科创中国

行业领域

电子信息技术,智能交通技术

需求背景

中国高铁运营里程已经超过了***万公里，占世界高速铁路的60%以上^[1]，自主研发的“复兴号”运营速度达到350km/h，高铁已经成为我国高端制造业的名片。但是随着运行里程的累积，一些问题也逐渐暴露出来了，近两年，车轮多边形问题呈爆发的趋势。经过一段时间的运营，我国动车组车轮踏面出现了沿圆周方向的多边形磨耗现象，车轮多边形会引发严重的噪声超标，加剧车辆的振动，严重影响乘坐舒适。车轮多边形现象会导致转向架有一个和多边形相关的主频，当该频率和零部件的某阶模态相接近，会引发共振导致零部件的振动急剧增加，这对零部件的疲劳寿命有极其不利的影响。车轮多边形曾在国外的铁路发展史上造成过恶劣的影响，导致多次车辆安全运营事故，给人民的生命财产造成了巨大的损失，严重的影响着铁路车辆运行速度的进一步提升。最近几年，我国高铁、城轨和地铁车辆上由于车轮多边形磨耗引发的零部件振动疲劳破坏问题时有发生，车轮多边形已经成为我国车辆安全运营的重要隐患。

车轮多边形现象看似是简单的周向磨耗问题，但却是轮轨接触关系的基础问题，涉及到多学科交叉的问题，如轨道/车辆的耦合动力学、振动力学、轮轨摩擦理论、弹塑性接触力学、轮轨材料学等等。虽然国内外大量学者都对车轮多边形现象展开研究，但是目前仍没有形成统一的认识，车轮多边形磨耗仍是不可避免的现象。因此，有必要根据车轮多边形产生的恶劣影响，从运营维护的角度提出车轮多边形磨耗限值，制定相关的标准，以保证车辆的安全运营。

需解决的主要技术难题

考虑车辆和轨道系统1500 Hz以内的高频柔性模态、转向架一系悬挂和轨下橡胶垫高频非线性特性；研究高速旋转导致轮对部分共振频率分裂问题，轮对高频柔性变形对轮轨滚动接触和车轮磨耗的影响。轮轨接触是个复杂的关系，即便做到以上几点仍不能保证计算的精度，因此需要结合试验数据进行不断地迭代修正，直到获得理想的精度。

期望实现的主要技术目标

1、高频频非线性车辆-轨道刚柔耦合动力学模型

l车辆模型：考虑结构高频柔性、悬挂部件非线性和轮轨磨耗非线性过程，构建高频车辆动力学模型。考虑转向架关键部件（构架、轮对、轴箱和钢簧）高频弹性和柔性轮对旋转效应，构建高频柔性转向架模型；考虑钢簧柔性、簧下橡胶垫、橡胶定位节点和垂向减振器的高频非线性传振特性，建立一系悬挂非线性模型。结合前期模型，建立考虑高频弹性和悬挂非线性的车辆系统刚柔耦合动力学模型。

l轨道模型：针对无砟轨道模型，前期工作中已经建立了完整的轨道模型。钢轨弹性采用Timoshenko 梁描述，轨下橡胶垫非线性采用分数阶导数方法描述，无砟轨道板采用有限元方法进行建模。车辆系统和轨道能够耦合到一起的关键是柔性轮对和轨道建立交互，将车辆模型中计算获得的动态轮轨力，作为轨道的输入，用于评估轨道的响应。随后应用协同仿真接口将轨道位移响应集成到车辆模型中，便可将车辆模型和轨道进行耦合。

2、车轮多边形磨耗安全限值

关于车轮多边形磨耗的安全限值本项目通过构架和车轴的疲劳寿命进行研究。基于申请人前期的研究认识，无论对于车轴还是构架正常的车轮多边形工况下，其动应力水平还不足以使其疲劳寿命超标。只有在构架或者车轴处于共振条件下，引发应力水平急剧增大，才会造成部件的寿命超标。因此本部分的研究内容主要包含两部分：（1）构架和车轴的振动特性分析。即通过小滚轮高频激振试验台对车轴和构架分别进行扫频，获得其振动特性及各自的敏感模态和危险位置。（2）用实验数据对仿真模型进行修正，然后用仿真模型计算不同阶次、不同波深情况下车轴和构架薄弱位置的动应力数据，对动应力数据进行处理获得各自的疲劳寿命，根据疲劳寿命的要求即可反推得到不同阶次下的波深安全限值。

需求解析

解析单位：重庆市永川区 解析时间：2022-10-17

李平

重庆大学

博士导师

综合评价

通过车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,研究不同阶次车轮多边形磨耗的安全限值.车辆-轨道动力学模型中考虑了构架、轮对、轴箱以及轨道系统的弹性振动,在高频激振试验台上测得车轴动应力,对动力学模型计算结果进行对比验证,说明该模型的准确性.然后计算不同阶次、不同波深和不同速度下车轴应力的变化趋势,结果发现,轮对的一阶弯曲模态82 Hz和二阶弯曲模态393 Hz对车轴应力影响很大,当车轮多边形通过频率接近以上2个模态,轮对发生共振导致车轴动应力急剧增大.根据车轴的许用应力及轮轨垂向力的要求提出了车轮多边形磨耗波深的安全限值,并说明研究车轮多边形下车轴强度的必要性.

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