本论文就铁路机车车辆滚动振动试验台进行专题研究，并在以下几个方面进行了系统研究：系统论述了滚动振动相结合的必要性，研制了世界上第二台滚动振动试验台；首次推导出三维轮／轮接触几何关系，并分析了与轮／轨接触关系的区别；机车车辆试验台试验系统的运行方程的建立和试验运行仿真；解决机车车辆非线性系统运动的稳定性求解方法和试验方法，系统分析机车车辆试验台稳定性试验与线路运行的差别，以及试验台误差对机车车辆稳定性试验结果的影响；反演得到轨道谱，研究了机车车辆试验台平稳性试验方法及其误差；研究了小比例模型试验的相似关系，指出1：1试验台试验的必要性。

本论文就铁路机车车辆滚动振动试验台进行专题研究，并在以下几个方面进行了系统研究：

(1)系统论述了滚动振动相结合的必要性，研制了世界上第二台滚动振动试验台。

滚动振动试验台试验作为机车车辆动力学性能试验研究的有效手段，在世界铁路机车车辆的发展中发挥了重要作用。本论文简述了世界各国有关机车车辆动力学试验台的发展情况，对已有滚动、振动试验台进行了系统介绍和对比。提出采用静态轨道谱作为滚动振动试验台的轨道模拟激振输入，并探讨其科学性和合理性；论述了滚动和振动相结合是机车车辆性能预测的最佳途径。在此基础上，研制了我国第一台、世界第二台机车车辆整车滚动振动试验台。论文研究了试验台的方案形式和关键技术，介绍了试验台的结构、系统组成、主要参数、功能情况。通过实验，验证了该试验台能满足机车车辆运行动态模拟的速度、振动和精度的要求。论文还介绍了试验台自1995年启用以来，所完成的新型机车车辆大型试验的情况，以此说明由于有科学、合理的设计技术路线，试验台研制的成功，在我国高速、重载机车车辆的研制过程中发挥了重要作用。

(2)首次推导出三维轮／轮接触几何关系，并分析了与轮／轨接触关系的区别。

轮轨接触几何的计算是机车车辆动力学研究的基础。针对滚动(振动)试验台以有限半径的滚轮代替平直钢轨造成的试验台的轮／轮接触有别于轮／轨接触。本论文采用“迹线”法首次对三维空间轮／轮接触关系进行了推导计算，编制了相应软件，进行了相应的计算。计算了我国TB型锥形车轮踏面和LM磨耗型车轮踏面与60 kg钢轨型面的接触几何状况，比较了两种不同型面配合时的等效锥度、等效接触角，以及接触超前滞后角等接触几何参数。并与线路的轮／轨接触工况进行比较，给出了两种接触工况的接触几何参数的区别，以及这些主要区别对动力学性能的影响。

(3)机车车辆试验台试验系统的运行方程的建立和试验运行仿真。

机车车辆系统动力学的研究尽管比较成熟，但机车车辆——滚动振动试验台系统的动力学数学模型有它的特殊性。本论文从轮轮接触几何关系的创建，轮轨相对运动蠕滑率、轮轨蠕滑力计算公式的推导，轮对运动方程到整车运动方程的推导，首次建立了机车车辆一一滚动振动试验台系统的动力学数学模型，并编制了机车车辆试验台试验的动态计算机仿真软件。为针对机车车辆试验台试验有关问题的研究创造了条件。

(4)解决机车车辆非线性系统运动的稳定性求解方法和试验方法，系统分析机车车辆试验台稳定性试验与线路运行的差别，以及试验台误差对机车车辆稳定性试验结果的影响。

滚动振动试验台的一个主要功能就是进行机车车辆运动稳定性试验，这也是纯滚动试验台所具有的唯一功能。由于试验台的轮／轮接触有别于线路的轮／轨接触，这一差别导致了试验台的试验结果有别于线路试验，特别是蛇行失稳试验(即运动稳定性试验)。另外，由于机车车辆系统，包括轮轨关系，实际上是非线性的，而机车车辆非线性蛇行失稳临界速度有别于线性系统，它与线路的激扰有关。为此，本文重点对机车车辆非线性系统运动稳定性问题进行研究，提出作用Poincare点映射方法，通过判断其不动点的稳定性来求得机车车辆非线性系统运动的极限环及其稳定性。同时利用滚动振动试验台，提出了一套机车车辆非线性稳定性试验方法，并得到车辆实车的非线性稳定性Hopf分又点和极限环曲线，通过试验验证线性失稳临界速度和非线性失稳临界速度的区别。

利用机车车辆非线性稳定性求解方法编制了计算软件；结合准高速、高速客车以及货车动力学性能试验，对计算软件进行了验证。在此基础上，进行有关机车车辆蛇行失稳试验台试验与线路试验之间的误差分析。分析表明，在试验台上试验所得到的蛇行失稳临界速度低于线路状态下的实际值，而且具体的误差值与机车车辆本身的结构有关，特别是与一系列悬挂参数有关。这一研究结果对机车车辆试验台试验结果的分析和修正提供了理论依据。

本论文利用稳定性极限环幅值一速度关系图，对八种试验台可能存在的状态误差导致机车车辆试验台稳定性试验误差进行了详细分析，这些分析的结果对认识试验的特性和如何正确使用好滚动(振动)试验台有着重要的指导意义。利用这些分析结果对指导试验、调整试验台有着重要的参考价值，在机车车辆试验台试验运行中得到广泛应用。

(5)反演得到轨道谱，研究了机车车辆试验台平稳性试验方法及其误差。

滚动振动试验台最大的优点是模拟轨道不平顺，利用滚动振动试验台就可以进行机车车辆运行平稳性试验，这是一般纯滚动试验台所不具备的。但由于此前我国还没有轨道谱，无法进行平稳性试验。为此本论文利用随机波形再现技术，提出利用滚动振动试验台进行轨道不平顺谱的反演，并就轨道不平顺的反演技术进行了研究，提出了具体的轨道谱反演试验方法。通过试验得到了我国第一条轨道谱，为机车车辆试验台平稳性试验提供了必要条件，解决了我国没有标准轨道谱的难题。

论文结合高速客车的平稳性试验，就机车车辆试验台平稳性试验的可行性以及机车车辆试验台试验和线路平稳性试验的误差进行了分析。理论分析表明，在试验台上所进行的车辆平稳性试验，其平稳性指标较线路运行略高。这一研究结果同样对机车车辆试验台模拟运行试验结果的修正，具有重要理论依据和参考价值。

由于试验台有弹性，本论文对试验台其频率响应特性进行了实际测试，找出试验台的自振频率和最不利运行速度，以指导试验的开展。论文就试验台弹性对平稳性试验的影响，在理论上进行了计算分析。首次提出通过修正激振信号来减少试验台弹性对试验结果的影响，以提高机车车辆平稳性试验结果的正确性。

(6)研究了小比例模型试验的相似关系，指出1：1试验台试验的必要性。

由于小比例试验台造价低，国内外建成较多。结合曼彻斯特城市大学的1：5滚动试验台，进行相似关系的研究，发现轮轨接触的固有特性使相似比例无法满足动力学相似试验的需要。这样小比例试验结果与1：1线路运行结果就有较大差距，从而说明小比例试验台很难在具体的机车车辆研究中发挥作用的原因。进一步提出在建立机车车辆运行动态模拟时，建立1：1全尺寸滚动振动试验台的必要性。

1 绪论

1．1 机车车辆发展与试验

1．2 机车车辆整车试验台的发展

1．3 本论文的主要工作

2 机车车辆运行动态模拟方法论证及滚动振动试验台的研制

2．1 在我国建立机车车辆动态模拟试验台的必要性

2．2 机车车辆试验台的模式

2．3 机车车辆动态运行模拟的最佳方案

2．4 我国滚动振动试验台的研制

2．5 滚动振动试验台动力特性的验证

2．6 滚动振动试验台的应用情况

3 轮／轮接触关系的研究

3．1 轮／轨接触关系研究的现状

3．2 轮／轮接触几何关系

3．3 轮／轮接触几何关系的计算

3．4 轮／轮、轮／轨接触工况的接触几何关系比较

3．5 轮／轮接触，接触斑蠕滑系数计算

3．6 接触点区轮轮(轨)曲面间距计算

4 车辆——试验台系统轮对运动

4．1 轮／轮接触蠕滑率计算

4．2 轮对方程

5 车辆系统非线性运动稳定性研究

5．1 车辆非线性系统周期运动稳定性

5．2 车辆动力学模型

5．3 车辆非线性系统的运动稳定性问题及计算结果

5．4 车辆运动稳定性试验台试验方法

5．5 车辆运动稳定性试验台试验实例

5．6 总结

6 机车车辆滚动振动试验台稳定性试验与仿真计算比较

6．1 25吨轴重货车试验

6．2 仿真计算

6．3 200km／h高速客车稳定性试验和计算结果比较

7 车辆滚动振动试验台稳定性试验结果误差分析

7．1 试验台试验对车辆稳定性的影响

7．2 准高速客车试验结果误差分析

7．3 车辆参数对试验台试验结果的影响

7．4 试验台状态对试验结果的影响

8 车辆滚动振动试验台平稳性试验研究

8．1 轨道不平顺谱的反演获得

8．2 平稳性试验的误差分析

8．3 滚动振动试验台弹性对车辆垂向振动的影响分析

8．4 运行平稳性试验实例

9 1：5比例车辆模型滚动试验台试验不足分析

9．1 相似试验

9．2 1：5比例车辆滚动试验台的试验系统介绍

9．3 相似比例分析

9．4 1：5模型试验响应误差及相似比分析

9．5 1：5试验台蛇行试验

10 结论

致谢

参考文献