城轨车辆压剪复合型弹性车轮纵向振动行为研究

In 2015, the operating mileages of urban rail transit in China will reach to 4380 km. With the increasingly stringent environmental requirements of the urban rail transit in China, the rubber resilient wheel will be used widely because the resilient wheel can effectively reduce wheel/rail noise. In resilient wheel, the rubber ring was inserted in flanged tyre and wheel center, so the longitudinal vibration of resilient wheel is more complicated than solid wheel. In this topic, firstly, based on the resilient wheel's structural characteristics and the method of equivalent stiffness, build the complete dynamic model of Press-Shear resilient wheel, secondly, when the stick-slip vibration occurs in wheel/rail contact patch, research the characteristics of wheel/rail longitudinal contact stiffness by wheel/rail rolling contact theory, and then build the resilient wheel's longitudinal vibration model which consider the wheel/rail longitudinal contact stiffness, and analyse the mechanism and inducement of the longitudinal vibration in resilient wheel. At last, build the dynamical model of urban rail vehicle which equipped resilient wheel, and research the influence of resilient wheel's longitudinal vibration on vehicle's dynamical behavior, meanwhile, analyse the parameter's matching relationship between the resilient wheel and bogie based on the wheel's longitudinal vibration. When we design the resilient wheel and corresponding bogie, in order to avoid the abnormal wheel/rail wear and vibration, the research results from this topic can be used to design the structural and suspension parameters.

2015年中国城轨交通运营里程预计将达到4380公里。由于橡胶弹性车轮能有效降低轮轨噪声，因此在环保标准越发严格的中国城轨交通中将会得到广泛运用。弹性车轮中轮心与轮箍之间嵌装有橡胶弹性元件，因此弹性车轮纵向振动问题较目前常用的刚性车轮更为复杂。本课题首先根据弹性车轮的结构特点，通过刚度等效方法建立完整的压剪复合型弹性车轮动力学模型，其次利用轮轨滚动接触理论研究轮轨黏滑振动状态下接触斑内的纵向接触刚度特征，并将该纵向接触刚度用于建立弹性车轮纵向振动模型，分析弹性车轮纵向振动的机理及诱因。最后建立采用弹性车轮的城轨车辆系统动力学模型，研究弹性车轮纵向振动对车辆动力学行为的影响，并从纵向振动的角度分析弹性车轮参数与转向架悬挂参数之间的匹配关系。本项目最终的研究目的是我国在研制弹性车轮及其对应的转向架时，根据本项目的研究结果合理设计结构和悬挂参数，避免弹性车轮纵向振动引发异常轮轨磨耗或车体振动。

弹性车轮由于能够降低轮轨噪声，在国内外城轨车辆上逐渐开始推广使用。但弹性车轮纵向振动及其与转向架悬挂参数匹配设计方面的研究尚为空白。. 根据弹性车轮的实际结构原理，定义了弹性车轮轮毂相对于轮芯的六向刚度，设计了测量该六向刚度的方法及辅助夹具，并成功申请专利。在传统动力学模型的基础上提出一种考虑轮毂与轮芯间橡胶六向刚度的弹性车轮动力学复合模型，能够实现左右车轮的解耦，与未考虑橡胶偏转刚度和扭转刚度的传统模型相比，与实际情况更加相符。弹性车轮相对于刚性车轮临界速度降低了6.6%，但是在小半径曲线上弹性车轮表现出更好的动力学性能，其中爱因斯磨耗指数相对于刚性车轮降低5.3%。基于最小距离搜索法研究弹性车轮的轮轨接触关系，弹性橡胶元件变形对弹性车轮接触点位置影响较小可忽略；弹性车轮在曲线外侧上接触点较刚性车轮更加靠近车轮轮缘，容易发生轮缘磨耗和钢轨侧磨。弹性车轮踏面上的磨耗分布范围较刚性车轮宽，轮缘部分的磨耗略大于刚性车轮，但圆周磨耗明显小于刚性车轮；弹性车轮的镟修寿命为57.5万km，较刚性车轮增大27.8 %；弹性车轮橡胶元件的径向刚度和扭转刚度对车轮磨耗的影响较小，而轴向刚度和偏转刚度主要影响轮缘的磨耗，轴向刚度和偏转刚度越小，轮缘的磨耗越大。. 基于弹性车轮复合模型建立城轨车辆动力学模型，研究弹性车轮纵向振动行为。由于轮毂与轮芯之间橡胶元件刚度大且阻尼较小，当车辆高速运行时，轮轨蠕滑力诱发了弹性车轮纵向高频大幅振动，对构架振动影响较大但对车体基本没有影响；当一系纵向阻尼提高纵向到72kNm/s时可有效抑制弹性车轮振动，且阻尼值可由一系悬挂常用的橡胶堆提供。提出一种基于Kriging近似模型及NSGA-II遗传算法的车辆动力学性能优化方法，以悬挂参数为设计变量同时以动力学性能指标为响应拟合其Kriging近似模型，得到弹性车轮参数与车辆悬挂参数的最佳匹配关系。该方法已在广州电力机车有限公司开发的低地板有轨电车转向架上成功运用，具有良好的工程应用价值。