高速轮轨磨耗问题及其小蠕滑解决方案

在遵循相关技术规律的前提条件下,高速铁路轮轨关系技术管理应当明确小蠕滑解决方案及其技术优势,利用动态设计方法 DDM,解决RSS转向架及其轮对自稳定问题和RFS转向架不稳定蛇行振荡及其校正两个主要技术问题,且形成经济型或安全型设计及其创新技术特点.线路跟踪测试与动态仿真分析均表明:车轮自旋蠕滑奇异性是造成轮轨滚动接触不连续或不均匀磨耗的主要成因之一,其与专车专线、客运专线以及客货混用等铁路运营方式无关.根据单/双循环工作原理,抗蛇行并联配置的动态特性具有超前滞后校正的相似性.利用这一相似性,制订了转向架参数优配技改方案.如ICE3技改设计在合理的轮配条件下极限速度提升至480 km/h,快铁与高铁运用实现了对钢轨磨耗的互补性.     

高铁运用安全的三大技术局限性

从当前高铁运用问题来看,高速转向架存在三大非线性,即拖车构架点头迟滞非线性、抗蛇行动态刚度非线性和非线性稳定性.在充分认识上述三大非线性的基础上,应用抗蛇行频带吸能新理论,提出了最佳安全稳定裕度调控技术对策,以进一步协调高铁运用安全性与经济性之间的矛盾.在“重返”350 km/h高铁运营的技术准备中,应当对如下三大技术局限性给予充分重视,即商业运营速度、振动疲劳和曲线横风,特别是曲线横风应当作为一项当前十分急迫的计算流体动力学CFD科研任务.     

转向架悬挂非线性及其对车体刚柔耦合振动影响研究

以全侧开快运棚车作为研究对象,既有铁路三大干线提速160 km/h刚柔耦合仿真分析表明:无摇枕转向架会造成轻量化车体产生非线性振动,如中柱根部局部高应力及循环载荷幅值约80/79 MPa.若改用有摇枕转向架,尽管心盘旁承接口化解或缓解了对车体的侧滚或扭曲载荷,中柱根部应力明显降低,约48/47 MPa.但是摇枕复杂约束力系的动态不稳定问题亦会造成十分严重的轮轨磨耗影响.假若以日系空簧悬挂取代二系橡胶堆,K_2?K_1,以抗蛇行参数优配来形成频带吸能机制,则可以跨越新建有砟铁路提速至250 km/h,以长交路跨线运营模式来扩大中长途运输收益.     

高速车辆横向振动耦合机制形成的主要因素

与快铁运用模式不同,高铁运用模式更加强调安全冗余.因而降低蛇行振荡参振质量应当作为高速转向架设计的基本原则.横向振动耦合机制是高铁车辆振动行为的基本规律,其形成具有以下2个主要因素:即轮对(强)迫导向定位形式和抗蛇行高频阻抗作用,两者导致车体摇头大阻尼特征,造成车体对后位转向架接口的横向高频扰动增强,进而构成了横向振动传递媒介.同时这2个因素也是参振质量降低的必要技术条件.降低纵向定位刚度或最小等效锥度,将违背高速转向架的降低参振质量基本原则.因而在350 km/h标准动车组及其技改中,必须实施抗蛇行宽频带吸能机制原始技术创新.     

基于抗蛇行减振器失效工况的高速转向架稳定性分析

对于CRH3动车组转向架来讲,车轮踏面选用S1002CN,轮轨接触锥度趋高,因而采用了抗蛇行减振器冗余设计(每架4个).针对后位转向架的一个抗蛇行减振器失效工况.线性稳定性分析表明:由于电机弹性架悬,动车转向架将以后位电机吊架横向振动形式失稳,而拖车转向架则以后位转向架的快速蛇行振荡形式失稳.非线性临界状态和动态行为评...     

铁道车辆柔性转向架蛇行频率分析方法

推导了与轮对纵向、横向移动速度和摇头速度相关的三个一阶微分方程,并将其作为轮对蛇行运动的激励,代入考虑转向架纵向、横向和摇头运动的柔性转向架二阶微分方程中.使用该模型计算三种动车组在轮对初始横移量3 mm下的构架和轮对蛇行频率及在构架1～8 mm横移量下的构架蛇行频率,计算结果表明:CRH2和CRH5型车的蛇行频率较为接近且低于CRH3型车的蛇行频率.使用推导的动力学微分方程对国内某型时速350 km动车组进行仿真计算,结果表明:当运行速度为350 km/h,轮对初始横移量为3 mm,等效锥度为0.14时的构架蛇行频率为3.0 Hz,说明该型动车组实测构架端部加速度出现的2.9 Hz振动频率为构架蛇行频率.研究结果表明:该二阶微分方程能够反映车辆在实际车轮踏面锥度的下蛇行运动规律.     

轮对自稳定性及提速轨道车辆MBS仿真研究

提速轨道车辆需要开展轮轨关系改进与提速转向架动态设计MBS协同仿真研究,正确处理(非)线性的辩证关系,努力维系轮对自稳定理想状态。CRH5转向架仅凭XP55踏面就实现了轨底坡由1∶20到1∶40的轨道参数转变,因而安全稳定裕度不充裕是其引进转化所遗留的1个固有技术问题。但是改用XP55踏面也带来了诸多技术效果,如低磨耗区域拓宽至16 mm并使磨耗轮轨局部密贴型接触的发生概率降低。在经常性的横风扰动下,轮轨匹配及动态仿真分析表明:钢轨轨头打磨修型至60N处理削弱了因上述轮轨关系改进设计所带来的技术效果,进而成为了防风沙动车组CRH5G产生磨耗振动的直接原因。为了增强抵御极端气候影响的稳定鲁棒性能,制订了抗蛇行参数优配方案,明确了CRH5的技改方向。     

3E轴构架转向架的通用动力学要求

为了更好地实现铁路货运的重载快捷发展目标,以双层集装箱车辆作为应用研究对象,利用刚柔耦合仿真分析手段进行了3E轴构架转向架100~135 km/h动力学性能分析.6轴双层集装箱车辆刚柔耦合分析表明：空载承载鞍滑动现象和重载中轴轮对稳定性将是其高速运营的主要性能问题.因而,确保空载轮对定位刚度、确保重载中轴轮对轮轨关系稳定和降低车体结构耦合振动响应水平应作为3轴构架转向架的通用动力学要求.为此,提出了如下三项技术对策：①1、3轴承载鞍应以45°倒面作为承载摩擦面,满足摩擦系数μe≥0.42,而中轴小承载鞍则以磨耗板进行减磨处理μ〈0.2;②以中轴轮对车轮轮缘减薄9 mm的LM修正踏面优化来提高轮轨匹配的等效锥度控制中轴轮对横移,进而降低转向架蛇行运动程度;③中轴轴箱增设斜楔摩擦减振以降低落下孔车体中部结构振动耦合响应.与原设计对比,该技术对策可以使车辆动态性能得到改善.     

3E轴构架转向架的通用动力学要求

为了更好地实现铁路货运的重载快捷发展目标,以双层集装箱车辆作为应用研究对象,利用刚柔耦合仿真分析手段进行了3E轴构架转向架100~135 km/h动力学性能分析.6轴双层集装箱车辆刚柔耦合分析表明:空载承载鞍滑动现象和重载中轴轮对稳定性将是其高速运营的主要性能问题.因而,确保空载轮对定位刚度、确保重载中轴轮对轮轨关系稳定和降低车体结构耦合振动响应水平应作为3轴构架转向架的通用动力学要求.为此,提出了如下三项技术对策:①1、3轴承载鞍应以45°倒面作为承载摩擦面,满足摩擦系数μe≥0.42,而中轴小承载鞍则以磨耗板进行减磨处理μ0.2;②以中轴轮对车轮轮缘减薄9 mm的LM修正踏面优化来提高轮轨匹配的等效锥度控制中轴轮对横移,进而降低转向架蛇行运动程度;③中轴轴箱增设斜楔摩擦减振以降低落下孔车体中部结构振动耦合响应.与原设计对比,该技术对策可以使车辆动态性能得到改善.     

机械产品模糊可重构设计原理与方法

为了解决可重构设计理论和方法存在的局限性问题,实现快速设计新产品,在分析设计需求的模糊性、设计域关系的模糊性和设计过程的模糊性基础上,将模糊集理论引入可重构设计中,提出了机械产品模糊可重构设计原理与方法.以350 km/h高速列车转向架总体设计为例,运用质量屋工具构建转向架模糊矩阵,求解出目标参数及其重要度,给出了转向架主要性能参数的隶属度函数,并采用距离贴近度模糊相似度识别.研究结果表明: 300 km/h高速列车转向架的距离贴近度为0.91,与设计目标最相似,进一步通过参数竞争性分析确定出修改设计方向,快速实现了转向架的资源重用和设计创新.      

高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较

研究了现有文献关于高速列车动力学方面的论述,就高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较展开讨论。得到的主要结论是：地面高速轨道交通应以300km／h左右的轮轨高速铁路为主体;在需要400～600km／h超高速的特定条件下,也可以采用磁浮高速列车,作为一种补充。因此,一方面要积极修建上海浦东机场高速磁浮试验线,一方面要尽早启动京沪轮轨高速铁路的建设。     

高速客车垂向悬挂稳定控制双振子模型机理研究

以Adams与Matlab作为协同仿真平台，基于双振子模型LQG控制器设计，建立了稳定控制方案和技术路线．仿真结果表明：垂向悬挂具有与双振子类似的隔振效果．尽管有横向和纵向相关运动模态的非线性影响，转向架仍可以实行有源／无源控制．仿真研究可以证实，无源控制转向架的系统机制是通过阻尼控制强制(垂向)主导运动模态处于稳定状态．     

低磨耗高速客车转向架动力学性能

为了解决高速客车轮轨磨耗严重的问题 ,根据自导向径向转向架的基本原理 ,在现有的几种自导向转向架结构的基础上 ,提出了低磨耗高速客车转向架的基本方案 ,建立了计算机动力学仿真模型 ,利用 Simpack仿真软件对其动力学性能进行分析和计算 ,并与常规转向架进行了比较。理论分析和计算结果表明 ,采用径向转向架可有效改善高速客车的曲线通过性能和轮轨磨耗状况     

400 km·h-1变轨距动车组转向架关键技术综述

针对国内400 km·h-1变轨距动车组转向架的研发和设计问题,在借鉴国外成熟变轨距转向架技术的基础上,重点研究了国内高速变轨距动车组转向架的5个关键问题,即牵引电机布置方式、轮对驱动方式、轴箱轴承、变轨机构、基础制动及撒砂装置,对研究中发现的问题提出了相应的解决措施。研究结果表明:电机架悬和体悬都可以给制动盘的安装让出空间,但是电机与所驱动的车轴之间都会产生相对位移,需要采取运动补偿措施;为了满足400 km·h-1变轨距动车组车轴尺寸和转速要求,需研发新型轴箱轴承;变轨机构的存在会使转向架簧下质量增大,所以研制的变轨距转向架应尽量采用轻量化设计;考虑到制动效率和夹钳随动问题对变轨距转向架制动效果的影响,基础制动应优先采用轴盘制动,其次为轮盘制动;动车组转向架尽量不采用撒砂装置,若非用不可,考虑在砂箱和喷砂嘴之间采用软管连接,以适应变轨距时的运动补偿;在对变轨距转向架进行研发的同时,应注意地面变轨设施的广泛使用,使之达到简统化、标准化的要求;变轨距转向架的研制必须考虑不同轨距铁路的限界要求,轨距相差越大,对限界要求也就越高。所研发的动车组整车于西南交通大学滚振试验台上,在施加中国客运专线线路谱激扰的情况下,最高运行速度达到了602 km·h-1,并于2020年10月21日成功下线。      

桥上列车高速运行引起的地面振动试验研究

为了研究高速铁路高架段车致地面振动的传播和衰减规律,以津秦客专线32m简支梁桥区段为工程背景,实测高速列车以速度250~385km/h通过时的三向地面振动响应,并对实测数据进行时域和频域分析。研究结果表明:近场测点的加速度时程呈现出明显的列车周期性加载现象,轴距及前后车相邻转向架间距的激励频率起主要作用;地面各测点在顺桥向、横桥向和垂向3个方向上的振动优势频率范围为25~80Hz;随着距离的增加,垂向地面振动在优势频段显著衰减,而顺桥向和横桥向地面振动在1~80Hz频段内均明显衰减;各测点在各测试车速下,垂向地面振动比顺桥向和横桥向大,而同一测点在顺桥向和横桥向的地面振动加速度级最多相差2dB;顺桥向和横桥向地面振动在距振源约30m处出现放大现象;车速为250~320km/h时,近场总体振动加速度级随车速增加而增大约6dB,但车速为330~385km/h时的各测点总体振动加速度级相差不超过2dB。      

铁路高速货车及其相关技术研究

提高货车运行速度是全面增加铁路运输的运能和效率的有效方式，高速货车的关键技术是转向架和制动系统，介绍了国外高速货车转向架及制动系统的发展过程，基本结构和中国货车的基本现状，提出了研制和开发中国高速货车的基本模式，指出发展中国高速货车转向架和制动系统应突破现有货车的基本框架，借鉴国外货车转向架及制动系统技术，发展具有中国特色的高速货车。     

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简要分析了影响城市铁路最高设计速度的主要因素，研究了提高设计速度的利弊。以实际线路为背景，运用铁道部重点实验室开放实验平台TraMCES，从旅行速度、能耗、时间节约等角度模拟计算了80km／h、100km／h以及120km／h等设计速度下城市铁路系统的各项运营指标。通过对一条平均站间距为2.64km、全长37km的线路的案例分析，结果表明：与80km／h最大设计速度相比，100km／h的最大设计速度可以压缩旅行时间12.1%，但能耗将增加22.7%.     

基于CTCS3级的高速铁路通过能力分析

针对GSM-R（GSM for railway）通信中断给高速铁路运输组织带来的问题,分3种影响模式,利用扣除系数法及直接计算法来分析列车通过能力,得出GSM-R通信中断对列车运行速度和运输组织造成一定的影响,GSM-R通信中断的时间（一定时间）测算列车通过能力的明显下降区域及下限值,说明高速铁路运输组织往往不是按照最佳运输方案进行的结论.