关键词： 物理信息神经网络   轮轨力   反演   卷积长短时   双向长短时  

摘要： 轮轨力不仅是判定行车安全的重要指标,还是评估轨道和车辆状态的重要依据。由于测力轮对与测力钢轨有成本高、维护难、使用限制多等特点导致现有的轮轨力测量装置普及率低。因此本文以低成本获取轮轨力为目标,从反演角度入手,以神经网络为手段,并在网络中添加一定的物理信息增加网络的泛化能力和网络的可解释性。本文的主要研究成果包括:(1)推导了基于物理模型轮轨力反演方法,并设计了不同曲率半径、不同超高的路线工况,检验基于物理模型的轮轨力反演方法在各个类路况中的反演精度。根据反演结果选出具有通用性的物理方程作为网络的物理约束,最终选择以轮对和转向架为隔离体的横向平衡方程和垂向平衡方程作为物理约束。并以1/2车辆模型为例,检验以平衡方程作为物理约束的有效性,结果显示:相同训练集下嵌入平衡方程为约束的可以在更简单的架构下达到与结构相对复杂的数据驱动神经网络的反演效果,相同的网络结构下,嵌入物理神经网络有更快的收敛结果。(2)本文针对有轮轨力标签对网络训练的情况,建立了以卷积长短时网络层为主体的嵌入物理信息的轮轨力反演方法(Physics-Informed ConvLSTM for Wheel-Rail Force Inversion Model,Phy＿CLFIM)。建立了精细化的车-轨模型和车-轨-桥仿真模型,并利用该模型对车辆在不同工况中的反演效果进行检验,检验内容包括车辆的行驶速度,路线的曲率半径、超高对反演精度的影响。结果显示,所提出的方法无论在直线路段还是曲线路段都有较好的反演结果,与现有的算法相比反演精度提升明显。(3)本文对比了Phy＿CLFIM和相同网络结构的无物理信息的数据驱动型网络(ConvLSTM for Wheel-Rail Force Inversion Model,CLFIM)。结果显示Phy＿CLFIM的收敛速度较CLFIM有小幅提升。(4)本文针对无轮轨力标签的对网络进行训练的情况,建立了以双向长短时网络为主体提出了无需轮轨力标签训练的轮轨力反演网络(Physics-Informed Bi＿LSTM for Wheel-Rail Force Model,Phy＿BLFIM),通过增加悬挂压缩量信息作为网络的输出,以轮对的垂向、横向、侧滚平衡方程作为网络约束,实现在无轮轨力标签的情况下实现轮轨垂向力和轮轴横向力的反演,该反演方法在直线工况中反演精度高。(5)本文开展了行车试验,利用本文所提出的轮轨力反演方法对1:10缩尺试验中车辆轮轨力进行反演,评估网络的泛化性能,评估结果显示嵌入物理信息的Phy＿CLFIM网络相较于数据驱动的CLFIM网络有更好的泛化性,Phy＿BLFIM的泛化性优于前两者。图81幅,表11个,参考文献108篇

关键词： 轮轨黏着   黏着力矩   齿轮-轴承   动力学   齿轮疲劳  

摘要： 轨道交通车辆具有运载能力强、运输效率高等优点,目前正成为中大型城市公共交通运输的主力,但是随着载重能力和运行速度的提升,传动系统作为整个车辆的核心子系统,其受到内部激励和外部激励使得传动系统的动态特性和疲劳可靠性变得尤为复杂。由于每个站台相邻一公里左右需要频繁的启停,在轨道不平顺激励以及复杂多变的运行工况下导致轮轨的黏滑特性发生改变,其黏着力矩的剧烈波动会影响齿轮的啮合响应并对传动系统造成振动与冲击,而齿轮本身的非线性因素又会反过来影响轮轨的黏滑特性,进而影响齿轮的可靠性导致严重的安全事故。因此,开展轮轨黏着特性对传动系统的动态特性以及疲劳可靠性的研究,对于提高轨道交通车辆的安全平稳运行性具有理论指导意义和工程实用价值。本文以地铁轮轨-传动系统为研究对象,针对轮轨黏着特性引起的黏着力矩,基于Polach接触模型和双线性模型,提出了能够同时考虑轮轨界面因素和大蠕滑条件下的轮对扭转振动的轮轨黏着模型。综合考虑齿轮传动系统的内外部激励,建立地铁传动系统的轮轨-齿轮-轴承耦合的多自由度动力学模型,通过动力学模型输出的响应,基于非线性疲劳损伤累积理论建立考虑剩余强度的齿轮疲劳可靠性模型,并通过摄动法求解其可靠性指标和可靠度。主要研究内容如下所示:(1)针对不同的轮轨黏着模型进行总结,并对比分析其适用工况和不足之处,最后求解四种轮轨黏着模型关于黏着力的计算精度和计算时间,为后续考虑轮轨黏着力矩的传动系统动力学模型提供激励。(2)对地铁的黏着特性进行分析,基于轮轨黏着特性的双线性模型和Polach接触模型推导了黏着力矩方程,综合考虑轮轨非线性黏着力矩、齿轮时变啮合刚度、非线性齿隙、轴承支撑力、轨道不平顺激励等因素,建立考虑轮轨非线性黏着力矩的齿轮-轴承传动系统多自由度动力学模型,分析不同黏着工况和不同参数下传动系统的振动响应特性。(3)通过建立考虑内外激励的传动系统动力学模型并求解其动态响应,然后基于非线性疲劳损伤累积理论建立齿轮疲劳可靠度的极限状态函数,最后求得齿轮的疲劳可靠度和可靠性指标。

关键词： 轨道车辆   轮轨力   动载荷识别   非线性模型   机器学习  

摘要： 轮轨力作为轨道车辆所受的主要外部激励之一,是评价轨道车辆运行安全性的重要因素。为了保障轨道车辆的安全运行,对轮轨力进行监测并结合轨道车辆运行安全性指标,来对其运行安全性进行评价是一种有效的措施。动载荷识别方法作为获取结构所受外部激励的一种间接方法,相比于直接测量法具有诸多独特的优势,因而成为了学者们研究的热点。而将动载荷识别方法引入轨道车辆中来,通过已知的振动响应对轮轨力进行识别,有助于降低轮轨力的测试成本,提高轮轨力测试技术的普及率。 本文以此为出发点,综合使用动载荷识别方法中的传统时域法和机器学习方法,来对轨道车辆轮轨力进行识别,进而对其运行安全性进行评价。主要研究工作如下: 首先,对动载荷识别的时域方法进行了介绍,利用Green函数法和状态空间法,以含随机噪声干扰的轴箱垂向加速度为输入,基于10自由度垂向动力学模型对轨道车辆垂向轮轨力进行了识别,并对比分析了两种方法在计算精度和计算速度上的表现。针对垂向轮轨力识别结果中由响应观测不全、观测噪声等因素引起的识别误差,引入NARX模型对该误差进行了训练和修正。 其次,建立了考虑部分悬挂参数非线性的轨道车辆10自由度垂向动力学模型,采用龙格–库塔法对其在随机激励下的响应进行了正演,获取了轴箱和构架的加速度响应,并在添加随机噪声模拟实际观测噪声后,将其作为轮轨力识别模型的输入。针对该模型的垂向轮轨力识别问题,建立了考虑刚度矩阵随时间变化的非线性识别模型,并与将刚度矩阵视为常值的线性识别模型进行了计算精度上的对比分析。 接着,针对轨道车辆横向轮轨力识别中存在的困难,引入NARX模型直接构建车辆部件响应与横向轮轨力之间的映射关系。分别分析了输入响应和模型参数对横向轮轨力识别结果的影响,并以此确定了本文所用NARX模型所对应的较优的输入响应类型和模型参数。分别对直线和曲线运行工况的横向轮轨力进行了训练和识别。 最后,提出了一种轨道车辆轮轨力综合识别方法,综合使用动载荷时域识别方法和机器学习方法,结合轮对侧滚方程,对轨道车辆各轮对左右轮的垂向和横向轮轨力进行识别,并以此为基础计算轨道车辆的脱轨系数和轮重减载率。结果表明:在直线和曲线运行工况下,采用本文方法计算出的轨道车辆的脱轨系数、轮重减载率与SIMPACK仿真正演值的Pearson相关系数分别大于0.96、0.95和0.76、0.85,说明通过本文方法识别计算的轨道车辆运行安全性参数可以为轨道车辆运行安全性评价提供参考。

关键词： 电线支架   弹性振动   高速列车   轮轨激扰   疲劳强度  

摘要： 随着我国高铁的不断发展,对高铁安全性和舒适性的要求也在不断提升。转向架作为动车组的重要组成部分,其零部件如电线支架的安全性和可靠性对高铁的安全性和舒适性至关重要。而安全性和舒适性则主要体现在弹性振动发生时的相关数据限值,当超过某一限值则易于产生不适甚至发生危险。因此,本研究拟定某型高速动车组,利用弹性电线支架作为衡量振动情况的关键节点,在以往的研究基础上,建立合适的车辆系统动力学模型,以求分析多种激扰缺陷的存在对于高铁弹性振动的影响。论文主要研究内容如下: (1)本文对电线支架进行柔性化处理,以弹性电线支架作为衡量振动情况的关键节点,建立合适的车辆系统动力学模型,通过仿真得到电线支架和轴箱垂向振动加速度,相同激扰情况下,电线支架振动更加明显,振动加速度幅值更大,同时,根据限制加速度100g以下提出的轮轨激扰限值,电线支架的限值更为苛刻。 (2)研究车轮多边形、扁疤以及钢轨波磨对结构弹性振动影响,提出抑制电线支架结构弹性振动的车轮多边形和扁疤及钢轨波磨控制限值。对电线支架危险节点动应力进行仿真计算,根据限制等效应力70MPa以下提出轮轨激扰限值,对比相同工况下根据加速度提出的限值。以加速度提出限值,18至24阶车轮多边形幅值限值建议为0.020mm以下;以应力提出限值,18至24阶车轮多边形限值建议为0.023mm以下。以加速度对250km/h至350km/h速度下车轮扁疤长度提出限值,建议扁疤限值为40mm以下;根据应力提出限值,建议扁疤长度为20mm以下。以加速度对钢轨波磨提出限值时,建议当波长为120mm以上时,波深限值为0.033mm。通过应力对钢轨波磨提出限值,钢轨波磨波长为120mm以上时,波磨波深限值为0.03mm。 (3)研究典型轮轨冲击激扰引起的电线支架振动主频特性,提出系统轮轨冲击振动主频与电线支架弹性模态频率隔离限值或范围。针对电线支架弹性频率设计车轮多边形进行仿真计算,计算当速度变量、阶数变量产生差异时,出现多边形缺陷的车轮其加速度和动应力的幅值变化,提出抑制电线支架弹性振动的隔离频率范围。根据加速度提出抑制其弹性振动的隔离频率为其隔离频率为842Hz至920Hz。根据动应力提出提出抑制其弹性振动的隔离频率限值为小于833Hz。 图126幅,表9个,参考文献92篇。

关键词： 摩擦调节剂   轮轨黏着   轮轨损伤   静电喷涂   施加参数优化  

摘要： 轮轨黏着是关系轮轨磨损、损伤和列车牵引/制动性能的关键因素。现阶段铁路系统中在低黏着工况下对轮轨进行增黏调控与干态减摩调控,存在最显著的问题分别是:轮轨增黏时硬质颗粒对轮轨造成的严重压伤以及流体摩擦调节剂导致的油楔效应。利用SiO2与Mo S2微粒进行增黏和减摩调控可以有效降低上述危害。然而固体微粒由于粒径小、质量轻、吸附性差,利用现行铁路系统的喷涂装置难以有效施加到轮轨界面。静电喷涂技术可以有效提升颗粒在工件表面的吸附性与利用率,因此有必要开展轮轨界面静电喷涂两种固体摩擦调节微粒的研究,为现行摩擦调控方式提供一种新思路。 论文利用静电喷涂试验机,研究了不同静电电压、颗粒粒径、喷涂气压、喷涂极距以及喷枪移速对微粒利用率与轨面微粒量的影响,并依据试验结果给出了提升微粒利用率的措施。随后利用MJP-30A轮轨滚动磨损与接触疲劳试验机,研究了喷涂参数对轮轨黏着系数的影响;并分别对比研究了撒砂增黏和SiO2微粒增黏、水基摩擦调节剂和Mo S2固体摩擦调节微粒下的轮轨损伤行为,阐述了各个工况下的轮轨损伤机制。 论文研究主要结论如下: （1）SiO2与Mo S2两种微粒吸附率与利用率存在明显的线性关系,增加静电电压可以提升微粒吸附性进而提升其利用率;微粒喷射速度随着喷涂气压的增加而提升,喷涂气压过高会导致颗粒利用率降低;微粒利用量随着喷涂极距与微粒粒径的增加先增加后减小;随着喷枪移速增加,喷枪在单位距离上喷涂时间减少,轨面微粒量降低。 （2）在树叶低黏着工况下,增加静电电压与喷涂量可以提升SiO2微粒进入轮轨接触区域内的颗粒量,进而提升其增黏效果与作用时间,90k V电压下的轮轨最大黏着系数为0.33,作用转数为308转;与传统撒砂增黏相比,利用静电喷涂SiO2微粒增黏使得轮轨磨损率分别降低了24%与35%,轮轨试样表面损伤、塑性变形与滚动接触疲劳损伤也更为轻微,轮轨平均裂纹长度分别降低了31%与29%、平均裂纹深度分别降低了16%与27%。 （3）在干态工况下,向轮轨界面静电喷涂Mo S2微粒进行摩擦调控,当喷涂量与电压低时,Mo S2形成的涂层薄且脆弱,平均黏着系数为0.31;随着二者的增加,Mo S2涂层逐渐变厚,黏着系数与作用时间也随之增加;而当过量喷涂时,大量的Mo S2微粒会完全阻隔轮轨接触,会引发低黏着现象的发生,此时平均黏着系数会降低至0.2以下;相较于水基摩擦调节剂,轮轨磨损率降低了24.2%与46.3%,此外由于没有“油楔效应”的影响,轮轨试样表面疲劳裂纹与滚动接触疲劳损伤也更为轻微,轮轨平均裂纹长度分别降低了37%与33%,平均裂纹深度降低了50%与35%。

关键词： 高速列车   非Hertz接触模型   法向接触   切向接触   磨耗模型   磨耗预测分析  

摘要： 列车运行过程中,车轮磨耗始终难以避免,磨耗过大会降低列车的运行品质且增大运营维护成本,对磨耗发展进行预测可以为车轮镟修及踏面优化提供理论基础。现有磨耗预测计算大多采用Hertz+Fastsim的轮轨接触模型,但随着踏面磨耗加剧,Hertz接触越来越偏离实际的接触情况,因此有必要引入更加准确的接触模型,并且探究不同模型的差异性及适用范围。本文对不同接触模型与磨耗模型进行匹配研究及长距离磨耗预测,主要研究工作如下: (1)针对轮轨法向接触问题,编写了Kik?Piotrowski模型、STRIPES模型以及ANALYN模型的实现程序,将三种非Hertz法向接触模型的计算结果与CONTACT理论进行比较。结果表明:三种非Hertz法向接触模型计算得到的接触斑廓形与CONTACT的结果普遍差异较小,在计算接触斑内法向应力分布时,Kik?Piotrowski模型与CONTACT理论差异较大,而ANALYN模型由于考虑了整个接触斑内部的曲率变化及接触间隙,计算结果与CONTACT理论差异最小。 (2)针对轮轨切向接触问题,编写了Fastsim算法及Fa Strip算法的实现程序,将基于不同法向接触模型的Fastsim算法及Fa Strip算法的计算结果与CONTACT理论进行比较。结果表明:无论法向是否满足Hertz接触假设,Fastsim算法计算切向应力及相对滑移速度的结果与Fa Strip算法的结果差异都较大。Fastsim算法得到的接触斑切应力在黏着区为线性增长,在滑移区满足抛物线牵引力边界,而Fa Strip算法得到的切应力在黏着区为非线性增长且在滑移区满足椭圆形牵引力边界,其结果与CONTACT理论拟合较好。Fastsim算法得到的相对滑移速度明显大于CONTACT理论,且滑移区占比偏小,而Fa Strip算法的结果与CONTACT理论差异明显更小。 (3)对不同接触模型与磨耗模型进行匹配及磨耗计算,探究了不同磨耗模型计算差异的产生原因。结果表明:当切向接触使用Fastsim算法时,接触斑单元的划分精度对磨耗影响较大,划分单元越少则单个接触斑磨耗计算误差越大,而对于Fa Strip算法,接触斑单元的划分精度对磨耗影响明显更小。对于Archard磨耗模型,切向接触使用Fastsim算法的磨耗量较Fa Strip算法更大,而USFD磨耗模型则相反。 (4)基于优选的轮轨接触模型建立了长距离磨耗预测模型,比较了优选接触模型与传统的Hertz+Fastsim模型在长距离磨耗仿真中的计算差异,同时探究了不同运行速度、不同牵引力对磨耗的影响。结果表明:在磨耗前期,两种模型得到的磨耗量差异较小,随着踏面磨耗加剧,轮轨接触关系越来越复杂,传统模型的计算结果与实测结果差异变大,而优选模型依然能得到较好的拟合结果。运行速度减小或者牵引力增大都会改变车轮蠕滑率,使得车轮磨耗加剧,并且优选模型对蠕滑率的变化更加敏感。

关键词： 曲线啸叫噪声   摩擦   自激振动   有限元分析   复模态  

摘要： 随着铁路现代化进程不断推进,城际高速交通网络和城市轨道交通体系的建设得到蓬勃发展。在规划轨道线路时,由于地理空间的限制,小半径曲线轨道的铺设无法避免。然而,列车在经过小半径曲线轨道时,伴随而来的高频啸叫噪声严重影响着铁路沿线居民的正常生活。为响应绿色发展理念,解决铁路噪声问题刻不容缓,探寻曲线啸叫噪声的产生机理,并根据其特性找到合理的控制方法抑制啸叫噪声具有重大意义。本文依据我国铁道部规范并结合车轮和无砟轨道的基本结构,利用ABAQUS有限元软件建立车轮-无砟轨道的轮轨接触系统模型。基于复模态分析方法对该模型在0～5000Hz频域内的系统稳定性进行探究,分析轮轨曲线啸叫噪声的产生机理并对其发生趋势展开预测,主要研究成果如下:(1)利用复模态分析方法提取了轮轨系统失稳模态的模态特征。失稳模态的频率接近车轮与钢轨的共振频率,振型亦接近车轮与钢轨的共振振型,其中车轮主要以0节圆的轴向模态发生振动,钢轨主要以垂向弯曲的形式发生振动,车轮的轴向振动与钢轨的垂向振动发生耦合从而产生摩擦自激振动。(2)基于摩擦特性对轮轨系统稳定性进行了探讨。在摩擦力的激励下,存在一个临界摩擦系数使系统中潜在失稳的相邻模态出现频率重合,即产生失稳模态。但该失稳模态并不会一直发散,当摩擦系数继续增大会发生模态解耦而重新趋于稳定;系统失稳模态数量会随着摩擦系数的增大而增多,并且集中于高频区域,即增大发生高频啸叫噪声的概率;具有摩擦系数-速度负斜率特性的摩擦系数会增加系统失稳模态的数量,加剧系统的失稳。可见,轮轨间的摩擦特性是系统稳定性的最重要影响因素。(3)探讨了轮轨刚度匹配对系统稳定性的影响。钢轨与车轮弹性模量相差太大或太小都会增大啸叫噪声的发生趋势,适用的钢轨与车轮的弹性模量比值在1.2左右;轨道支撑刚度主要是由垂向支撑刚度决定,理论上存在一个合理的支撑刚度使得系统不稳定模态的负阻尼比处于一个较低的水平,即自激振动时输入系统的能量较低;亦存在一个合适的横向与垂向支撑刚度比使系统出现的不稳定模态数量减少。因此,可从轨道支撑刚度方面对轮轨曲线啸叫噪声进行控制。(4)分析了轴重对系统稳定性的影响。在摩擦系数一定的情况下,轴重的增大会增加较高频域内的不稳定模态数量,意味着发生高频啸叫的概率会增加,即垂向力对系统稳定性亦有影响。另外,轴重的增加虽然会引起滑动摩擦力的增大,但影响相比较于摩擦系数是较小的。

关键词： 高速列车   齿轮箱   振动响应   车轮多边形   曲线工况  

摘要： 齿轮箱是高速列车的重要零部件,其工作环境恶劣,受到轮轨激励与齿轮啮合激励等多种激励耦合作用,若发生故障,那么整个传动系统将会瘫痪,甚至引发安全事故。因此对齿轮箱进行结构振动响应研究,进而优化箱体结构设计,具有较高应用价值。本文研究将重点探究诱发箱体振动的影响规律,具体研究包括:首先,总结国内外研究现状,了解当前高速列车齿轮箱体振动特性前沿的研究理论与方法,通过分析国内外多名学者研究成果发现,轮轨激励是诱发箱体剧烈振动的最主要因素,轮轨激励包括轨道不平顺、车轮多边形等。然后,参照高速列车相关技术参数,采用SIMPACK软件与Pro/E、Hypermesh、ANYSS等软件联合仿真,完成以齿轮箱与车轮为柔体的高速列车刚柔耦合动力学模型。参考高速铁路设计标准,从轨道不平顺激励、轮轨力与脱轨系数、振动加速度、非线性临界速度等四个方面进行模型验证。并与西南交大学者朱海燕关于高速列车齿轮箱试验数据进行对比,验证了本模型的正确性。再者,基于典型车轮多边形工况下,分析列车在不同速度工况下齿轮箱振动影响规律。研究得出:(1)车轮多边形阶数是引起齿轮箱剧烈振动的主因,阶数越高,齿轮箱振动幅值越大,且垂向振动更剧烈,故高速列车检修可通过定期对车轮多边形进行镟修,以达到降低车轮不圆程度,从而减轻轮轨激扰与齿轮箱激振;(2)根据实测数据收集动车各部位的主频,并利用快速傅里叶变换处理箱体振动信号,分析诱发箱体激振的主要频率形成的因素。最后,基于典型弯道、上坡、下坡等曲线工况下,分析高速列车齿轮箱振动加速度响应特性。研究得出齿轮箱振动响应规律。(1)高速列车弯道行驶时,转弯曲线轨道半径越小振动越剧烈,并且垂向振动比横向更为剧烈,引起齿轮箱体剧烈振动的转弯位置在出缓和曲线段。(2)进入上坡曲线工况时,高速列车时速不宜超过250km/h,同时列车进入缓和段,齿轮箱振动最为剧烈;(3)进入下坡曲线工况时,高速列车时速不宜超过200km/h,同时列车进入下坡缓和段时,垂向有失重现象,垂向振动加速度会突然下降,但列车完成下坡进入直线段时,齿轮箱振动最为剧烈。

关键词： 测力轮对   轮轨力   轴箱加速度   载荷识别   神经网络   轮轨接触  

摘要： 随着货运铁路高速化、重载化的发展，轮轨之间的振动和动作用力加剧，对机车的运行平稳性和安全性有较大影响，轮轨力是其中重要的评价指标，目前广泛使用较为昂贵的测力轮对对轮轨力进行测量，但其准备周期长、操作步骤多。本文提出一种基于较易测得的轴箱加速度信号来对垂向轮轨力进行识别，通过分析轴箱垂向加速度与垂向轮轨力之间的传递关系，提出预测轮轨力的神经网络模型;建立不同工况下的载荷谱，并通过轮轨接触模型分析车轮安定状态。得到的主要结论和成果如下:　　（1）建立了垂向标定实验的有限元仿真轮对模型，确定了车轴上垂向载荷的识别位置，验证了识别位置的合理性，得到了车轴测点应力与垂向载荷之间的传递系数;（2）完成了线路实测数据的处理分析;通过短时傅里叶变换分析了轴箱垂向加速度的时频特征，得到了可用于修正实测速度信号的系数1.4886km/（h?Hz）;开展了垂向轮轨力与轴箱垂向加速度的传递关系分析，结果表明，垂向轮轨力到轴箱垂向加速度的传递系数随速度的增大而增大，振动能量的传递随速度的增加更加剧烈;（3）建立了HXD3C电力机车的动力学模型，分析了影响垂向轮轨力的其他因素。提出了通过轮对横移量来分析轴箱横向加速度对垂向轮轨力的影响，结果表明，曲线半径越小，导向轮对越向外轨横移，导向轮对外轨侧垂向轮轨力越大,非导向轮对越向内轨偏移，非导向轮对外轨侧轮轨力越小;建立了轮对横移量与垂向轮轨力的联合概率密度函数;（4）建立了用于预测垂向轮轨力的GA-BP神经网络模型，训练了归一化后的实测轴箱垂向加速度、曲线半径、运行速度、轴箱横向加速度和垂向轮轨力数据，预测了直线段、左曲线段和右曲线段的垂向轮轨力，证明了GA-BP神经网络较BP神经网络在预测轮轨力方面的精准性有效性;（5）建立了实测线路的载荷谱，得到了实测线路不同工况的不同垂向载荷与轮对横移量的频次分布;分析了不同工况下车轮的安定状态，结果表明，导向轮对左轮通过左曲线的表面疲劳指数最大，其垂向载荷最大且轮轨接触区域面积最小，最易发生接触疲劳;非导向轮对左轮通过右曲线，其垂向载荷基本与直线段一致，但轮轨接触区域面积较小，所以其相对直线更易发生接触疲劳。

关键词： 高速列车   轮轨匹配   等效锥度   轮轨摩擦系数   动力学仿真  

摘要： 车轮和钢轨型面匹配关系是影响车辆动力学性能的关键因素,在我国高速铁路运营中,跨线运营会导致不同的轮轨匹配关系,尤其是等效锥度曲线形状发生变化,轨距、轨底坡和轮轨摩擦系数等参数具有随机性,造成车辆动力学性能差异较大。本文针对某时速400 km高速列车,采用典型的轮轨匹配关系,仿真研究等效锥度曲线形状、轮轨蠕滑理论、摩擦系数等参数对蛇行运动稳定性、运行平稳性和运行安全性的影响规律,为车辆动力学优化和动车组安全运营提供参考,研究结果具有理论和工程参考价值。 首先,建立了时速400 km的高速动车组拖车动力学模型,生成了具有典型等效锥度曲线的轮轨匹配关系,简要分析了恒定摩擦系数对车辆动力学性能的影响。以轮对横移1.5 mm和3 mm两个位置的等效锥度为控制参数,就可以得到各种形状的等效锥度曲线。 然后,研究了典型轮轨匹配下蛇行失稳对应的临界摩擦系数,得到蛇行分岔图。针对不同的等效锥度曲线,对比分析了蠕滑理论、Kalker权重系数、轮轨摩擦系数等轮轨界面因素对蛇行运动稳定性的影响。结果表明:随着轮轨摩擦系数变化,部分工况会发生超临界Hopf分岔的蛇行运动;蠕滑理论对蛇行运动分岔速度有一定影响,但对蛇行分岔类型和幅值影响不大;轮对横移3 mm等效锥度相同情况下,1.5 mm的等效锥度对蛇行运动影响巨大,过大或过小锥度均容易导致轮对小幅值蛇行运动,甚至到很低的速度才收敛。 之后,研究了一系定位刚度、蠕滑理论、摩擦系数和Kalker权重系数对车体振动加速度和运行平稳性的影响,结果表明:3 mm等效锥度0.1时,一系纵向定位刚度增大导致横向平稳性指标增大;3 mm等效锥度0.4时,一系纵向定位刚度增大导致横向平稳性指标减小,尤其是等效锥度具有明显负斜率时。3 mm等效锥度0.1时车辆横向加速度主频1～1.5 Hz,其中,Polach理论下的主频比其余两种蠕滑理论下低0.2 Hz左右;3 mm等效锥度0.4时车体横向加速度主频7～9 Hz,Polach理论下的加速度幅值较小;大等效锥度下,摩擦系数0.3和0.55时7～9 Hz的主频明显,摩擦系数降低时不再明显,尤其是锥度没有负斜率时该主频消失。 车辆运行安全性的仿真结果表明:轮轨摩擦系数对车辆通过小半径和大半径曲线时的运行轮轴横向力、脱轨系数等指标影响均比较明显,随着摩擦系数的增加,各种指标均有增大趋势,尤其是轮轨磨耗数显著增加。各种蠕滑理论下的运行安全性指标也有差异,其中Poalch理论下的磨耗数明显小于其余模型,其余指标不如1.5 mm等效锥度的影响明显。 综上所述,轮轨匹配关系和摩擦系数、蠕滑理论等对高速列车动力学性能影响明显,尤其是轮对横移1.5 mm的等效锥度不容忽视,针对不同的分析工况,需要选择合适的蠕滑理论、摩擦模型和参数。