本文是一篇机械论文研究，本文将根据车辆轨道耦合动力学模型建立含车轮不圆及擦伤故障的车辆动力学模型，并加入传动系统以及齿轮系统。讨论在变速工况下，上述车轮故障对车辆动力学模型的各部件的时频域影响，将用统计学指标对振动特征进行规律性分析，并利用载荷谱对其进行分析。对于模型建立以及对计算结果分析，本文所得主要结论如下：1、齿轮箱对于轨道不平顺垂向振动响应的幅值与轮对垂向振动响应幅值较为接近，受到的激励作用大于电机。此外，车辆运行在低速时，齿轮系统的扭转振动受齿轮内部激励影响较大，当速度较高时，齿轮扭振加速度受到轨道不平顺激励影响较大，且由于齿轮系统的内外激励同时作用。2、在惰行条件下，由于基本阻力的作用，振幅呈平稳而微弱的下降趋势。在牵引工况下，振幅变化较大，车轮擦伤故障冲击频率的变化明显增大。与恒转矩区相比，恒功率区故障频率的快速变化是由于牵引力的作用，使车辆的速度提高得更快。
第 1 章 绪论
1.1 课题来源、课题研究背景及意义
1.1.1 课题来源
所选课题及相关研究方向来源于国家重点研发计划课题“城市轨道系统安全保障技术”（项目编号：2016YFB1200402）以及国家自然基金面上项目“高铁多源强噪环境下齿轮箱-轮对复合故障解耦及预测方法研究”（项目编号：51975038）。
1.1.2 课题研究背景及意义
轨道车辆的产生伴随了人类的发展历史，铁路车辆的应用使工业文明本身以及人们对工业文明的探索方式发生了巨大的改变。在蒸汽机未发明之前，古希腊、古印度以及欧洲等国家多用马或牛来带动轨道车辆的运行，建立的运行轨道可以保证马或牛用更省力的方式运送钢铁、煤等材料。随着现代科学技术的发展以及人们对物质的需求日益增加，如今的轨道车辆多种多样，如高铁，有轨电车，重载列车，地铁车辆，城际铁路车辆等，构建了更加完善的铁路运输体系。由于我国的在轨道交通的大力发展与投入，我国铁路系统发展在体制改革、设施网络建设、运输能力、科学技术创新、对外合作交流均有了突破性的进展。在车辆运行速度的显著提升以及铁路运输网络的逐步完善，我国乃至世界对铁路运输系统的安全保障重视程度日益增加，在以“十二五”规划为基础的轨道交通系统上，我国在铁路运输规划上进一步提出了新的要求, “中长期铁路网规划(2016-2030)”[1]与“十三五”规划中指出[2]需要进一步加强对铁路运输的安全保障体系建设，夯实安全保障基础。
2007 年 1 月 7 日十五点四十五分，美国华盛顿地铁发生脱轨[3]。事故造成 23 人受伤，其中 1 人伤势较重，维修费用巨大，仅替换损坏车辆所用金额高达 380 万美元。此后，美国交通运输安全委员会对此次事故进行调查发现，此次造成列车发生脱轨事故的主要原因在于列车运营所用车轮的表面粗糙度使事故发生的可能性增大，对于轮对故障的维保镟修质量监控体系不完善造成了此次列车脱轨事故的主要原因。同样是因为对于车轮的故障的疏忽及检修体系的不完善，造成了德国铁路运输的一件灾难性事故。1998年 6 月 3 日德国一列由慕尼黑开往汉堡的 ICE 列车在萨克森州的一座混凝土公路桥发生重大脱轨事故，此次脱轨事故造成 101 人死亡以及重大财产损失[4]。经调查，此次事故由于运营列车的车轮由于难以承受 280km/h 的高速运行负荷而发生断裂，并在质检程序中未发现车轮存在的一道裂纹而造成事故发生的主要原因。2017 年 12 月 11 日由九州博多驶向东京的列车因产生异响异味而被迫停靠在名古屋站进行检修[5]，然而经过检修发现，此列新干线列车转向架开裂程度极其严重，属于重大事故特征；若忽略检修继续前行，将会造成车毁人亡的严重后果。
..........................
1.2 国内外研究现状
车辆系统动力学模型的建立对轮对以及车辆传动系统的状态评估，故障诊断，故障机理研究，以及故障所引起的振动特性研究有着重要的作用。由此，一些学者在 20 世纪 70 年代便对车辆动力学数值建模展开了研究[1-2]。但简单模型的建立以及相关计算方式使得模型计算后的结果精确度较低，且在实际工程当中振动响应的波形传递并非简单的线性叠加，使得之前的模型计算结果与实际运行工况相差较大，不能较好的解决实际工程中的一些问题。翟婉明院士在 20 世纪 90 年代对车辆-轨道耦合动力学的数值建模方式进行了研究[3-9]。基于翟院士的相关研究，车辆-轨道耦合动力学模型被提出。在垂向车辆轨道耦合动力学方面，车辆系统中单节轨道车辆主要由三个刚体组成，即车体、转向架、以及车辆轮对，刚体之间依靠弹性及阻尼元件进行连接(一系悬挂及二系悬挂)，在此车辆系统中共 10 个自由度。翟院士以车辆-轨道垂向耦合动力学模型为基础，由原来的 10 个自由度的垂向振动模型进一步建立了车辆-轨道耦合空间模型(35 自由度)，在空间模型中增加了车辆的横向运动，使所建立的系统模型能够更加全面、准确的计算车辆运行的动力学响应特征。基于垂向耦合振动响应模型，翟婉明院士计算了不同工况下的车辆动力学响应[10]。对于车辆系统为多刚体系统，车辆含有的电机、齿轮箱，以及车轴变形等问题，徐宁等[11-17]建立了精细化车辆系统模型并研究了振动传递机理。由于精细化模型自由度较多，徐宁等在精细化模型建立的过程中将微分方程简化为分块矩阵进行计算，利用分块矩阵对方程进行推导解析求解，不但保证了方程的准确性还能够确保计算速度。在其研究中，为更好地反映其所需考虑的工况，对主要部件进行了弹性及精细化建模，如车轴车体等，经过解析计算，其利用弹性化等方法建模的模型与 ANSYS软件计算结果基本一致。此外，徐宁等人发现，在同一速度下，精细化模型与刚性模型在量值以及均方根值两个动态特性指标上差别不大。杨柳等[18-20]研究了车轮与车轮传动系统的复合故障及其诊断。在杨柳等人的研究中，利用有限元的方法，建立了轴承—齿轮—车轮耦合系统的动力学模型，分析了在车轮的车轮擦伤，车轮不圆故障以及齿轮故障，轴承故障下的单个故障激励以及复合故障激励下的模型的节点响应。
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第 2 章 城轨车辆及其传动系统动力学模型的建立
2.1 含传动系统的城轨车辆动力学模型描述
本文基于车辆-轨道耦合动力学模型并利用 MATLAB 进行数值建模。将车辆系统中车体，构架，轮对，电机，齿轮箱以及主从动齿轮均考虑为刚体，且车体与构架由二系悬挂进行连接，轮对与构架由一系悬挂进行连接，外部激励经过一系悬挂减振传递给构架，构架经过二系悬挂减振传递给车体。电机为轴悬式电机，电机转子端提供牵引动力与齿轮传动系统中小齿轮端相连，大齿轮一端直接与车轴相连。齿轮箱由与构架直接相连的 C 型架保持固定。车辆系统走行部如下图 2-1 所示。
.............................
2.2 车辆模型的建立
2.2.1 轮轨相互作用力计算
图 2-2 所示为轮对与钢轨接触时产生作用力的示意图。在图 2-2 中， 为车轮在纵向上的作用力分量， 为车轮在纵向上的运行阻力接触力分量。
.........................
第 3 章 车轮擦伤故障数值描述及车辆系统振动响应分析.......................26
3.1 车轮擦伤故障函数描述............................ 26
3.2 变速工况下车轮擦伤振动响应分析......................... 26
第 4 章 车轮不圆故障数值描述及车辆系统振动响应分析.......................40
4.1 车轮不圆故障函数描述............................. 40
4.2 变速工况下车轮不圆振动响应分析......................... 44
第 5 章 车轮不圆及擦伤故障统计特征及载荷谱影响分析.......................57
5.1 车轮不圆及擦伤故障统计特征分析................................ 57
5.2 车轮不圆及擦伤载荷谱影响分析.............................64
第 5 章 车轮不圆及擦伤故障统计特征及载荷谱影响分析
5.1 车轮不圆及擦伤故障统计特征分析
Wang[93]用动态统计指标描述了变速状态下齿轮故障在整个寿命周期内的振动信号。在前人研究的基础上，可以利用统计指标来捕捉恒速和变速工况下的响应特征。然而，统计指标很少被用来在恒定或变速条件下评估状态的车轮擦伤故障。因此，在本研究中，车轮擦伤故障使用统计指标来评估的动态特征。表 5-1 为时域、频域统计指标的计算公式及相应代表符号。
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结论
主要结论
本文将根据车辆轨道耦合动力学模型建立含车轮不圆及擦伤故障的车辆动力学模型，并加入传动系统以及齿轮系统。讨论在变速工况下，上述车轮故障对车辆动力学模型的各部件的时频域影响，将用统计学指标对振动特征进行规律性分析，并利用载荷谱对其进行分析。对于模型建立以及对计算结果分析，本文所得主要结论如下：
1、齿轮箱对于轨道不平顺垂向振动响应的幅值与轮对垂向振动响应幅值较为接近，受到的激励作用大于电机。此外，车辆运行在低速时，齿轮系统的扭转振动受齿轮内部激励影响较大，当速度较高时，齿轮扭振加速度受到轨道不平顺激励影响较大，且由于齿轮系统的内外激励同时作用。
2、在惰行条件下，由于基本阻力的作用，振幅呈平稳而微弱的下降趋势。在牵引工况下，振幅变化较大，车轮擦伤故障冲击频率的变化明显增大。与恒转矩区相比，恒功率区故障频率的快速变化是由于牵引力的作用，使车辆的速度提高得更快。
3、车轮擦伤长度与牵引力呈正相关。通过上述分析，可以从车速和故障长度两个方面确定对振幅的贡献。长度对冲击幅值的影响大于速度对冲击幅值的影响，因此在变速工况下长度对冲击幅值的影响更大。
4、车轮不圆故障在阶数较低时，故障特征不明显。仅对含有车轮不圆故障的时域信号进行短时傅里叶变换并不能够获取其时频故障特征，需要进行进一步处理，经过分析计算发现，谱图重构适用于脉冲型激励的故障特征提取，车轮不圆则可以利用变分模态分解进行处理。
参考文献（略）
第 1 章 绪论
1.1 课题来源、课题研究背景及意义
1.1.1 课题来源
所选课题及相关研究方向来源于国家重点研发计划课题“城市轨道系统安全保障技术”（项目编号：2016YFB1200402）以及国家自然基金面上项目“高铁多源强噪环境下齿轮箱-轮对复合故障解耦及预测方法研究”（项目编号：51975038）。
1.1.2 课题研究背景及意义
轨道车辆的产生伴随了人类的发展历史，铁路车辆的应用使工业文明本身以及人们对工业文明的探索方式发生了巨大的改变。在蒸汽机未发明之前，古希腊、古印度以及欧洲等国家多用马或牛来带动轨道车辆的运行，建立的运行轨道可以保证马或牛用更省力的方式运送钢铁、煤等材料。随着现代科学技术的发展以及人们对物质的需求日益增加，如今的轨道车辆多种多样，如高铁，有轨电车，重载列车，地铁车辆，城际铁路车辆等，构建了更加完善的铁路运输体系。由于我国的在轨道交通的大力发展与投入，我国铁路系统发展在体制改革、设施网络建设、运输能力、科学技术创新、对外合作交流均有了突破性的进展。在车辆运行速度的显著提升以及铁路运输网络的逐步完善，我国乃至世界对铁路运输系统的安全保障重视程度日益增加，在以“十二五”规划为基础的轨道交通系统上，我国在铁路运输规划上进一步提出了新的要求, “中长期铁路网规划(2016-2030)”[1]与“十三五”规划中指出[2]需要进一步加强对铁路运输的安全保障体系建设，夯实安全保障基础。
2007 年 1 月 7 日十五点四十五分，美国华盛顿地铁发生脱轨[3]。事故造成 23 人受伤，其中 1 人伤势较重，维修费用巨大，仅替换损坏车辆所用金额高达 380 万美元。此后，美国交通运输安全委员会对此次事故进行调查发现，此次造成列车发生脱轨事故的主要原因在于列车运营所用车轮的表面粗糙度使事故发生的可能性增大，对于轮对故障的维保镟修质量监控体系不完善造成了此次列车脱轨事故的主要原因。同样是因为对于车轮的故障的疏忽及检修体系的不完善，造成了德国铁路运输的一件灾难性事故。1998年 6 月 3 日德国一列由慕尼黑开往汉堡的 ICE 列车在萨克森州的一座混凝土公路桥发生重大脱轨事故，此次脱轨事故造成 101 人死亡以及重大财产损失[4]。经调查，此次事故由于运营列车的车轮由于难以承受 280km/h 的高速运行负荷而发生断裂，并在质检程序中未发现车轮存在的一道裂纹而造成事故发生的主要原因。2017 年 12 月 11 日由九州博多驶向东京的列车因产生异响异味而被迫停靠在名古屋站进行检修[5]，然而经过检修发现，此列新干线列车转向架开裂程度极其严重，属于重大事故特征；若忽略检修继续前行，将会造成车毁人亡的严重后果。
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1.2 国内外研究现状
车辆系统动力学模型的建立对轮对以及车辆传动系统的状态评估，故障诊断，故障机理研究，以及故障所引起的振动特性研究有着重要的作用。由此，一些学者在 20 世纪 70 年代便对车辆动力学数值建模展开了研究[1-2]。但简单模型的建立以及相关计算方式使得模型计算后的结果精确度较低，且在实际工程当中振动响应的波形传递并非简单的线性叠加，使得之前的模型计算结果与实际运行工况相差较大，不能较好的解决实际工程中的一些问题。翟婉明院士在 20 世纪 90 年代对车辆-轨道耦合动力学的数值建模方式进行了研究[3-9]。基于翟院士的相关研究，车辆-轨道耦合动力学模型被提出。在垂向车辆轨道耦合动力学方面，车辆系统中单节轨道车辆主要由三个刚体组成，即车体、转向架、以及车辆轮对，刚体之间依靠弹性及阻尼元件进行连接(一系悬挂及二系悬挂)，在此车辆系统中共 10 个自由度。翟院士以车辆-轨道垂向耦合动力学模型为基础，由原来的 10 个自由度的垂向振动模型进一步建立了车辆-轨道耦合空间模型(35 自由度)，在空间模型中增加了车辆的横向运动，使所建立的系统模型能够更加全面、准确的计算车辆运行的动力学响应特征。基于垂向耦合振动响应模型，翟婉明院士计算了不同工况下的车辆动力学响应[10]。对于车辆系统为多刚体系统，车辆含有的电机、齿轮箱，以及车轴变形等问题，徐宁等[11-17]建立了精细化车辆系统模型并研究了振动传递机理。由于精细化模型自由度较多，徐宁等在精细化模型建立的过程中将微分方程简化为分块矩阵进行计算，利用分块矩阵对方程进行推导解析求解，不但保证了方程的准确性还能够确保计算速度。在其研究中，为更好地反映其所需考虑的工况，对主要部件进行了弹性及精细化建模，如车轴车体等，经过解析计算，其利用弹性化等方法建模的模型与 ANSYS软件计算结果基本一致。此外，徐宁等人发现，在同一速度下，精细化模型与刚性模型在量值以及均方根值两个动态特性指标上差别不大。杨柳等[18-20]研究了车轮与车轮传动系统的复合故障及其诊断。在杨柳等人的研究中，利用有限元的方法，建立了轴承—齿轮—车轮耦合系统的动力学模型，分析了在车轮的车轮擦伤，车轮不圆故障以及齿轮故障，轴承故障下的单个故障激励以及复合故障激励下的模型的节点响应。
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第 2 章 城轨车辆及其传动系统动力学模型的建立
2.1 含传动系统的城轨车辆动力学模型描述
本文基于车辆-轨道耦合动力学模型并利用 MATLAB 进行数值建模。将车辆系统中车体，构架，轮对，电机，齿轮箱以及主从动齿轮均考虑为刚体，且车体与构架由二系悬挂进行连接，轮对与构架由一系悬挂进行连接，外部激励经过一系悬挂减振传递给构架，构架经过二系悬挂减振传递给车体。电机为轴悬式电机，电机转子端提供牵引动力与齿轮传动系统中小齿轮端相连，大齿轮一端直接与车轴相连。齿轮箱由与构架直接相连的 C 型架保持固定。车辆系统走行部如下图 2-1 所示。
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2.2 车辆模型的建立
2.2.1 轮轨相互作用力计算
图 2-2 所示为轮对与钢轨接触时产生作用力的示意图。在图 2-2 中， 为车轮在纵向上的作用力分量， 为车轮在纵向上的运行阻力接触力分量。
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第 3 章 车轮擦伤故障数值描述及车辆系统振动响应分析.......................26
3.1 车轮擦伤故障函数描述............................ 26
3.2 变速工况下车轮擦伤振动响应分析......................... 26
第 4 章 车轮不圆故障数值描述及车辆系统振动响应分析.......................40
4.1 车轮不圆故障函数描述............................. 40
4.2 变速工况下车轮不圆振动响应分析......................... 44
第 5 章 车轮不圆及擦伤故障统计特征及载荷谱影响分析.......................57
5.1 车轮不圆及擦伤故障统计特征分析................................ 57
5.2 车轮不圆及擦伤载荷谱影响分析.............................64
第 5 章 车轮不圆及擦伤故障统计特征及载荷谱影响分析
5.1 车轮不圆及擦伤故障统计特征分析
Wang[93]用动态统计指标描述了变速状态下齿轮故障在整个寿命周期内的振动信号。在前人研究的基础上，可以利用统计指标来捕捉恒速和变速工况下的响应特征。然而，统计指标很少被用来在恒定或变速条件下评估状态的车轮擦伤故障。因此，在本研究中，车轮擦伤故障使用统计指标来评估的动态特征。表 5-1 为时域、频域统计指标的计算公式及相应代表符号。
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结论
主要结论
本文将根据车辆轨道耦合动力学模型建立含车轮不圆及擦伤故障的车辆动力学模型，并加入传动系统以及齿轮系统。讨论在变速工况下，上述车轮故障对车辆动力学模型的各部件的时频域影响，将用统计学指标对振动特征进行规律性分析，并利用载荷谱对其进行分析。对于模型建立以及对计算结果分析，本文所得主要结论如下：
1、齿轮箱对于轨道不平顺垂向振动响应的幅值与轮对垂向振动响应幅值较为接近，受到的激励作用大于电机。此外，车辆运行在低速时，齿轮系统的扭转振动受齿轮内部激励影响较大，当速度较高时，齿轮扭振加速度受到轨道不平顺激励影响较大，且由于齿轮系统的内外激励同时作用。
2、在惰行条件下，由于基本阻力的作用，振幅呈平稳而微弱的下降趋势。在牵引工况下，振幅变化较大，车轮擦伤故障冲击频率的变化明显增大。与恒转矩区相比，恒功率区故障频率的快速变化是由于牵引力的作用，使车辆的速度提高得更快。
3、车轮擦伤长度与牵引力呈正相关。通过上述分析，可以从车速和故障长度两个方面确定对振幅的贡献。长度对冲击幅值的影响大于速度对冲击幅值的影响，因此在变速工况下长度对冲击幅值的影响更大。
4、车轮不圆故障在阶数较低时，故障特征不明显。仅对含有车轮不圆故障的时域信号进行短时傅里叶变换并不能够获取其时频故障特征，需要进行进一步处理，经过分析计算发现，谱图重构适用于脉冲型激励的故障特征提取，车轮不圆则可以利用变分模态分解进行处理。
参考文献（略）
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