针对铁路货运提速和快铁/高铁车辆研发需求,有必要紧扣轮轨接触和转向架悬挂2个非线性所形成的主要矛盾,构建面向转向架动态设计与整备车辆刚柔耦合仿真的新型软件分析综合技术平台,且要形成设计理论方法和软件分析关键技术的突破。为了克服(准)静态设计的局限性与片面性,特确立提速转向架动态设计方法DDM及其软件平台技术支撑作为论文研究主题,进而明确了合理科学提升极限速度与构造速度2个主要研究问题。第1章首先针对铁路货运提速,讨论快捷货车转向架具体案例及其减磨降耗技术难点;然后再结合快铁/高铁运维及其相关技术问题,深刻阐述轨道车辆具有轮轨接触与转向架悬挂2大非线性影响,两者相互关联,且形成了强非线性系统;最后根据威金斯的磨耗轮轨稳定分析观点,充分阐述Kalker的轮轨接触(非)线性理论及其技术内涵。具体地,只有在轨道窗口内实际轮轨接触趋于(近)线性关系,轮轨表面磨耗功才仅有纵向与横向2个主要成份,车轮形成正常踏面磨耗。否则,若偏离了(近)线性关系,如局部密贴型接触造成小幅蛇行振荡现象,则需要考虑车轮自旋蠕滑奇异性以及自旋力偶及其对轮轨磨耗的波动影响。根据拉格朗日力学及3大基本方程,第2章理论联系实际,凝练了如下需要解决的2个科学问题:①在轨道窗口内把握轮轨接触的(近)线性与非线性辩证关系,正确处理车体与转向架2个不稳定问题,努力维系车轮正常踏面磨耗;②在拓宽的速度窗口内逐步形成对转向架悬挂非线性的正确认知,尽可能避免在轻量化车体与走行部之间形成相关激励。为此特构建了新型软件分析综合技术平台,且形成如下2项突破:①根轨迹图引领转向架参数配置系统设计,如整车稳定性态分析方法,正确指导高速转向架安全型设计;②利用整备车辆刚柔耦合仿真技术,以复杂约束及内力精准分析,正确研判局部高应力及其对结构疲劳损伤影响程度。结合典型案例研究,半车或整车稳定性态分析表明:轮对自稳定性和回转阻力矩有效性是造成高速轮轨磨耗的2大技术问题。特别是ICE3系列转向架原型设计存在1次蛇行现象及其对轮轨磨耗的负面影响。尽管如此,ETR系列转向架及其改进设计应当作为综合性能型设计的1个典型案例。考虑到转向架悬挂的力学特性及其非线性演变,提出柔性体广义接口及5大层次技术关系处理对策,并给出了整备铝合金车体及其横向耦合振动的具体案例分析。为了充分论证并验证新型软件分析综合技术平台的可行性与正确性,第3-7章分别给出如下5大工程案例的应用研究成果,其仿真模型已得到了型式试验、线路跟踪测试或台架动态试验的充分考证:(1)基于抗蛇行并联配置的ICE3改进设计。融合日本新干线与欧洲铁路的技术特点,形成了抗蛇行宽频带吸能的新理论,正确指导高速转向架安全型设计。具体地,基于单/双循环工作原理的抗蛇行并联配置,台架动态试验对比分析表明:其动态特性具有超前滞后校正的相似性。利用这一相似性,制订ICE3改进配置方案,包括抗蛇行参数配置和部分转向架参数优化设计。基于非线性动态仿真分析的安全性与综合性能评估表明.:①ICE3改进设计彻底消除了 1次蛇行现象,λN-0.l0,Vlim≈480km/h;②克服了原型设计缺陷,尽可能消除或减轻对轮配条件制约性、钢轨磨耗敏感性以及横向振动耦合机制3大负面影响;③改善并增强了对轨道线路及其服役技术条件的适应性、友好性以及稳定鲁棒性。(2)基于轮轨弓网双耦合的高速受电弓横向减振研究。轮轨磨耗与弓网磨损两者并无相关性。但是若车轮形成有害踏面磨耗,其轮轨接触动力作用则会成为轮轨弓网双耦合形成的主要关联因素之一,并造成高速受电弓高周疲劳问题。考虑到高周疲劳影响因素,典型案例的相关分析充分考证了轮轨弓网双耦合仿真模型的正确性,并提出了高速受电弓轻量化设计的基本原则,即低阶模态频率≥12Hz。结合400 KMH高铁车辆研发需求,通过原始设计及其改进设计5种方案分析对比,形成了新一代高速受电弓结构设计,其是1项系统集成技术创新成果,即高周疲劳转变为静强问题。(3)160KMH快运棚车刚柔耦合振动仿真与试验对比研究。以某快捷货车转向架作为技术原型,改用转臂轴箱定位形式,经专家论证,确立了 160KMH快运棚车研制方案,其满足空车最小轴重≥(7-8)t技术条件。根据转向架2级悬挂特殊性,即K2>>K1,需要以简易空簧取代空载橡胶堆,尽可能避免转向架与长约24 m的地板底架之间产生垂向相关激励。相应地,顶棚也应当改进其片梁断层结构设计,以端墙撑柱来增大内部张力,适当提高其振动基频。与Y37的情况类似,在摇枕弹性支承下亦存在旁承摩擦不稳定问题。若仍然坚持如下轮配条件,即λeN=0.10,λeMAX=0.35,则需要增设抗蛇行减振器。根据高速轮轨磨耗问题及其小蠕滑解决方案,快捷铁路货运应当积极分享高铁运用的技术成果,λeN=(0.03-0.06),最大推荐值0.15或稍高一些,无抗蛇行减振器配置。(4)驮背运输2车组系统内力及技术可靠性研究。以动态仿真取代手工计算,滚装作业系统内力分析表明:固定与滚动滑台及其3点支承构成了1个典型超静定问题。考虑到站台高度误差,约±5 mm,若人工操作失误,滚动滑台倾斜,摆出限位止挡的冲击作用则会迫使两侧提升油缸立柱的结构不稳定转变为振动疲劳问题,如立柱上部外侧筋板圆弧内形成局部高应力,其最大值可达约320 MPa。因而尚需要液压专业的协同创新努力,实现“一键式”操作,尽可能避免人工操作失误。(5)货车转向架悬挂非线性影响及技术对策。利用刚柔耦合仿真技术,集装箱平车和驮背运输车组2大典型工程案例分析表明:在轻量化车体与走行部之间,重载卡滞是相关激励形成的1项主要因素。在重载卡滞的影响下,如中部横向支撑架斜撑杆局部结构失稳和中部侧墙横向结构不稳定,两者均会转变为振动开裂或振动疲劳问题。为了合理挖掘轻量化车体设计的技术潜能,需要制订解决重载卡滞问题的技术方案,利用复合斜楔新技术,参考典型配置形式,适当增大斜楔尖角,消除或减轻摇枕悬挂及干摩擦强非线性影响。