加装扣环机车轮对的力学行为研究

论文摘要

铁路运输在我国的交通运输业中举足轻重，对整个国民经济影响巨大。针对我国机车广泛采用的组装式机车轮对，可能因轮箍弛缓造成的机车脱轨事故、颠覆，影响铁路运输安全的问题，本文提出给组装式机车轮对轮箍加装安全扣环。该措施可有效地防止因轮箍弛缓而造成的列车脱轨乃至颠覆等重大事故。 加装扣环后的机车轮对在运用过程中的应力及其分布状态、轮对的动力学特性、轮箍的踏面和轮缘使用安全边界、运用过程中轮对的温度场及应力等方面将产生相应的影响。因此，必须对加装扣环后机车轮对的力学行为进行研究，为保证铁路机车运行安全提供理论依据。本文在分析轮轨系统相互作用关系的基础上，对加装扣环车轮的力学行为进行了研究，主要研究内容包括： (1)针对组装式机车轮对可能因轮箍迟缓造成机车脱轨与颠覆问题，提出在轮箍内侧加装扣环的解决方案，可有效地防止因此造成的列车脱轨与颠覆。 (2)对加装扣环的机车轮对的静、动力学行为进行了研究。研究结果表明扣环槽的存在对轮对静、动力学行为产生了一定影响，但这些影响是局部的，并没有引起质的变化。从理论上证明机车轮对加装扣环后能够保证运行安全。 (3)分析了轮对踏面线形的演变及磨耗型踏面的特点，提出了轮箍踏面均匀磨损假说。由此假说建立优化模型，寻求到加装扣环轮对的理论极限边界。研究表明铁道部轮对技术规范规定的禁用限度对于加装扣环的机车轮对仍然是安全和适用的。 (4)对加装扣环的机车轮对在紧急制动工况下的力学行为进行了研究。模拟分析了垫片间间隙对轮对的应力分布的影响，指出轮箍加装垫片时，其片间间隙的控制范围。 上述研究是以与武汉铁路局科委及武昌机务段的合作研究项目《轮对加装扣环的性能分析及模拟仿真》为背景的，研究结果表明机车轮对加装扣环方案是安全可靠与可行的，可有效的防止因轮箍弛缓造成列车脱轨与颠覆，对于保证铁路机车的运行安全有着重大的意义。该方案已在武汉、郑州、北京等铁路局部分机车上采用，运行情况良好。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车辆轨道系统与轮对的研究现状
• 1.2.1 机车车辆-轨道系统概述
• 1.2.2 机车轮对的组成及作用
• 1.2.3 机车轮对的研究现状
• 1.3 机车轮对轮箍加装扣环方案的提出及概述
• 1.3.1 加装扣环方案提出的背景
• 1.3.2 方案的阐述及拟解决的问题
• 1.4 计算机辅助工程（CAE）概述
• 1.4.1 有限单元法
• 1.4.2 有限元分析软件ANSYS简介
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 轮轨相互作用关系与轮对工况分析
• 2.1 轮轨相互作用概述
• 2.1.1 空间耦合模型
• 2.1.2 系统非线性特性的模拟
• 2.1.3 动态轮轨关系
• 2.2 轴重转移的分析计算
• 2.2.1 转向架内的轴重转移
• 2.2.2 转向架间的轴重转移
• 2.2.3 持续牵引工况下轴重转移的计算
• 2.3 轮重转移的计算
• 2.3 牵引力的分析计算
• 2.4.1 粘着系数
• 2.4.2 机车计算质量、最高运用速度
• 2.4.3 牵引力的取值和牵引力使用系数
• 2.4.3 计算
• 2.5 侧向力的分析计算
• 2.6 钢轨轨缝接触-冲击力的折算
• 2.7 本章小节
• 第3章 装扣环机车轮对的强度分析与评价
• 3.1 静力学分析概述
• 3.1.1 接触非线性分析
• 3.1.2 接触非线性问题的分析步骤
• 3.2 装扣环机车轮对的强度分析
• 3.2.1 轮对模型的简化与有限元模型
• 3.2.2 边界条件的施加
• 3.2.3 求解并提取相关计算结果
• 3.3 分析结果的对比及评价
• 3.3.1 加载扣环车轮与未加装扣环车轮的力学性能比较
• 3.3.2 静强度和疲劳强度的评价
• 3.4 本章小节
• 第4章 加装扣环机车轮对的动力学行为研究
• 4.1 动力学性能分析概述
• 4.2 加装扣环轮对的振动模态分析
• 4.2.1 模态分析简述及分析步骤
• 4.2.2 加装扣环车轮的振动模态分析
• 4.3 车轮结构的模态及振型
• 4.4 加装扣环轮对的瞬态动力学分析
• 4.4.1 瞬态动力学分析简述及分析步骤
• 4.4.2 加装扣环车轮在轨缝冲击影响下的性能分析
• 4.5 本章小节
• 第5章 装扣环机车轮对轮箍踏面与轮缘禁用限度
• 5.1 磨耗型轮箍踏面及均匀磨损假说
• 5.1.1 磨耗型踏面的结构特点
• 5.1.2 磨耗型踏面均匀磨损假说
• 5.2 38mm加扣环轮箍强度分析与评价
• 5.2.1 38mm加扣环轮箍强度分析
• 5.2.2 38mm加扣环轮箍强度评价
• 5.3 轮箍踏面理论极限边界的寻求
• 5.3.1 极限理论边界寻求方法
• 5.3.2 优化模型及寻优
• 5.3.3 结果评价
• 5.3 本章小节
• 第6章 加扣环机车轮对的温度、应力场分析
• 6.1 概述
• 6.1.1 摩擦制动温度场的研究现状
• 6.1.2 温度场问题的基本方程
• 6.1.3 温度场问题的有限单元法
• 6.2 温度场有限元模型的建立
• 6.2.1 计算工况的描述
• 6.2.2 紧急制动过程中热流密度的计算
• 6.2.3 模型建立及假设条件
• 6.3 机车轮对紧急制动瞬态温度场分析
• 6.3.1 载荷和边界条件
• 6.3.2 计算结果与分析
• 6.4 机车轮对紧急制动温度/应力场分析
• 6.4.1 热应力对轮对的影响
• 6.4.2 热应力及载荷对轮对的影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 轮箍与轮辋之间垫片间隙对轮箍应力分布的影响
• 7.1 问题的提出
• 7.2 模型的建立及边界条件
• 7.3 有限元模拟分析及结果对比
• 7.3.1 有、无间隙磨耗极限轮对比与分析
• 7.3.2 垫片间隙大小对磨耗极限轮对的影响
• 7.3.3 不同间隙垫片对轮箍各部分应力的影响
• 7.4 本章小结
• 第8章 研究成果的实践验证
• 第9章 总结与展望
• 8.1 全文总结与创新点
• 8.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 附录一 分析计算的APDL程序清单
• 附录二 加装扣环车轮的相关照片
• 附录三 查新报告
• 附录四 攻读博士学位期间论文发表情况
• 附录五 攻读博士学位期间主持及参与的科研工作
• 附录六 攻读博士学位期间发明与专利
• 致谢