接触应力和最大等效应力的特征以及摩擦耗散的能量、应变能的变化规律。结果表明：不同车速下，弹性车轮接触斑形状与刚性车轮相比有明显不同。弹性车轮中的橡胶元件能够起到吸收轮轨接触应力的作用，故弹性车轮轮轨接触应力明显小于刚性车轮。由于橡胶元件在车轮滚动时通过大变形吸收了能量，故弹性车轮滚动时摩擦耗散的能量总体小于刚性车轮，应变能总体大于刚性车轮。　　最后，基于以上研究得出的弹性车轮能够很好解决车轮振动和轮轨接触力所导致的多边形效应这一结论，根据目前应用最广泛的V型结构弹性车轮，设计了一种具有K型橡胶元件且拆卸简便的防失效车轮以及一种具有嵌套式橡胶元件及双压环的防失效车轮。这两种新提出的车轮结构均能够抑制车轮多边形，起到提升车辆运行品质及安全性的作用。
作者：	董小乐
专业：	车辆工程
导师：	田建辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安工业大学
学位年度：	2023