铁道车辆是一个强非线性系统,主要来源于轮轨接触关系和悬挂元件的非线性环节,可以根据动力学性能要求优化悬挂参数,以满足良好的减振功能,降低轮轨作用力。其中,作为耗散振动能量的阻尼装置,与列车运行性能如运动稳定性等息息相关。本文首先研究悬挂阻尼变化对车辆蛇行稳定性影响,尤其对不同模态对应的车体一次蛇行运动进行探讨,并分析了轮轨接触几何关系、抗蛇行减振器非线性参数变化对系统Hopf分岔特性影响。同时,由于车轮过度磨耗等原因造成车辆非线性临界速度急剧降低,即使在正常运行速度下也可能会发生轮缘-钢轨碰撞,因此,进一步研究了由此产生的复杂动力学问题。本文研究工作主要从以下几个方面展开:(1)综述了国内外在车辆系统横向运动稳定性、分岔以及混沌与非对称性等方面的理论研究成果,以及在工程应用的重要价值。在此基础上,阐述本论文主要的研究工作。(2)通过长期跟踪国内高铁运营线路上主流车型动力学性能试验,以及采用整车滚振台试验,阐释车辆系统出现的蛇行运动稳定性及动力学现象,对比了悬挂参数变化及一个完整运营周期不同踏面磨耗状态下蛇行运动稳定性的差异。(3)将一系大定位刚度的转向架近似等效成刚性转向架,在建立的七自由度车辆横向运动模型基础上,计算了不同速度、悬挂参数下的车辆蛇行运动各阶模态,研究了不同减振器阻尼参数对车体滚摆、摇头运动模态稳定性影响。研究结果表明:在横向阻尼较小时,车体下心滚摆随着垂向阻尼逐渐增大由不稳定到稳定状态,再到不稳定状态,同时需要较大的纵向阻尼才能保持车体摇头稳定;垂向阻尼较小时,横向阻尼由小增大过程中,车体上心摆从不稳定到稳定,再转变为不稳定状态;纵向阻尼较小时,横向阻尼增大有助于提高车体摇头稳定性。(4)在采用Lienard-Chipart稳定性准则计算转向架线性临界速度的基础上,运用中心流型方法对系统降维,并通过范式理论推导出系统Hopf分岔解析判别式,考虑了车轮滚动半径和接触角等因素影响。研究结果表明:具有高锥度踏面转向架的线性临界速度略低于低锥度踏面;如果车轮滚动半径二、三阶系数增加或接触角三阶系数减小,转向架系统就会由亚临界Hopf分岔向超临界Hopf分岔转变。(5)综合分析了抗蛇行减振器阻尼及其串联刚度对转向架分岔类型的影响。在计算线性临界速度基础上,采用中心流形定理将模型降到平面系统,并用范式理论求出分岔类型的符号表达式。研究结果表明抗蛇行减振器一阶阻尼、刚度系数的合理匹配可以提高系统的临界速度;通过调整串联刚度一阶系数可以使系统线性临界速度达到峰值,从而得到系统截然不同的Hopf分岔特性;从Hopf分岔角度来看,抗蛇行减振器阻尼三阶系数的变化对高锥度踏面转向架系统的影响较大,且在一阶阻尼系数不变时,随着三阶阻尼系数减小,高锥度踏面转向架系统要先进入亚临界Hopf分岔区域。(6)研究了不同踏面锥度对车辆临界速度的影响,并对比前、后转向架和轮对的横移量差异。然后依据车体左、右端横向位移最大值,研究了车辆系统非对称运动现象,并通过采用庞家莱映射和李雅普诺夫指数对产生的动力学现象进行阐释。结果表明,车辆系统线性、非线性临界速度皆随车轮踏面锥度的增大而减小;与轮对相比,构架横向振幅易受踏面锥度的影响。此外,当轮对、钢轨碰撞发生时会引起车辆蛇行运动出现多周期分岔与混沌行为。尤其在不对称运动方面,当踏面锥度增加到一定值时,随着速度减小时发现车辆在小速度范围内出现偏向一侧运动的现象,这种特殊的不对称运动现象随着踏面锥度的继续增长又会消失。