轮轨接触几何演变规律及与抗蛇行减振器耦合作用机理研究

Coupling mechanism of lateral vibration is the basic rule of vibration behavior of high-speed railway vehicle, and there are two main factors for its formation: system damping of the wheel/rail contact and the anti-hunting impedance. This project develops research on evolution law of the wheel/rail contact geometry and coupling mechanism between it and yaw damper according to the statistical analysis of wheel/rail contact geometry parameters and study of dynamic characteristics of yaw damper. It reveals the evolution rules through the statistical analysis of wheel/rail contact geometry parameters according to tracking measurements of wheel tread of service multiple unit, and achieves the nonlinear characterization of wheel/rail contact geometry and relationship with the vehicle dynamics behavior; through road test and bench test of yaw damper, it analyzes correlation among the wheel/rail contact geometry, yaw damper, vehicle vibration for revealing coupling match mechanism between wheel/rail contact and yaw damper; it constructs equivalent parameter model of yaw damper, and analyzes lateral vibration behavior of vehicle under the coupling action of wheel/rail contact and yaw damper to Determine the formation mechanism of stable space of vehicle movement. It provides the basis of the design of high-speed train and the development of nonlinear description of wheel/rail contact geometry and the equivalent parameter model of yaw damper.

横向振动耦合机制是高铁车辆振动行为的基本规律，而其形成有两个主要因素：轮轨接触的系统阻尼作用和抗蛇行的阻抗作用。本项目从轮轨接触几何参数统计分析及抗蛇行减振器动态特性研究出发，开展服役动车组轮轨接触几何演变规律及与抗蛇行减振器耦合作用机理研究。项目跟踪测量服役动车组车轮踏面，通过对轮轨接触几何参数的统计分析，揭示其演变规律，并得到踏面几何非线性表征及与车辆动力学行为的关系；通过抗蛇行减振器的行车试验和台架试验，分析轮轨接触几何、抗蛇行减振器与车辆振动之间的相关性，揭示轮轨接触与抗蛇行减振器耦合作用机理；建立抗蛇行减振器等效参数模型，分析轮轨接触与抗蛇行减振器耦合作用下车辆横向振动行为，确定车辆运动的稳定空间形成机制。项目为高速动车的设计提供依据，发展轮轨接触几何的非线性描述与减振器的等效参数模型。

随着高速动车组运营速度增加，轮轨间的动态作用加剧，轮轨接触关系恶化，而轮轨匹配状态又影响抗蛇行减振器的工作状态，进而对车辆运行安全性造成影响。因此,探究车轮磨耗与抗蛇行减振器之间的耦合作用，并据此设计合理的车轮型面是保证车辆安全平稳运行、延长轮对服役寿命的重要措施。.项目从轮轨接触几何参数统计分析及抗蛇行减振器动态特性研究出发，开展服役动车组轮轨接触几何演变规律及与抗蛇行减振器耦合作用机理研究。.（1）首次提出了一个新的轮轨接触几何非线性参数--复合等效锥度，其以线性等效锥度为基础，通过不同轮对横移量对应的接触宽度差值占比对线性等效锥度进行加权，充分考虑接触区域变化对轮轨接触几何的影响，可以反映由于磨耗而产生的轮轨接触几何变化情况。.（2）建立包含结构阻尼、节点刚度和附加刚度的抗蛇行减振器等效参数模型，通过仿真计算和台架试验，分析抗蛇行减振器阻尼特性参数对车辆平稳性的影响。结果表明：随着抗蛇行减振器结构阻尼和节点刚度的增加，高、低两种车速下车辆平稳性指标分别呈现上升和下降的趋势，需要结合实际工况选择合适的阻尼特性参数。.（3）设计考虑抗蛇行减振器阻尼特性参数的三因素三水平正交试验，以踏面磨耗、轮缘磨耗和名义等效锥度作为评价指标，探究在一个镟修周期内抗蛇行减振器特性参数对车轮型面磨耗的影响。结果表明：当小等效锥度的车轮型面匹配小附加刚度、适中结构阻尼和节点刚度的抗蛇行减振器时可有效降低车轮型面磨耗，保证车辆安全平稳运行。.（4）建立了车轮型面多目标优化模型，采用圆弧参数描述车轮型面，利用最优拉丁超立方设计试验设计样本，选用径向基神经网络构造近似模型，使用NSGA-II算法寻优，得到优化型面和匹配的抗蛇行减振器阻尼特性参数。.项目研究有助于探明服役动车组长期运营下轮轨接触几何的演变规律及与车辆减振系统的匹配关系，高速轮轨接触几何新的非线性表征和抗蛇行减振器等效参数模型及相关的研究方法具有重要的理论意义。