发布时间 : 星期一 文章轮径差对高速动车组动力学性能的影响本科毕业设计更新完毕开始阅读1c950a9a29ea81c758f5f61fb7360b4c2e3f2a30
第1章 绪论
1.1 引言
21世纪是一个经济与知识腾飞的时代，随着经济的飞速发展，人们的生活水平与质量也得到了极大的改善，生活水平的提高体现在衣、食、住、行四个方面，而提到出行，就不得不提到交通，说到交通，又不能不说到铁道车辆，进入改革开放以来，越来越多的人们选择火车作为自己出行的交通工具，除了载客量大，运行安全之外，火车在运行过程中的平稳性和舒适性也是人们选择乘坐的关键因素，而改革开放以来，我国的铁路建设和铁路交通一直在飞速发展，在经过了几次大提速之后，铁道车辆的运输能力也得到了进一步的提高，但我国是一个人口大国，随着国民经济高速平稳的发展，日益增长的人口也给铁道运输带来了越来越大的压力，如何解决铁路运输不能满足越来越大的人口需求成了一大难题，因此人们想到了发展高速铁路和高速列车，所谓高速铁路，是指在能让列车运行速度达到200km/h甚至以上的铁道，而高速列车，顾名思义，就是指运行速度大大高于普通列车的铁道车辆，人们把它叫做动车组或者高铁。
由于2001年申奥成功，首都北京自此成为了万众瞩目的焦点，这就意味着在2008年北京奥运会，来自全世界200多个国家和地区的运动员将在这里参加第29届奥运会，而来自世界各地的游客也将汇聚北京，因此如何解决奥运会期间的交通问题成为了一大难题，所以我国第一条城际高速铁路也在此时开始紧张的建立起来，终于，2008年8月1日，有天津开往北京的高速铁路通车，由于其强大的运输能力以及极快的时速，30分钟以内的实现津京两地的转移已不再是梦。
随着2008年我国第一条高速铁路的开通，我国的高速铁路和高速列车的发展在近几年更是突飞猛进，2010年5月28日，具有我国自主研发知识产权的高速动车组列车“和谐号”在中国北车诞生，从此，中国制造变为了中国创造，中国也成了世界上拥有高铁自主独立产权的国家之一，在试运行的过程当中，“和谐号”更是以416.6km/h的时速创造了当时的世界纪录。
由于高速列车的发展以及大面积普及，近年来，越来越多的普通客车已被高
铁渐渐地取代，但中国并不是唯一一个掌握高铁技术的国家，目前高铁技术比较发达的国家还有法国、日本和德国，日本的新干线高速铁路目前已达到2049.1km，小型新干线长度275.9km，在日本，高速铁路几乎遍布了全国各地；即使日本地震平凡，但由于起强大的高铁技术支持，其高铁运行并未出现事故，且其列车平均晚点时间限制在1min以内。
高速铁路对一个国家的国民经济增长的贡献可谓功不可没，它的建立也是一个国家飞速发展的重要标志，因此，许多欧美国家也开始纷纷投入到高速动车组的研究和高速铁路的建设中，目前为止，已有超过10000km的高速铁路遍布世界各地。
1.2 国内外研究现状
高速动车组在线路上运行时，由于各种原因会使列车产生蛇行运动使轮对踏面磨耗继而产生轮径差，而轮对作为连接车体与钢轨的关键组成部分，其作用不言而喻，列车在运行过程中一旦出现轮径差，将使其在高速运行时的安全性和平稳性大大降低，危及乘客的乘车安全以及人身安全；而随着车速和轴重的不断增大，车轮的工况也将越来越差，从而进一步导致轮径差的加剧，对列车动力学性能产生更大的影响，严重时，列车甚至会出现脱轨现象，而由于轮径差不可避免，在这种情况下，如何尽量减小轮径差对高速动车组的动力学性能影响成了一大难题，对此，国内外许多学者都进行了大量的研究。
在轮径差对高速动车组动力学性能的影响分析中，有许多中外学者对其进行了一系列的研究；早在20世纪90年代Senini Steven等人就研究了轮径差对牵引电机受力的影响，提出了一种可以体现轮径的变化及车轮滑动效应对牵引电机的影响的能对轮轨粘着特性进行模拟的动力学模型，并对此进行了相应的动力学仿真分析，2008年至今，Sergey Zakharov 等学者介绍了轮径差对动力学性能影响的一些行之有效的方法，提出了一种科学的车轮型面评估和设计方法，并研究了车轮材料硬度等对其的影响。
我国学者对于列车在高速运行时轮径差的产生对其动力学性能的影响也有许多贡献，2010年，马卫华等学者利用多体动力学软件SIMPACK建立了高速动车组动力学模型，并通过相应的计算方法分析了高速列车在曲线上运行时的通过
能力以及轮轨力与轮径差大小的关系；此外，杨朝阳、谷学思等也对其进行了不同的研究；越来越多的学者开始关注轮径差对动力学性能的影响分析。
无论是国内学者还是国外学者，在进行车辆系统动力学性能的分析过程中，都很重视轮径差对动力学性能的影响，这足以证明了轮径差的存在对高速动车组的运行一定是有影响的，当然轮径差并不是唯一能对动力学性能产生影响的因素，应该结合各方面的因素来进行轮径差对动力学性能的研究，但我们在设计研究的过程中，应该向诸多前辈一样积极思考，不怕失败，不懈坚持。
1.3 本文研究的主要内容与方法
本文应用多体动力学软件SIMPACK建立了CRH2的高速动车组模型，其中包含一个车体，两个转向架和四个轮对，并对其在标准情况下和存在轮径差的情况下进行了动力学仿真，从而得到相应的动力学性能数值并与相关动力学指标进行对比，得到列车在安全运行时允许的轮径差（半径）变化范围。 （1）以CRH2为基础建立高速车辆动力学模型
在SIMPACK的Wheel-Rail模块输入CRH2相关动力学参数建立高速动车组动力学模型，即包含车辆基本结构及其约束关系和运动学关系的列车系统动力学模型。
（2）分析轮径差存在的四种形式
在研究轮径差对高速动车组的动力学性能分析时，首先应对轮径差的定义及形式进行分析，在分析存在轮径差的转向架受力情况是，采用的是前轮对轮径差的形式，举一反三，其余三种形式的轮径差也可以用相同的方法得出其受力情况。 （3）对所得数据进行整理分析，得出结论
在仿真结束后，对所得的数据进行整理和分析，设置合理的轮径差及合理曲线轨道，通过离线积分和变参数计算分析其中两种轮径差形式下动力学性能的变化趋势。其中主要对临界速度、横向平稳性、垂向平稳性、脱轨系数和轮重减载率进行计算分析，并与相关的动力学性能指标进行对比，同时比较同一速度下两种形式的轮径差对动力学性能的影响的大小，从而得到列车在安全运行时允许的轮径差（半径）变化范围。
第2章 车辆动力学理论分析
2.1 CRH2动力学系统模型自由度
任意一个自由刚体都具有六个自由度,这六个自由度可用笛卡尔坐标来表示, 即三个定义在物体重心上的坐标纵向(x)、横向(y)和垂向(z),以及物体分别绕三个坐标轴旋转运动的转动坐标一侧滚(θ)、点头(β)和摇头(?)运动。对于CRH2动力学模型而言,列车模型为车体一构架一轮对组合结构,车体和构架(bogie)运动自由度为6,其间以空气弹簧联结。轮对自由度为4,通过轴箱与构架联结。列车模型中考虑了34个自由度，模型自由度见下表：
运动形式 构件名称 数量 车体 构架 轮对 1 2 4 纵向 Xc Xb Xw 横向 Yc Yb Yw 垂向 Zc Zb / 侧滚 θc θb / 点头 βc βb βw 摇头 ?c ?b ?w 表2-1列车系统模型刚体运动自由度
2.2 轮径差的种类
理想转向架模型应该是四个车轮的滚动缘直径大小相等，不会产生轮径差，但在实际运行过程中，由于轨道不平顺、转向架设计过程中出现的不可避免的各种原因将使车轮直径发生变化而使轮径差出现在转向架中，轮径差的形式有许多种，但轮径差存在的主要形式有以下四种，如图2.1：