论文总字数：20851字

摘 要

随着地铁以及高速列车的普及，我国轨道交通系统迅速发展，车轮多边形磨损现象越来越严重。探究车轮多边形磨损的形成机理是解决这一问题的基础也为车轮修璇提供了理论依据。本文的目的是探究车轮多边形磨损产生机理，使用有限元软件建立轮对有限元模型用于分析自由模态，利用多体动力学软件Simpack建立整车的轮轨系统动力学模型用于分析轮对的振动状态。首先建立列车轮对的有限元模型提取轮对的前15阶自由模态确定轮对的扭转、一阶弯曲共振等频率，然后建立轮轨系统动力学模型分析轮轨系统中轮对上某一点的振动情况，主要提取了轮对的扭振频率和横向振动频率。

研究结果表明列车在通过弯道时内轮会发生滑移，滑移使内外轮之间产生扭转，扭转会引起轮对上扭矩的变化造成扭振，轮对发生扭振的频率和车轮轮对的固有频率相似因此 会引发共振导致车轮多边形磨损的产生和发展，扭振引发的车轮多边形磨损多为11或12阶多边形磨损。

关键词：多边形磨损，轮轨系统，有限元模型，扭振

Abstract

With the popularization of subways and high-speed trains, China's rail transit system has developed rapidly, and the phenomenon of wheel polygon wear has become more and more serious. Therefore, exploring the formation mechanism of wheel polygon wear is the basis for solving this problem and provides a theoretical basis for wheel repair. The purpose of this article is to explore the generation mechanism of polygonal wear, use finite element software to establish a wheelset finite element model for analysis of free modes, and use multi-body dynamics software Simpack to establish a vehicle wheel-rail system dynamic model for analysis of wheelsets Vibration state. First establish a finite element model of the train wheel set to perform free modal analysis on the wheel set, then establish a dynamic model of the wheel-rail system to analyze the vibration of the wheel-rail system, mainly extracting the torsional vibration frequency and Lateral vibration frequency.

The research results show that the inner wheel slips when the train passes through the curve. The slip causes torsion between the inner and outer wheels. The torsion will cause the torque on the wheelset to cause torsional vibration. The natural frequency is similar to each other, which will lead to the generation and development of wheel polygon wear caused by resonance. The wheel polygon wear caused by torsional vibration is mostly 11 or 12 order polygon wear.

Key words: Polygonal wear, Wheel-rail system, Finite element model，Torsional vibration

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及研究现状 1

1.1.1 多边形磨损的概念 1

1.1.2 国外研究现状 2

1.1.3 国内研究现状 3

1.2 研究现状的总结与分析 4

1.3 论文主要工作 5

第 2 章 轮对有限元模型的建立及自由模态分析 6

2.1 轮对有限元模型的建立 6

2.1.1 列车轮对的相关参数 6

2.1.2 建立轮对的三维模型 7

2.1.3 建立轮对的有限元模型 8

2.2 轮对自由模态分析 9

2.3 本章小结 10

第 3 章 轮轨系统动力学模型的建立与仿真 11

3.1 轮轨系统动力学模型的建立 11

3.1.1 轮轨系统动力学模型拓扑学关系 11

3.1.2 轮轨系统动力学模型建模流程 12

3.1.3 轨道参数的设置 16

3.2 本章小结 17

第 4 章 轮轨系统动力学仿真分析 19

4.1 扭振分析结果 19

4.2 横向振动分析结果 20

4.3 特征模态分析结果 21

4.4 本章小结 21

第 5 章 车轮多边形磨损产生机理分析 22

5.1 车轮多边形磨损和轮对固有频率的关系 22

5.2 车轮多边形磨损的分布情况 23

5.3 车轮多边形磨损机理分析 24

5.4 轴箱振动数据分析 25

5.5 本章小结 25

第 6 章 结论与展望 27

6.1 主要结论 27

6.2 工作展望 27

参考文献 29

致 谢 31

绪论

研究背景及研究现状

随着我国经济的快速发展以及科学技术的快速进步，轨道交通系统不断的完善，诸如地铁、高速列车等车辆车轮的多边形磨损现象也越来越严重，车轮多边形磨损引发的严重事故也层出不穷，多边形磨损是车轮表面损伤的一种方式，对铁路交通系统的安全性和舒适性有很恶劣的影响，车轮的多边形磨损会显著的改变轮轨接触力，破坏轮轨间的相互作用关系进而使车辆产生严重的振动现象，这种振动不仅会产生噪音影响乘客的舒适度，而且会严重影响列车以及轨道上零部件的使用寿命，情况恶劣时甚至会危害行车安全造成交通事故。

本文的目的在于探究多边形磨损产生的机理，为后续提高铁路系统行车安全性和改善乘客乘坐的舒适性提供理论支撑，也为寻找抑制多边形磨损的方法指明后续方向。

探究多边形磨损的产生机理对寻找抑制多边形磨损发展的措施具有重大意义，基于有限元法的模拟仿真也为车轮轮对修璇提供了理论依据。

到目前为止，就车轮多边形磨损的成因和影响因素这一问题国内外学者仍未达成一致看法，关于车轮多边形磨耗的形成和发展的机理有各种不同的理论，在不同的轨道情况和行车环境下车轮产生多边形磨损的原因也不相同，因此，为了解决这一问题降低交通事故的发生概率仍需要更加深入系统地进行试验测试以及理论分析。

多边形磨损的概念

理想圆的列车车轮，即使刚刚经过镟修以及在镟修后较短的运行里程内，都有可能被检测出车轮质量偏心或者几何偏心（车轮滚动半径有差异），这些初始的偏差在列车后续的运行中往往会扩大。扩大后形成车轮磨损，车轮磨损分为局部非圆化和全周非圆化，其中局部非圆化包括扁疤、剥离、脱层和其他形式局部非圆化。全周非圆化磨损又叫多边形磨损，车轮全周非圆化主要形式为车轮圆周多边形化磨耗或变形，即车轮半径沿着整个圆周呈周期性或非周期性地变化，非圆化磨耗车轮往往同时存在几种不同阶次的车轮多边形，只是各阶波幅的所占比例不同。圆周上的周期数目又称为多边形磨损的阶数，1阶多边形表现为偏心圆，2阶多边形磨损表现为椭圆，3阶多边形表现为三角形，高阶多边形以此类推，如图1.1所示。

图1.1 车轮多边形磨损示意图

国外研究现状

国内外的众多学者就车轮多边形磨损的成因做了大量的现场试验，并进行了相关的数值仿真分析，基于这些仿真分析结果提出了一些观点来解释车轮多边形磨损的成因。

Johansson^[1]等人发现长期运行的ICE高速列车^{[2, 3]}轮对存在多边形磨损的现象，针对这一现象进行了现场试验调查，他们研究了轮轨垂向接触力、轨道动态响应和车轮多边形磨损现象的关系，提出了轨道动态特性对列车车轮产生多边形磨损有显著影响这一观点。

Muller^[4]则认为车轮圆周材料具有各向异性，运行过程中由于不同的材料性质导致轮轨间相对作用力发生变化引发了车轮多边形磨损的产生。

Meinke和Morys等均认为车辆在运行过程中轮对上会产生不平衡作用力这种作用力可能是导致车轮非圆化磨耗发展的重要原因，与静力不平衡相比动力不平衡造成的影响更加显著。产生这种现象的原因可能是车轮几何或质量偏心，在研究过程中他们使用的轮对为刚性轮对可能无法反应列车在实际运行中的情况。

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