车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究 本文简介：
本科毕业设计（论文）车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究毕业设计(论文)院系机械工程系专业机械设计制造及其自动化（车辆工程）年级姓名题目车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究指导教师评语指导教师(签章)评阅人评语评阅人(签章)成绩答辩委员会主任(签章)年月日毕业设计(论文)毕业设计（论文）任务书班级城轨车
车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究 本文内容：
本科毕业设计（论文）车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究
毕业设计(论文)
院
系机械工程系
专
业
机械设计制造及其自动化（车辆工程）
年
级姓
名
题
目车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究
指导教师
评语
指导教师(签章)评
阅
人
评语
评
阅
人
(签章)
成
绩
答辩委员会主任
(签章)
年
月
日
毕业设计(论文)
毕业设计（论文）任务书班级
城轨车辆工程一班
学生姓名
学
号
发题日期：
年
月
日完成日期：
月日
题目车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究
1、本论文的目的、意义车轮非圆化将引起车辆在运行过程中比较大的变化，从而对乘客舒适性、行车稳定性和安全性、包括在运行过程中车辆和轨道的各个部件使用寿命都有很大的影响，例如加剧轮轨间磨损，车轮凹坑形侧磨等等。这不仅影响轮轨服役时间，严重的情况可能引发脱轨。因此，进一步分析车轮非圆化引起的原因以及研究其对轮对服役性能的影响具有重要意义。
本文通过对车轮非圆化引起原因的展开讨论，进行对某型高速动车建模分析计算及仿真，研究车轮非圆化对轮对服役性能的影响，进而分析研究其对车辆动力学性能的影响。
2、学生应完成的任务
（1）查阅资料，了解车轮非圆化对车辆运行性能的影响以及国内外研究现状；（2）分析车轮非圆化对车辆运行性能的影响以及形成原因，并且拟定分析方案；
（3）查阅相关车辆数据，熟练掌握SIMPACK软件，并用其建立高速动车模型；
（4
利用SIMPACK和MATLAB软件对模型进行性能的联合分析以及参数优化；（5）完成相关外文翻译以及撰写论文工作。毕业设计(论文)
3、论文各部分内容及时间分配：（共
16
周）
第一部分
查阅资料了解车轮非圆化对车辆运行性能的影响和研究现状等
(2周)
第二部分
熟练掌握相关建模分析软件，并完成相关外文翻译工作
(4周)
第三部分
运用SIMPACK完成某型高速动车的建模和修改(3周)
第四部分
对所建客车模型进行动力学特性分析并且完成参数优化(3周)
第五部分
撰写论文并完成修改和整合工作(2周)
评阅及答辩
(2周)备注
指导教师：
年月日
审
批
人：年月日
本科毕业设计
摘
要高速列车车轮非圆化对车辆系统的动力学特性具有较大影响。为了研究其对车辆系统的动力特性的影响程度,可以利用多体系统动力学软件SIMPACK建立一个某高速动车组车辆系统动力学模型
,进而分析其不同工况下的稳定性、平稳性及安全性指标和研究车轮非圆化现象对列车运行过程中的影响。
运用多体系统动力学软件SIMPACK仿真分析和MATLAB软件,联合计算分析该型号高速列车车轮非圆化形态对轮轨行为的影响。通过仿真，可以发现车轮非圆化对轮轨横向、垂向动力学特性的影响，从而影响了车辆运行的稳定性及安全性。
本论文针对某型高速列车车轮非圆化现象进行分析和研究。通过多体系统动力学软件SIMPACK的建模仿真，讨论研究车轮非圆化现象对车辆系统的动力学特性的影响，以及在得到分析结果的同时，进一步讨论如何较好地改善车轮非圆化，从而提高车辆运行的稳定性和安全性。
假定只有车轮圆周方向的圆度发生改变，来研究车轮非圆化对高速车辆动力学性能的影响。结果表明：车轮非圆化对车辆运行过程中的轮轨力、横向和纵向蠕滑力以及车轮磨耗功等都有影响,增大车体振动，从而影响了乘车舒适性。关键词：车轮非圆化；SIMPACK；平稳性；安全性；高速列车
本科毕业设计
Abstract
The
status
of
out-of-round
high-speed
wheels
can
seriously
influence
the
dynamic
behaviors
of
railway
vehicles.To
study
the
extent
of
influence
on
the
dynamic
behavior
s
of
railway
vehicles,
we
can
build
a
dynamic
model
of
a
certain
EMU
using
the
commercial
code
SIMPACK
to
develope
a
dynamic
model
for
a
high-speed
vehicle
,
to
analyze
the
stability
,
ride
quality
and
safety
index
under
different
conditions
and
to
study
the
influence
the
status
of
out-of-round
high-speed
wheels
has
on
the
dynamic
behaviors
of
railway
vehicles.Using
the
commercial
code
SIMPACK
to
analyze
with
MATLAB,we
can
calculate
and
analyze
the
influences
of
the
status
of
the
out-of-round
high-speed
wheels
on
the
dynamical
behavior
of
the
wheels/rails.
The
analyzed
dynamical
behavior
of
the
wheels
show
us
that
the
out-of-round
has
a
great
influence
on
the
lateral
and
vertical
dynamic
performances
of
the
wheels
,
which
affects
the
dynamic
characteristics
and
running
performance
of
vehicle
systems.
The
purpose
of
this
paper
is
to
study
and
the
status
of
out-of-round
high-speed
wheels.
A
dynamic
model
for
a
high-speed
vehicle
is
built
and
analyzed
by
he
commercial
code
SIMPACK,
to
discuss
the
influence
the
status
of
out-of-round
high-speed
wheels
has
on
the
dynamic
behaviors
of
railway
vehicles.
At
the
same
time,we
can
discuss
the
solution
to
the
status
of
out-of-round
high-speed
wheels
further.
Of
course,
the
good
dynamic
characteristics
and
running
performance
of
vehicle
systems
will
be
ensured.
It
is
assumed
that
wheels
of
out-of-roundness
changes,
to
analyze
the
status
of
out-of-round
high-speed
wheels
.
The
result
shows
that
wheels
of
out-of-roundness
has
an
influence
on
the
wheel
/
rail
force,the
lateral
and
longitudinal
creep
force
and
wheel
wear,
which
will
increase
the
vibration
of
car
body
and
affect
of
the
ride
comfort.key
words：
Out-of-round
high-speed
wheels;
SIMPACK;
Ride
quality;
Safety;
High-speed
train
西南交通大学本科毕业设计(论文)
第
页目
录
第1章
绪论
1
1.1
研究目的及意义
1
1.2
车轮非圆化国内外研究现状
2
1.2.1
车轮非圆化国内研究现状
2
1.2.2
车轮非圆化国外研究现状
4
1.3
本文主要研究内容
5
第2章
某型高速动车动力学建模
7
2.1
SIMPACK软件简介
7
2.2
高速动车结构概述及其技术参数
7
2.2.1
高速动车转向架整体结构概述
7
2.2.2
高速动车主要技术参数
8
2.3
车辆系统动力学理论模型
9
2.4
多体系统车辆动力学建模的原则与方法
9
2.4.1
多体系统车辆动力学建模的基本原则
10
2.4.2
多体系统车辆动力学建模的基本方法
10
2.5
基于SIMPACK的高速动车动力学建模
11
2.5.1
车辆建模基本假设
11
2.5.2
利用SIMPACK建立车辆动力学模型
11
2.6
本章小结
13
第3章
车轮非圆化对车辆运行性能影响
13
3.1
车辆动力学性能评定方法
13
3.1.1
车辆运行稳定性的评价指标
13
3.1.2
车辆运行平稳性评价指标
17
3.2
轨道不平顺的处理
18
3.3
直线上平稳性分析及曲线通过性能分析
20
3.3.1
车辆直线运行平稳性分析
20
3.3.2车辆曲线通过性能分析
20
3.4
非圆化对车辆动力学性能影响分析
22
3.5
本章小结
30
第4章
总结与展望
30
西南交通大学本科毕业设计(论文)
第
页
4.1
结论
30
4.2
展望
31
致
谢
31
参考文献
32
毕业设计(论文)
第1章
绪论
1.1
研究目的及意义
交通一直是人们解决经济发展和提高自身生活质量的重要因素。而铁路已经成为交通运输的主要方式，对社会经济的发展具有着十分重要的意义[1]。在1825年，世界上首条铁路诞生了，从那个时候起铁道机车经历了由蒸汽、内燃、电力到动力的演变，因此这种运输以其运输安全、运量大、快速、节能、方便的优势，在所有的交通运输业历史中占据地位是极其重要的。尤其在1964年，高速铁路在一些经济发展和科学技术比较发达国家逐渐发展和建立。自1997年以来的十几年间，我国铁路经历了总共7次大提速的快速发展，并且预计到2020年，铁路总长将会到达12万千米，还有铁路客运专线将会达到1.6万千米，城市轨道交通也会达到4000公里左右。同时，随着各个城市的规模渐渐扩大，城市人口越来越变得密集，还有很多地方积极建设和发展卫星城，就有必要积极发展一种交通系统，该系统围绕城市轨道交通进行建设，用来缓解目前日益繁忙的城市交通[2]。
车轮非圆化现象是一个非常繁杂的过程。如果车轮磨耗机理不同，就会引起不同的车轮损坏现象[3]。很多因素，例如车辆轨道结构、曲线半径、轮轨间的动力行为、车辆运行速度等，都能够影响车轮非圆化现象。车轮非圆化主要由两种形式组成，包括车轮整个圆周非圆化以及车轮局部非圆化[4]，这些变化主要集中在下面几种[5]：
①局部缺陷：是车轮踏面局部出现的缺陷，沿着车轮径向方向，非匀质材料特性、材料的塑性变形等都可能引起这种缺陷。
②扁疤：是由车轮在轨道上以滑行的方式运行，而没有滚动运行的情况。制动闸没有调整好、制动与可利用的轮轨摩擦力相比较大、轮轨粘力偶然变都可能引起这种滑行。
③剥落：是一种滚动接触疲劳现象，这种现象是因为从踏面上脱落下来的东西或者材质在车轮热裂纹汇合。
④脱落：一般出现在裂纹产生的次表面上。形成这种车轮在滚动过车中出现的接触性疲劳的主要原因是踏面过大的轮轨垂向接触力。
⑤踏面突起：有两种原因造成了这种较为严重的情况，一是不合理的制动，
毕业设计(论文)
二是列车处在手制动的状态。
⑥轮轮变形和周期不圆：在轮对轴制动车轮多边形检测。国内外学者普遍认为，轮对整体的横向运动和轮轴扭转振动影响着车轮多边形化。
总之，砂轮磨损可分为均匀磨损和不均匀磨损两种[6]。
1.2
车轮非圆化国内外研究现状
到目前为止，车轮的磨损特性的模拟研究主要围绕非圆轮的研究，很少有人研究的定量影响研究非圆化[7]。踏面磨耗过大使车轮报废。若磨耗过大的车轮没有及时更换，还有可能使运行中的机车或车辆发生脱轨事故[8]。
1.2.1
车轮非圆化国内研究现状
随着我国经济持续高速发展，列车提速、轴重增大、运输任务加重引起了我国铁路一些区段特别是提速线路的车轮伤损现象，这种不同程度的损伤，包括胎面磨损，剥落，开裂，接触疲劳裂纹，轮缘磨耗等[9]。
郑郑伟生根据中国车轮擦伤，分层的具体情况，分析了存在的问题及原因探讨，车轮磨损形貌和剥离和实验研究进展等，将这种车轮擦伤、
剥离分为三种：①严重滑行带来的擦伤深度远大于1
mm，长度一般在50
mm以上的现象，尤其是在高速、重载时引起的滑行擦伤;②在轮轨间滑动引起的擦伤，这种擦伤导致产生马氏体相变引起的剥离；③滚动接触疲劳引起的剥落。他提出了相应的解决方案，从两个方面：一是直接操作和有效的应急措施；；二是采取措施，滑移，粘度，提高砂轮材料为核心，以有效降低平轮剥离生产[10]。在我国，在普通铁路的直线上钢轨磨耗不严重，在客运专线上钢轨的磨耗也比较少，但是在小半径曲线上还有重载铁路钢轨磨耗仍比较突出。为了提高轮轨综合使用寿命，它可以减少车轮磨损，降低不圆度，确保保证列车运行过程中的的平顺性[11]。
张曙光等指出引起高速直线钢轨短波长波磨和高速车轮多边形等问题的原因可能是在轮对钢轨设计过程中，除了考虑到它们的强度和可靠度问，没有考虑到轮轨结构自身高频，但是在某种运动状态条件下这种柔性振动特性会被激发出来，导致令人难以预料的轮轨伤损，如图1-1(a)给出的是服役中的车轮多边形化问题，（b)为钢轨的波浪形磨损[12]。
毕业设计(论文)
（a）车轮波浪形磨损（车轮多边形化）
（b)钢轨波浪形磨损
图1-1车轮和钢轨的波浪形磨损
1.2.2
车轮非圆化国外研究现状
国外学者研究多边形车轮的问题，实验研究和数值模拟的多边形轮。这些工作主要以德国、荷兰、澳大利亚、瑞典等铁路系统较为发达地区为代表。L.
Johnson发现了多边形车轮现象，提出了减小钢轨波磨钢轨和车轮的适形度和方法之间的减少是横向之间的两个表面改性[13]。B.
Soua和J.
P.
Pascal首次提出了车轮多边形化问题可以运用数值仿真的方法解决[14]。图1.2为增长模拟过程。
图1-2车轮不圆度增长的数值模拟
约翰松和尼尔森在车轮非圆化做了大量的工作[15]。通过全面的现场测试，测量，发现为实心轮子，第三次谐波占主要地位，而弹性轮，第二次谐波为主。由于最大接触力由扁疤的深度而非长度决定，建议将扁疤的深度作为镟削车轮的标准。
M.
Meywerk应用轮轨接触理论，模拟了车轮和钢轨的振动和不圆车轮的型面随材料磨损和硬化的之间的变化关系。这两部分通过扰动理论和多时间尺度方法耦合起来。两个模型的耦合可以用图1-3的反馈环说明。摩擦功率和磨损率决定
毕业设计(论文)
材料的损失量。轮轨垂向力影响材料磨损率变化，这个变化是由于车轮表面的硬
化。从系统复模态的角度，阐述了二阶到五阶复模态对于车轮多边形化的影响[16]。图1-3列车与轨道动力学建模与磨耗模型的耦合
P.
Meinke和S.
Meinke等指出，与现代高速列车传统列车相比具有的两个重要的特征：（1)车轮转速高，轮径不变，；（2)转速较高导致较大的动能。他们运用编制的程序
(UNWUCHT
)模拟了车轮非圆化发展过程。图1-4描述了短期动力行为与长期磨损计算关系[17]。图1-4短期动力行为与长期磨损计算关系图
国外还有许多学者研究了车轮非圆化的相关问题。D.
W.
Barke和
W.
K.
Chiu研究了车轮非圆对车辆部件和轨道寿命的影响[18]。CAI模拟车轮扁疤和随机缺陷磨损后，指出轮轨和车影响行为的关系[19]。
1.3
本文主要研究内容
在本文中，以一种类型的高速动车为研究对象，通过对多体系统动力学软件SIMPACK仿真和建模，同时运用MATLAB软件的动态仿真分析，对车轮的车辆系统动力学特性的影响，非循环现象，以及在得到结果的同时，进一步讨论如何改善
毕业设计(论文)
非圆轮，以提高稳定性和车辆运行的安全性。本文的主要研究内容主要涉及以下：
⑴根据所查阅的数据建立某高速动车组车辆系统动力学模型；
⑵运用SIMPACK软件对列车在不同工况下的工作过程进行轮轨接触几何计算，包括等效锥度，轮径差，接触角差，轮轨接触点分布状态；其次，进行临界速度、平稳性和直线加速度分析等动力学计算，以及在理想轨道和不平顺激励下
分析曲线各自通过的性能；
（3）利用SIMPACK和MATLAB联合分析，改变轮径实现非圆化，并分析车轮非圆化对车辆运行性能的影响以及改善方案。
第2章
某型高速动车动力学建模
2.1
SIMPACK软件简介
SIMPACK是一款多体系统动力学软件，它能够进行机械运动学、机电系统动力学等动力学方面的仿真。SIMPACK软件能够利用多种方法进行求解，例如应用时域积分得到系统的动态特性，可以进一步进行频域分析，得到系统的固有模态、频率，最重要的是机械系统的快速预测是复杂的和整体的运动学或动力学，从而分析负载的各部分等[20]。因此，SIMPACK软件可以被应用很多方面[21]。
SIMPACK仿真软件的基本模块主要包括很多的方面，用户定义的模块（用户程序），优化模块（优化）等。
软件具有的特点是[22]：
1.全新的递归算法、相对坐标系、子结构建模方法；
2.完善强大的碰撞建模和求解功能；
3.快速、稳定、可靠的求解器；
4.控制仿真分析软件MATLAB、SIMPACK两个技术合作；
5.独有的源代码输出功能；
6.唯一可以进行多体系统实时仿真的技术；
7.全参数化的机械系统和控制系统分析模型；8.功能强大的专业化模块。
9.专业标准化的数据结果处理技术；
10.数据库管理技术是完整的，安全可靠；
毕业设计(论文)
2.2
高速动车结构概述及其技术参数
2.2.1
高速动车转向架整体结构概述
本文以高速列车某型动车组动车为仿真模型，对其进行动力学分析和车轮非圆化对车辆系统动力性能影响的研究，其转向架结构如图2-1所示。图2-1
某型动车组转向架
如图2-1中所示，该型转向架采用H形焊接结构，两系悬挂，其中一系悬挂采用转臂式定位，它的上面的定位转臂一端与圆筒形的轴箱体固连等。
2.2.2
高速动车主要技术参数
采用4动4拖动车组，技术参数是表2-1为车体的和表2-2为转向架的相关参数。
表2-1
车体主要技术参数
长度
头车
25450mm
中间车
24500mm
宽度
3380mm
高度（轨距面）
3700mm
转向架中心距
17500mm
地板面距轨面高度
1300mm
车钩距轨面高度
1000mm
毕业设计(论文)
表2-2
某型列车转向架参数
最高运行速度（km/h）
250
运营速度（km/h）
200
定员时轴重（KN）
140
满员（200%定员）
）最大轴重（KN）
160
编组能通过的最小曲线半径(m)
160
最小曲率半径（米）（m）
130
轴距（mm）
2500
轮直径磨损极限（mm）
880/780
使用轨距（mm）
1435
转向架自重（t）
7.6(M)，6.9(T)，6.85(T)
自重下空气弹簧上
平面距轨面高度（mm）
11002.3
车辆系统动力学理论模型
如果有刚性的N无约束的车辆动力学模型，使整个系统有6N的自由度，因此有必要建立6N微分方程。但是按照这种方法建立起来的模型就会较为复杂，既影响分析又没有太大必要性[23]。
由于车辆具有抗倾覆，抗脱轨并在运行时的横向动力学性能的临界速度，因此有必要建立一个联合纵向和横向运动的联合分析的横向动力学模型。目前，计算机软、硬件的发展为解决模型的动力学分析和数学计算等问题提供了很好的条件[24]。所以，现在大部分的车辆纵向和横向运动分析相结合的综合，建立了一个比较详细的动力学模型。
表
2-3
客车模型运动自由度
部件名称
车体
构架
轮对运动形式
纵向
xc
xt
xw
横向
yc
yt
yw
垂向
zc
zt
zw
侧滚
qc
qt
qw
点头
bc
bt
bw
摇头
yc
yt
yw
毕业设计(论文)
在进行具体的分析研究时，可以将轨道车辆简化成多体系统，该系统由车体、构架和轮对组成，它的主要部件自由度如表2-3所示。
2.4
多体系统车辆动力学建模的原则与方法
一般情况下，实现了模型化，就可以通过稳定性分析、时间历程分析和频率响应分析等方法来推断其动态性能。
然而，由于研究对象、研究目的、运动条件等的不同以及认识的差异，不可能建立一个通用的模型来对所有的车辆动力学问题
进行研究，相反，我们可以根据研究的不同范围和目的等分别建立相应的模型，在这种情况下建立的模型研究就可以研究各自的问题[25]。
2.4.1
多体系统车辆动力学建模的基本原则
一般来说，动力学研究的目的都有差异。不论是哪种情况，随着各自要求不同，由整体到局部的研究使得模型化的程度也不一样。但是建模的基本原则都是根据不同的研究目的实行近似化，也就是最为适合的[26]。
模型化处理时，一般遵循以下原则：
1、综合考虑各因素的影响程度，模型化显著性较大的因素，忽略显著性较小的；
2、对于轨道上的振动，在某些情况下也可以忽略；
3、根据研究的对象以及目的不同，选择相适应的自由度；
4、模型中的某些部件假如可以被线性化；但对于一些重要的特征，如抗蛇行减振器的阻尼，则需要保留其非线性，这样才能进行比较准确的分析。因此，对于是否进行线性化，需要妥善考虑；
5、很少对部件进行弹性化处理，一般情况下，转向架、轮对等部件都被看做刚体。同样，整个车体也是一个质量集中的系统，但在做舒适性等的分析时，需要将其变成分布质量的系统来考虑；
6、在
SIMPACK等软件中进行建模时，一般都将各种弹簧、减振器等做成弹簧与减振器一个整体来进行分析；
7、车辆系统建模时，以一系、二系悬挂系统为界面，将其质量划分成三部分；
8、在
SIMPACK建模过程中，各种类型的弹簧和减振器一般都设计成没有质量的弹簧—阻尼体。
毕业设计(论文)
2.4.2
多体系统车辆动力学建模的基本方法
利用机械系统多体动力学软件SIMPACK多体系统建模，给定的条件下，通常需要建立运动或运动的拉格朗日方程的牛顿欧拉方程，然后数值积分，而且对已建好的动力学模型可采取可视化操作，大大提高了模型的直观性，以便于用户对模型进行观察[27]。具体来说建模可以分为以下几个步骤：
1、提出通过建立模型所要解决的问题；
2、根据条件建模，并具体分析对车辆横向模型或者垂向模型动力学性能；
3、利用动力学软件建立动力学三维模型，包括体、力元、铰接等，有时候需要对某些模型进行弹性化处理；
4、分析部分，主要包括计算车辆的临界速度、SIMPACK的后处理等，这些商业软件对于MBS的分析具有强大的功能，可以制定不同的仿真计算时间，用户可以调整使之符合自己的要求。
2.5
基于SIMPACK的高速动车动力学建模
2.5.1
车辆建模基本假设
在建立车辆系统动力学模型之前，可作如下的基本假设[28]：
1、转向架的各部件或车体等都是具体化的元件。
2、暂不考虑钢轨的弹性化。因为在线路的低频激扰下，钢轨弹性对车辆的运行性能影响不大，所以只考虑线路不平顺激扰。
3、车体以及转向架的结构都是完全对称的；并且前后转向架结构相同，即基本对称于车体中心。
2.5.2
利用SIMPACK建立车辆动力学模型
1、定义变量
（1）创建文件：
打开SIMPACK8904软件，然后在主窗口>>File>>Open
Model，在打开的对话框中点击新建文件夹按钮，输入模型文件夹名称“CRH1235”；双击进入文件夹，点击【New】按钮，输入模型名称“CRH1235”，从而建立一个新的模型，单击“OK”完成新模型建立。
（2）设置环境：
（3）定义变量:
毕业设计(论文)
点击变量定义按钮，根据附录中某动车参数表定义各个变量。
2、生成轮对及轨道
（1）建轮对
设置轮对参数，包括轮对的质量、摇头惯量、点头惯量以及侧滚惯量，设置时可直接使用已经定义的变量对这些参数进行定义，完成之后点击【3D
Geomotry】，对轮对外形进行设置。
（2）建轮对运动副和轮轨接触
建模窗口>>Element>>Joints，弹出运动副设置窗口，选择已建轮对双击，设置轮对运动副，同时完成车轮及轮轨接触设置。
（3）设置初始轨道和建新轮对
3、生成构架
（1）一个新的机构的定义，对输入参数的值，包括质量的帧质量中心，惯性振动力矩的惯性，惯性矩，结构滚转力矩，点头。（2）定义：在对运动副按钮单击，双击j_bogie1美元改变运动[联合型]副：选择07对，设置的长度。
4、定义一系悬挂，生成转向架
（1）定义Marker点
（2）定义一系悬挂
选择力元件的操作，选择类型的力，力一般使用CMP型，从标记必须在构架，根据弹簧参数输入具体的数值。
（3）计算名义应力
保存以上操作后，在主窗口计算名义应力。计算预平衡载荷。保存，然后退出对话框回到建模窗口，点击重新加载按钮，重新载入数据，查看各力。
（4）设置轮轨变量
建模窗口点击Globals>>Vehicle
Globals，打开轮轨全局变量设置窗口。设置车轮半径为0.43m，设置车轮踏面外形为LM.wp、LMA.wp、S1002，轨道外形为UIC_60。定义车辆速度v=350km/h。
(5)检查轮轨接触几何关系
5、生成整车模型
同理可构建前转向架，另外建立车体，定义车体及转向架上的Marker点，这
毕业设计(论文)
时车体上的标记点设置方法同转向架的轮对和构架的设置相同；定义二系悬挂，计算名义应力，建模窗口点击
Elements>>Force
Elements
定义力元，根据车辆参数所给的弹簧元件参数输入。然后定义其他关联其余二系悬挂力，计算名义应力。完成所有的设置后生成的车辆动力学模型如图
2-2所示。图2-2
完成后的车辆动力学模型
2.6
本章小结
本章首先对SIMPACK这款多体系统动力学软件作了简要介绍，然后介绍了高速动车的结构特点和一些技术参数，同时讲述了多体系统动力学车辆建模的基本原理和方法，并且对各主要部件进行了分析。最后，建立了一个某型高速客车动力学仿真模型。
第3章
车轮非圆化对车辆运行性能影响
3.1
车辆动力学性能评定方法
车辆在轨道上运行时，该车辆包括运行稳定性的动态性能（安全），的平稳性和曲线的性能三个方面。
根据不同国家的条件和道路条件，对世界机车动力学性能评定的标准是不一样的，但各国相互借鉴，在制定这些标准，所以各种评价方法是非常相似的。例如，欧洲铁路联盟和北美铁路协会分别制定的AAR标准UIC标准等。根据我国国情和道路条件，还建立了动力学评价标准[29]。
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3.1.1
车辆运行稳定性的评价指标
车辆运行稳定性的评价指标主要是以蛇行运动临界速度、脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数等来评定[30~35]。
1、蛇形运动临界速度
在一定的轮轨接触条件下，假设线路是理想平直的，不考虑轨道的振动。不断增大车辆的速度时，车辆的蛇行运动的振型阻尼就会降低到出现失稳的状态，即足够大的能量增益作用下，车辆的横向模态出现了蛇行失稳时的最大速度，这种横向失稳模态也被叫做临界模态。
车辆在高速运行的过程中会表现出非常明显的非线性特性，因此非线性临界速度是考虑高速动车组车辆稳定性的主要问题。目前，在实际工程应用中，计算车辆非线性稳定性的主要方法是数值分析仿真方法，这种数值分析仿真方法具体是：在simpack中用整车模型作为研究对象，一是给整车一段随机激励；或者给车辆第一个轮对加上较小的初始横移量，然后给车辆一个很高的速度让车辆在无激励平直的轨道上或者只加了一小段随机激励的平直的理想轨道上运行一段较长的距离，然后观察车辆轮对的横移量是否在5s内收敛到0。如果横移量在5s内没有收敛到0，则说明车辆在这个速度时是不稳定的；相反，说明车辆在这个速度时是稳定的。
2、脱轨系数
车辆脱轨如下：根据轨道攀登的过程，是指车辆在铁路车轮运行，逐渐爬轨脱轨造成的，通常发生的车辆在低速运行时，爬轨是常见的脱轨现象；跳轨，通常
发生在车辆高速运行的时候，一般是车轮和轨道间的冲击力过大造成的；还有一种情况就是，如果轮轨间的横向力较大，从而使轨距过宽，车轮落入到轨道内侧导致车辆脱轨。通过计算或通过在水平力和垂直力的同一时刻的轮轨力测量的脱轨系数的比值。这个比值是由Nadal根据在脱轨临界状态时爬轨侧车轮轮轨接触点上力的平稳条件得到的脱轨系数的表达式。
脱轨系数定义为：
（3—1）
式中，Q--------------作用于轮缘上的横向力P---------------作用于车轮上的垂向力μ---------轮轨间的摩擦系数α--------车轮的轮缘角
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国外铁路制定的脱轨系数的标准见下表3-2；
表3-1
国外铁路的脱轨系数标准
标准
国际铁路联盟UIC标准
德国ICE高速列车试验标准
日本既有线铁路提速试验标准
北美铁路标准
脱轨系数
≤1.2
≤0.8
≤0.8
≤1.0
表3-2是我国根据自己的情况制定的脱轨系数标准；
表3-2
我国脱轨系数安全限定值
指标
GB5599—1985
TB/T
2360—1993
95J01—L(M)
脱轨系数
第一限度
第二限度
良好
合格
≤1.2
≤1.0
0.8
0.9
≤0.83、轮重减载率
脱轨系数是评价脱轨安全性最基本的指标，但是仅依靠脱轨系数进行安全性判定具有很多局限性，因此用轮重减载率补充列车在运行时的安全性。我们将车轮的减载率的定义为车轮垂直力切负荷量和左、右轮。
4、倾覆系数
评价安全性最基本的就是脱轨系数，但是，仅仅靠脱轨系数来评价车辆的安全性是不完善的。有下面三个原因：①当轮重较小时，相应的横向力也很小，在计算脱轨系数时由于存在测量横向力和轮重的误差，最终可能导致脱轨系数计算的错误，不能得到准确的脱轨系数；②当垂向力较小时，脱轨系数的公式是Q/P，可能导致其结果相对变大，很可能超过脱轨系数的临界值。另外，当一侧的垂向
力较小，也就是说一侧的轮重较小，那么另一侧的轮重会增大，假如这时轮对冲角有一个很小的变化也会导致较大的横向力，横向力较大会导致脱轨。③根据多次现场的试验，轮重减少的越多比脱轨系数越大更容易导致列车脱轨。
所以，必须对列车的轮重减载情况进行限定，用来判断车辆的脱轨安全性问题，这样就引入了轮重减载率这个评价指标。两种情况：①车辆轮对横向力变成0，②轮对横向力接近0的情况下，轮重自身的减载量与均衡轮重的比称定义为轮重减载率。
设
，
则有
，
式中，为左右侧轮对的平均轮重，为轮重减载量，为减载侧车轮的轮轨垂
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向力，为增载侧车轮的轮轨垂向力。轮重减载率的计算公式为：（3—2）
当轮对横向力，可以得到脱轨的临界条件：
（3—3）
代入爬轨侧车轮脱轨系数的数学表达式，可得：（3—4）
式中
为作用于爬轨侧车轮的横向力，为爬轨侧轮缘与钢轨侧面摩擦系数，为非爬轨侧车轮踏面与钢轨顶面的摩擦系数，为爬轨侧轮轨接触角，为非爬轨侧轮轨接触角
我国将车辆车轮踏面斜率根据规定为1/20，轮缘角为~，钢轨侧面与轮缘的摩擦系数为0.2~0.35，=/1.2，可以得到轮重减载率的临界值如表3-3表3-3
摩擦系数和轮缘角与减载率关系
摩擦系数轮缘角0.200.250.300.35
68°
0.75
0.68
0.61
0.53
69°
0.76
0.69
0.62
0.55
70°
0.77
0.70
0.63
0.56
我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB5599一1985)、《高速
试验列车动力车强度及动力学性能规范》(95J01一L)和《高速试验列车客车强
度及动力学性能规范(95J01一M)》中规定的车辆轮重减载率符合的表3-4的标准值。
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表3-4
我国减载率安全限定值
指标
GB5599—1985
95J01一M
减载率
第一限度
第二限度
≤0.65
≤0.60
≤0.6轮重减载率是在轮对横向力H=0的时候根据车辆的车轮横向力和垂向力的平衡条件得到的；在轮对横向力H脱轨系数>
0倍，根据车辆的侧向力、垂向力的平衡条件得到的车轮，这是两种不同的情况下的评价指标，这是两种不同情况下的评价指标。为了保证车辆的运行安全性，这两个指标要一起使用。
5、轮轨横向力
当线路条件相对较差，轮轨横向力将导致紧固件损坏，轨道不平顺。日本对道钉上拔和道钉被挤压这两种情况下的轮轨横向力作了限定，见表3-6。
表3-5
JR道钉挤压及拔起时横向力限定标准
类型
道钉挤压横向力极限（KN）
道钉拔起横向力极限（KN）
第一限度（屈服极限）
第二限度（弹性极限）
有铁垫板
Q≤29+0.30P
Q≤19+0.30P
Q≤17.3+0.51P
无铁垫板
Q≤18+0.30P
Q≤12+0.30P
Q≤20.9+0.28P
在表3-5中，第一限度是不能超过的限值；第二限度是采取措施的限值。
我国沿用了日本有铁垫板的标准；但是近几年我国在设计线路和道岔时，都是采用弹性扣件，对于弹性扣件日本和欧美铁路都规定横向设计载荷不大于0.4倍的轮重。如下式：
（3—5）
式中为轮轨横向力，为左轮静载荷，为右轮静载荷，单位KN。
3.1.2
车辆运行平稳性评价指标
我国通常运用
Sperling指标来评定车辆运行平稳性的好坏。Sperling指标是
Sperling基于大量单一频率振动实验而制定的，主要用于评定旅客乘坐舒适度和车辆本身的运行品质[36]。车辆运行平稳性指标由下式表示：
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对于乘坐舒适度的评价
（3—6）
对于车辆运行品质的评价
（3—7）
式中，f------------振动频率(单位Hz)；a------------振动加速度（单位cm/s2）；F(f)--------与振动频率有关的修正系数；
在不同的频率范围内，横向和垂向的振动频率的修正系数是不同的，见表3-6。
表3-6
振动频率的修正系数
横向振动
垂向振动
振动频率f
修正系数F（f）
振动频率f
修正系数F（f）
0.5Hz~5.4Hz
0.8f2
0.5
Hz~5.9Hz
0.325f2
5.4Hz~26Hz
650/f2
5.9Hz~20Hz
400/f2
＞26Hz
1
＞20Hz
1在现实生活中，车辆运行中随机振动，随着时间的变化频率和加速度的变化而发生变化；这样就要根据频率对车辆的振动波形分组得到每一个平稳性，然后根据下面的公式得到总的平稳性指标。
（3—8）
式中，n为波段的分组总数；
根据平稳性指标W的值判断平稳性的情况见表3-7。
表3-7
平稳性和舒适度指标与等级表
W值
乘坐舒适度
W值
运行品质
1
刚能感觉
1
很好
2
明显感觉
2
好
2.5
更明显，但无不快
3
满意
3
强烈，不正常，但还能忍受
4
可以运行
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3.25
很不正常
3.5
是不正常的，无聊的，担心的，不能长时间忍受
4.5
操作失败
4
极可厌，长时间忍受有害
5
危险我国也在车辆运行的绩效评价指标稳定，见表3-8；
表3-8
客车运行平稳性指标
平稳性等级
评定
客车平稳性指标
1
优
＜2.5
2
良好
2.5~2.75
3
合格
2.75~3.0
我们应该用平稳性指标W＜2.5作为评定标准。3.2
轨道不平顺的处理
蠕滑力所造成的自激振动以及轨道不平顺将会导致车辆系统产生大量强迫振动，这些强迫振动给车辆系统的动力学性能带来很大的影响。轮轨系统励磁的轮轨振动的激励源，按其性质可分为：瞬时冲击激励的激励源，周期性，随机激励，前两个确定性激励，后一种为非确定性激扰。车辆、轨道两方面的因素引起确定性激励[37]。
轮轨间的不平顺由两部分组成，包括轨道不平顺和车轮不平顺。轨道不平顺可以短波不平顺、长波不平顺和脉冲不平顺；长波不平顺波长比轴距的违规行为，主要包括仪表，轨道，轨道高度和不规则和不规则的叠加和组合四种；脉冲不平顺指焊接接头处所形成的低凹、普通接头处所形成的折角和台阶、轨面的擦伤、剥离等。车轮不平顺包括车轮不圆与车轮扁疤。轨道不平顺有定值表达和随机表达两种表达方式，单边功率谱密度就是轨道不平顺采用随机表达，也称轨道谱[38]。
为了便于分析，轨道不平顺是分排列不规则，轨道不平顺，水平不平顺、轨道不平顺和四种类型。这些不平顺形式都是随机产生的。确定性激励能够用
确定的形式来描述，但非确定性激励不能用确定的形式来描述，它是随时随地变
化的，在对机车车辆进行动力学分析时，要考虑轨道的随机不平顺。现实中测量的轨道随机不平顺，需用统计函数加以描述。工程中常用功率谱图来描述谱密度对频率的函数变化
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[39]。
图3.1
京津线轨道激励
3.3
直线上平稳性分析及曲线通过性能分析
评价车辆系统运行的平稳性,就需要对车辆各主要部件的振动加速度进行评定。目前，主要围绕列车运行稳定性评价车体振动。3.3.1
车辆直线运行平稳性分析
在350km/运行时，车辆不同位置处具有不同的动力学性能。本节将仿真条件设置为：直线轨道运行，且轨道长度3000m，积分时间20s，车辆运行速度350km/h，轨道激励为京津线轨道激励见。车辆横向位移随时间的变化等仿真结果如图3.2~图3.5所示；
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图3.2
车辆横向位移变化图3.3
车辆横向加速度变化
图3.4
轮对横向位移变化图3.5
轮对横向力变化3.3.2车辆曲线通过性能分析
曲线通过问题包括稳态曲线通过和动态曲线通过，当车辆在理想曲线轨道上运行，只考虑曲线对于车辆动力学的影响就是稳态曲线通过，而车辆受到不平顺等因素的影响，需要考虑在实际曲线轨道上的车辆动力学性能为动态曲线。在京津实测线路谱的激励下,一般情况下考虑实际线路上车辆的动力学性能，表3-10为要求工况，轮对横向位移变化、脱轨系数变化等仿真结果如图3.7~3.12所示。
表3-10要求工况
前直线
缓和曲线
圆曲线
后直线
曲线半径
超高
60m
670m
1880m
500m
7000m
145mm
曲线轨道的二维图如图3.6所示：
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（a）曲线轨道俯视图（b）曲线轨道正视图
图3.6
曲线轨道的二维图图3.7
轮对横向位移变化
图3.8
摩擦指数（磨耗功）变化
图3.9
脱轨系数变化
图3.10
车体振动加速度变化
图3.11
纵向蠕滑力变化图
图3.12
横向蠕滑力变化图
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仿真条件设置为：速度设置从175km/h~275km/h，间隔是25km/h；曲线轨道运行，轨道长度5000m，车辆轨道激励为京津线实测线路谱。
图3.13
不同速度下的脱轨系数
图3.14
不同速度下的轮轨横向力变化
由图3.13和3.14可以看出，在脱轨系数和轮轨横向力满足正常运行的标准下，车辆在曲线上运行时，随着速度增加，脱轨系数逐渐增大，同时轮轨横向力也在增加。3.4
非圆化对车辆动力学性能影响分析
一般情况下用车轮径跳值来表示车轮非圆化的严重程度。车轮径跳指的是在车轮非圆化过程中引起的最大车轮半径与最小半径的差值[40]。
目前，该轮车通常使用不落轮数控车床，车削过程中，同一转向架的四个车轮在同一时间，每一个轮架是由两个驱动轮和驱动轮旋转的支持。主动轮的中心和刀固定在机架。这种情况下将会无法保证车轮绕其中心旋转，进一步导致车轮偏心无法完全修复。这种驱动轮不圆的状态出现在表面，但呈现周期。驱动轮转动约4
~
6周将驱动车轮在一周内转动，从而驱动非圆轮本身会造成4
~
6阶非圆轮，同时作为一个结果，同一轮由2轮驱动相同，他们的联合效应将导致8
~
13阶非圆轮现象[41]。
设定列车行驶速度350
km/h，不考虑钢轨不平顺的影响，对非圆化车轮进行仿真分析，通过程序调用，利用MATLAB改变车轮半径，然后在在SIMPACK里分析非圆化在相同阶次不同径跳值，或者在不同阶次相同径跳值，这两种情况下车辆相关动力学参数的变化。分析表明：相同阶次下时，不同径跳值对轮对振动加速度有应影响，但相同径跳时，不同阶次下轴箱振动加速度无明显规律，如图3.15~3.18所示。
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图3.15不同径跳对轴箱加速度的影响
图3.16相同径跳不同阶次对轴箱加速度
图3.17径跳对轴箱垂向位移的影响
3.18
径跳对轮对横移量的影响而在相同阶次不同径跳对轮轨法向力也有明显影响。这种情况对轮轨力的影响为先增大后减小，然后趋于稳定。如图3.19和3.20所示。
图3.19同径跳不同径跳对轮轨法向力的影响
图3.20同径跳不同阶次最大轮轨力变化
进一步分析车体垂向振动加速度随车轮非圆化径跳值的变化情况。可以发现：径跳值增加时，车体垂向振动加速度也逐渐增大。相同径跳时，低阶对车体垂向加速度影响较大，而阶次越高对车体的垂向加速度影响越小，对车体横向加速度的影响具有相似的规律。如图3.21和图3.22所示。
毕业设计(论文)
图3.21对车体垂向加速度的影响
图3.22对车体横向加速度的影响然后进行轮轨力和蠕滑力与非圆化相位的关系的分析与研究。下面主要分析车轮非圆化过程中车轮的纵向蠕滑力与非圆化是否存在相位差异，纵向蠕滑力的峰值和非圆形的幅度的变化。分析探究车轮非圆化过程中横向蠕滑力与非圆化相位关系
、车轮磨耗功与非圆化相位、车轮横向蠕滑力与非圆化相位、轮磨耗功与非圆化相位、三阶法向力与非圆化相位、三阶横向蠕滑力与非圆化相位、三阶法向力与非圆化相位、三阶横向蠕滑力与非圆化相位、三阶磨耗功与非圆化相位、八阶法向力与非圆化相位、八阶横向蠕滑力与非圆化相位、八阶磨耗功与非圆化相位、12阶横向力与非圆化相位、12阶横向蠕滑力与非圆化相位等之间的变化关系。
图3.23轮轨法向力与非圆化相位关系
图3.24
车轮纵向蠕滑力与非圆化相位关系
由图3.23可以看出，车轮非圆化过程中车轮的最大法向力发生在谷值向峰值过度的过程中，最大法向力和非圆化存在着一定的相位差异；这与轮轨的冲击有关，当然最大横向蠕滑力同样发生在此处。由图3.24可以看出，车轮非圆化过程中车轮的纵向蠕滑力与非圆化不存在相位差异，纵向蠕滑力的峰值在非圆峰谷，但正常的力和横向蠕滑力和非圆形的幅度有一定的相位差。
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图3.25车轮横向蠕滑力与非圆化相位关系
图3.26车轮磨耗功与非圆化相位的关系图3.25为车轮非圆化过程中车轮的横向蠕滑力与非圆化相位的关系。可以看出，车轮非圆化过程中车轮的横向蠕滑力发生在非圆化峰值向谷值过度的过程中，横向蠕滑力和非圆化存在着一定的相位差异；这与最大横向蠕滑力发生在轮轨冲击处有着密切关系。图3.26为车轮非圆化过程中车轮磨耗功与非圆化相位的关系。可以看出，车轮非圆化过程中轮轨磨耗功在非圆化的峰值及谷值附近都存在峰值，但还是存在着微小的相位差别。这种磨耗趋势会使这种非圆化发展较为缓慢，但不会使其变得更圆顺。但由于车轮采用不掉头往返运行，这种相位差也不会改变车轮非圆化的相位。
图3.27
三阶法向力与相位关系
图3.28
三阶横向蠕滑力与相位关系
图3.27为车轮非圆化过程中三阶非圆的法向力与非圆化相位的关系；可以看出，车轮非圆化过程中三阶非圆的法向力发生在谷值向峰值过度的过程中，最大法向力和非圆化存在着一定的相位差异；这还是与轮轨的冲击有关。图3.28为车轮非圆化过程中三阶非圆的横向蠕滑力与非圆化相位的关系。可以看出，车轮非圆化过程中三阶非圆的横向蠕滑力与非圆化存在较小的相位差异，三阶非圆的横向蠕滑力发生在峰值向谷值过度的过程中。
毕业设计(论文)图3.29
三阶磨耗功与非圆化相位关系
图3.30
八阶法向力与非圆化相位关系
图3.29为车轮非圆化过程中三阶非圆的轮轨磨耗功与非圆化相位的关系。可以看出，由图可以看出，车轮非圆化过程中三阶非圆的轮轨磨耗功在非圆化的峰值及谷值附近都存在峰值，但还是存在着微小的相位差别。由于车轮采用不掉头往返运行，这种相位差也不会改变车轮非圆化的相位。图3.30为车轮非圆化过程中八阶非圆的法向力与非圆化相位的关系；由图可以看出，车轮非圆化过程中八阶非圆的法向力在峰值及谷值附近都存在峰值，但还是存在着微小的相位差别。轮轨的冲击可能造成了八阶非圆的法向力和非圆化存在着的相位差异。
图3.31
八阶横向蠕滑力与非圆化相位关系图3.32
八阶磨耗功与非圆化相位关系
图3.31为车轮非圆化过程中八阶非圆的横向蠕滑力与非圆化相位的关系。由图可以看出，车轮非圆化过程中三阶非圆的横向蠕滑力与非圆化存在较大的相位差异，八阶非圆的横向蠕滑力最大值发生在谷值处；相反，八阶非圆的横向蠕滑力最小值发生在峰值值处。图3.32为车轮非圆化过程中八阶非圆的轮轨磨耗功与非圆化相位的关系。由图可以看出，车轮非圆化过程中八阶非圆的轮轨磨耗功在非圆化的峰值及谷值附近都存在峰值，但还是存在着较大的相位差别。由于车轮采用不掉头往返运行，这种相位差也不会改变车轮非圆化的相位。
毕业设计(论文)
图3.33
12阶横向力与非圆化相位关系
图3.34
12阶横向蠕滑力与非圆化相位关系
图3.33为车轮非圆化过程中12阶非圆的横向力与非圆化相位的关系。由图可以看出，车轮非圆化过程中12阶非圆的横向力最大值发生在谷值处，而12阶非圆的横向力最小值在峰值处。12阶非圆的横向力和非圆化存在着一定的相位差异。仔细观察，也可以看出，12阶非圆的横向力在车轮非圆化过程中非规律性地变化，但是和非圆化相比，呈现相反的变化趋势。图3.34为车轮非圆化过程中12阶横向蠕滑力与非圆化相位的关系。由图可以看出，车轮非圆化过程中12阶非圆的横向蠕滑力与非圆化没有存在相位差异，12阶非圆的横向蠕滑力最大值发生在峰值处，12阶非圆的横向蠕滑力最小值发生在谷值处，二者呈现同时增大，同时减小，即车轮非圆化过程中12阶横向蠕滑力与非圆化同步变化。
由此，可以发现，三阶非圆与法向力及横向蠕滑力存在相位差，其分布方式与椭圆相似；但到高阶，本文中研究了八阶非圆和12阶非圆，它们的横向力与法向力与非圆化的相位差异逐渐变得不明显。三阶非圆与轮轨磨耗功存在微小的相位差，轮轨磨耗功在非圆化的峰值及谷值附近都存在峰值；到了高阶，轮轨磨耗功同样存在着微小的相位差，轮轨磨耗功在非圆化的峰值及谷值附近都存在峰值，但是这时轮轨磨耗功相比低阶来说，变化幅度较小。
综上，可以分析车轮非圆化阶次和径跳值与最大轮对横向振动加速度、最
大轴箱垂向振动加速度、最大轮对横移量、轴箱垂向振动幅值、最大轮轨法向力、最大横向和纵向蠕滑力的变化关系，如下图3.35~3.41所示。
毕业设计(论文)
图3.35最大轮对横向振动加速度变化
图3.36
最大轴箱垂向振动加速度变化图3.35及图3.36分别给出了车轮非圆化在不同阶次和径跳值下过程中最大轮对横向振动加速度还有轴箱最大垂向振动加速度的变化情况。由图3.35可以看出，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，轮对的最大横向振动加速度有逐渐增加的趋势；而在不同阶次相同径跳值时，轮对的最大横向振动加速度没有呈现相对明显的增加趋势，在较大的径跳值，最大横向振动加速度变化较大。在图3.36中，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，轴箱最大垂向振动加速度是逐渐增加的；而在不同阶次相同径跳值时，轴箱最大垂向振动加速度没有呈现相对明显的增加趋势，在较大的径跳值，轴箱最大垂向振动加速度变化较大。
从图3.35及图3.36也可以看出车轮非圆化过程中最大轮对横向振动加速度和轴箱最大垂向振动加速度在不同阶次和径跳值下的变化情况是比较相似的。图3.37最大轮对横移量变化图
图3.38
轴箱垂向振动幅值变化毕业设计(论文)
图3.37及图3.38分别给出了车轮非圆化过程中最大轮对横移量和轴箱垂向振动幅值在不同阶次和径跳值下的变化情况。由图3.37可以看出，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，轮对的最大横移量逐渐增加；而在不
同阶次相同径跳值时，轮对的最大横移量没有呈现相对明显的增加趋势，仅仅在某一阶次突然变大。在图3.38中，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，车辆轴箱垂向振动幅值是呈现均匀增加的，以一次函数形式变化；而在不同阶次相同径跳值时，轴箱的垂向振动幅值没有变化，比较稳定。图3.39
最大轮轨法向力变化关系图3.40
最大横向蠕滑力变化关系图3.39及图3.40分别给出了车轮非圆化过程中最大轮轨法向力和最大横向蠕滑力在不同阶次和径跳值下的变化情况。由图3.39可以看出，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，轮对的最大轮轨法向力变化不大，只是在某一阶次最大轮轨法向力呈现逐渐增大的趋势；而在不同阶次相同径跳值时，轮对的最大轮轨法向力没有呈现相对明显的增加趋势，仅仅在某一阶次突然变大。在图3.40中，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，在高阶，车辆最大横向蠕滑力呈现无规则波动变化，或大或小；然而在低阶，车辆最大横向蠕滑力呈现逐渐上升的趋势；在不同阶次相同径跳值时，车辆最大横向蠕滑力车辆最大横向蠕滑力呈现无规则波动变化，仅仅在某一阶次突然变大。
毕业设计(论文)图3.41
最大纵向蠕滑力变化关系图3.41给出了车轮非圆化过程中最大纵向蠕滑力在不同阶次和径跳值下的变化情况。由图3.41可以看出，在相同阶次不同径跳值下，随着车轮非圆化径跳值增大，轮对的最大纵向蠕滑力变化不大，只是在某一阶次最大纵向蠕滑力呈现逐渐增大的趋势；而在不同阶次相同径跳值时，轮对的最大纵向蠕滑力也没有呈现相对明显的增加趋势，仅仅在某一阶次突然变大。
通过分析，在高阶非圆化过程中容易造成轮轨力的峰值较大，使车轮周向不均匀强化材料。高阶非圆化横向蠕滑力波动相位差不显著，但是低阶非圆化车轮的横向蠕滑力与非圆化幅值由于存在相位差的问题，车轮半径非圆化峰值相对于横向蠕滑力峰值比较超前。
3.5
本章小结
本章主要介绍了车辆的系统动力学的相关评价指标和方法，同时介绍了车辆产生振动的分类以及轨道谱的意义，以及车辆速度在350km/运行时下直线运行性能以及给定工况下曲线通过的车辆动力学性能。最后详细分析了列车车轮非圆在相同阶次下时，不同径跳值，还有不同阶次下时，相同径跳值的情况下给车辆系统动力学性能带来的影响。
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第4章
总结与展望
4.1
结论
本文首阐述了多体系统动力学车辆SIMPACK软件建模的基本原理和方法，根据评价指标和车辆系统的动力学分析方法，在高速客车动车组车辆的某型车辆的
动态性能，运行直线和曲线通过。最后通过仿真，分析了车轮非圆化给车辆系统动力学性能带来的影响。主要研究成果和结论如下：
(1)建立仿真模型。采用轮轨模块软件建立了客车动车组仿真模型SIMPACK动力学分析。
(2)仿真结果分析。选取京津线轨道激励作为仿真模型的激扰输入，分析研究了该型客车动车组车辆在某一速度下直线运行以及曲线通过的车辆动力学性能，分析了轮轨作用力、蠕滑力、脱轨系数等相应变化，得到车辆安全性符合我国要求；
(3)分析车轮非圆化。理论性地分析了车轮非圆化对车辆系统动力性能的影响，分析了在相同阶次下时，不同径跳值，还有不同阶次下时，相同径跳值的这两种情况下车辆运行性能的变化。
4.2
展望
本文主要是对轮轨关系，另一方面分析了车辆运行的车辆直线和曲线方面的动力学性能，未来的工作可以在以下几个方面展开：：
(1)本文简化了建立的仿真模型，并且做了一定的假定，而分析部分是将轮轨视作刚形体为前提的。如果将钢轨视作弹性体进行研究，可以车体直线运行和曲线通过性能做进一步分析。
(2)本文是参数建模基础上，对车辆运行进行仿真分析，今后可以从行车安全性、舒适性和平稳性方面进一步研究，分析研究怎么样优化列车轴箱等部件，从而提高车辆动力学性能。
(3)本文是仅仅在模型基础上理论性地分析了车轮非圆化对车辆系统动力性能的影响，今后应该在高铁运行的实际情况中进行动力学建模和仿真计算，深入研究具体么样改善车轮非圆化，为后的研究提供依据。
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致
谢
论文工作是在崔大宾博士的悉心指导下完成的，X老师给我在专业知识学习和运用方面提了很多宝贵的意见。首先衷心感谢崔老师对我的关心和指导，并致以最真诚的祝福。论文完成过程中，也得到了刘伟渭老师和王家丰等其他同学的帮助，在此表示最诚挚的谢意。
时光荏苒，转眼就要毕业了，衷心感谢陪伴我的授课老师们，我的朋友们，我的同学们，纪念那些我们一起学习生活的日子，总是充满温暖，充满感动，铭记一生。正是你们，让我的大学充实着，快乐着。感谢艰辛的父母，是您们的爱让我不断成长。
最后愿所有的亲朋好友一切安好。参考文献
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车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究 本文关键词：车轮，车辆，性能，运行，影响
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车轮非圆化对车辆运行性能的影响研究》
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