轮轨非线性几何接触对铁道车辆稳定性影响的研究

与一般的机械系统相比,铁道车辆系统有着特殊的轮轨接触关系。尽管在理论上轮轨接触的几何关系是确定的,但是它具有很强的非线性特征,在高速运行条件下对铁道车辆运行稳定性有很大的影响。分析了轮轨滚动接触的几何线性和非线性参数表达,并通过车辆临界速度分叉图讨论了它们对车辆运行稳定性的影响。分析结果显示:随着车轮踏面名义等效锥度的减小,会使车辆线性临界速度和非线性临界速度增大;而在名义等效锥度大致相同时,轮轨接触的几何非线性参数的变化对车辆的动力学响应有比较大的影响,随着它的减小,速度分叉图中轮对横移幅值小的临界速度明显减小。从现场实测数据分析也能得到相似的结果。     

地铁车辆轮轨型面匹配及其对接触应力的影响

为了改善地铁车轮出现的异常磨耗问题,对上海地铁3号线车辆车轮踏面DIN5573出现的磨耗进行测试,获得2种磨耗车轮踏面。在SIMPACK软件中建立了地铁车辆动力学仿真模型,计算得到未磨耗、凹形磨耗、沟槽状磨耗3种车轮踏面与TB60,60N钢轨型面匹配时轮对横移量,将其输入到用ABAQUS软件建立的轮轨三维弹塑性有限元模型,分析不同轮轨型面匹配对接触应力的影响。结果表明:3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨接触点均匀分布在轨顶和车轮踏面中部,等效锥度基本稳定;在半径350 m的曲线上,与TB60钢轨型面匹配相比,3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨最大接触应力最多减小384.9 MPa,钢轨、车轮最大Mises应力最大减幅分别为40%,35%。城市轨道交通小半径曲线地段较多,采用60N钢轨型面可以明显降低曲线外股的接触应力,减少轮缘磨耗和钢轨侧磨,从而降低钢轨疲劳伤损。     

我国典型高速铁路轮轨型面变化规律及匹配特性

为系统掌握我国高速铁路轮轨型面变化及匹配特性,在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条典型高速铁路上,选择172个钢轨型面测点和6列动车组的384个车轮,进行为期2 a的现场测试。基于实测数据,应用数理统计方法分析钢轨和车轮的磨耗特性,并使用实测钢轨型面进行1个镟轮周期内的轮轨匹配等效锥度分析。结果表明:高速铁路曲线半径大于2 495 m时,直线和曲线钢轨磨耗速率基本相当;对于年通过总重小于11 Mt的线路,钢轨垂直磨耗不足0.01 mm;曲线半径小于800 m的钢轨磨耗速率明显增大;哈大线、兰新线和丹大线的动车组车轮踏面磨耗较大,踏面平均磨耗速率约为0.05～0.06 mm·(万km)~(-1),而京沪线、武广线和贵广线约为0.03～0.035 mm·(万km)~(-1);车轮磨耗范围较小时,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大而增大,车轮磨耗范围较宽时,轮轨接触点分布均匀,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大没有明显的增大趋势。     

高速铁路轮轨型面匹配对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路LMA,S1002CN,XP55这3种典型型面车轮与60,60N和60D这3种廓形钢轨匹配的情况,建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合等效锥度、Polach指数、轮轨接触带宽变化率和接触点移动速率,分析新轮与新轨匹配和磨耗车轮的型面与钢轨原始廓形在服役条件下匹配的轮轨三维接触非线性关系,研究轮轨接触非线性关系对车辆动力学性能的影响。结果表明:S1002CN型面车轮时轮轨接触点跳跃最明显,LMA型面车轮时轮轨接触点分布最均匀,XP55型面车轮时轮轨接触带宽最窄,而且新轮与60N和60D钢轨匹配时轮轨接触点较60钢轨更集中在轨头中心处;S1002CN型面磨耗车轮与60钢轨匹配时脱轨系数、轮重减载率的相对增长率均大于与60N和60D钢轨匹配时;在1个镟修周期内,S1002CN型面车轮与3种廓形钢轨匹配时,随着运营里程的增加,滚动圆附近轮轨接触带宽和接触点移动速率均增大,且与60N和60D钢轨匹配时Polach指数由正值变为负值,影响车辆的蛇行失稳临界速度、失稳后的蛇行振动幅值以及车辆蛇行失稳极限环分岔特征。     

等效锥度非线性研究及其在踏面设计中的应用

为研究等效锥度非线性特性对车辆系统动力学和磨耗性能的影响,提出可以用于踏面优化设计的非线性特性建议指标。通过对轮轨关系进行细致推导,应用踏面逆向设计快速递推算法,得到具有不同等效锥度非线性特性的踏面,对不同踏面的轮轨关系进行分析。建立车辆系统动力学模型和基于Archard理论的磨耗预测模型,对不同非线性特性踏面的临界速度、横向平稳性、磨耗性能进行对比分析。研究结果表明：非线性因子值过高或过低都会导致临界速度下降,但该指标过高对临界速度影响更大,最大降幅可达20%;等效锥度非线性特性还会影响到踏面的磨耗发展,踏面的初始非线性因子越高,名义等效锥度在磨耗过程中的增长越慢,对延长车轮服役周期是有利的。综合动力学性能及磨耗性能,建议高速列车踏面的非线性因子应取尽可能接近于0的负值。在这一结论的指导下,对S1002CN踏面进行优化设计,得到名义等效锥度为0.1,等效锥度非线性因子为0.013(与S1002CN持平)、-0.002的优化踏面S1002CN＿opt1、S1002CN＿opt2,优化踏面S1002CN＿opt2与S1002CN相比临界速度和横向平稳性有所优化,同时磨耗性能也有所提升。S...     

武广客专动车组车轮磨耗及振动性能跟踪研究

通过对武广客专动车组车轮踏面和车辆振动性能的长期跟踪测试,得到车轮踏面磨耗、等效锥度和振动性能随运行里程的变化规律.将等效锥度作为评估车轮踏面磨耗程度的参数,探讨了车轮踏面磨耗对振动性能的影响.最后通过对比武广客专动车组降速前后车轮磨耗和车辆振动数据的差异,分析了速度下降对车辆振动性能和车轮磨耗的影响.结果显示,车轮踏面磨耗量随运行里程增加逐步增大,运行里程大于15万km后,车轮踏面磨耗速度呈逐渐增大趋势;武广客专两种不同踏面外形的主要磨耗区域基本相同,但最大磨耗位置不同;轮轨等效锥度不仅可以评估车轮踏面磨耗程度,还直接影响构架横向失稳的频率、幅值;其他条件不变的情况下,速度的调整对车轮踏面磨耗和振动性能影响显著.     

高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治

针对某高速铁路动车组车体抖动问题,采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形,研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响,研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。同时,采用实际线路及动车组车辆参数,基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。研究结果表明:该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内,体现为垂向和横向的综合异常振动;随车轮踏面磨耗增加,实测车体振动加速度逐渐增大,轮轨接触关系逐渐恶化,与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显;钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大,有效改善轮轨接触关系。车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度,有效整治高速铁路动车组车体抖动。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

基于稳定性分析的动力集中动力车车轮踏面匹配研究

针对160km/h速度等级动力集中动力车,采用SIMPACK软件建立了整车动力学计算模型,对比分析了JM_3和LM_A踏面与60kg/m钢轨匹配时的动力车稳定性;基于振动模态,结合一系纵向刚度,分析了踏面磨耗过程中等效锥度变化对整车稳定性的影响,发现当车轮踏面等效锥度从0.01增大到0.5,在临界速度达到最高时,动力车失稳模态由车体侧滚转变为驱动摇头,随后临界速度下降。结果表明,采用JM_3踏面动力车能获得更好的稳定性。     

基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究

在对京沪高铁开展轮轨型面跟踪测试的基础上,分析LM_A和LM_B车轮型面分别与60D钢轨型面匹配时的轮轨磨耗特征;利用数值仿真手段,研究磨耗后不同轮轨型面匹配组合下的轮轨接触范围与钢轨光带宽度和等效锥度的关联性;通过分析钢轨光带宽度与等效锥度的关联性,结合名义等效锥度限值,研究避免高速动车组运行过程中出现典型异常振动问题的钢轨接触光带合理范围。结果表明:高速铁路的钢轨磨耗远小于车轮磨耗;直线区段钢轨磨耗主要分布于钢轨顶弧中心附近,轮轨接触宽度与钢轨光带宽度相对应;钢轨光带宽度与轮轨匹配名义等效锥度正相关,钢轨光带宽度小于20 mm时易出现动车组车体晃车、大于45 mm时易出现动车组转向架横向振动加速度报警。     

等效锥度对120km/h地铁车辆横向稳定性影响研究

基于目前120 km/h B型地铁车辆在实际运营中出现车轮等效锥度较大的情况,借助Simpack动力学仿真软件,建立车辆多体动力学模型,还原了目前车辆在实际运营中车轮磨耗后出现的异常振动。仿真发现,车辆在车轮等效锥度为0.5时,车体存在因转向架蛇行造成的5.5 Hz振动频率和因车体上心滚摆模态被轨道不平顺激发造成的2.5 Hz振动频率,因此造成车体横向平稳性指标过大。通过对悬挂参数分析发现,适当增大一系横向定位刚度可有效降低车轮等效锥度较大时的车辆横向平稳性指标。     

轮/轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响

为研究轮轨关系对高速铁路车辆动力学性能的影响,选择中国车轮踏面LMA与钢轨断面CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP-ARC与钢轨断面JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002与钢轨断面UIC60,应用AD-AMS/Rail软件,考虑轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm的情况,计算分析高速客车的临界速度、脱轨系数、车辆运行平稳性以及车辆稳态曲线通过的轮轨磨耗指数。车辆动力学仿真计算中均采用基于先锋号客车基本参数建立的车辆动力学模型。分析轮轨几何参数对高速车辆运行平稳性和稳定性的影响,结果表明:增大轮对内侧距可以改善舒适性,减小磨耗,提高临界速度。     

高速动车组服役性能与钢轨廓形匹配适应性研究

动车组在高速铁路不同线路区段上经常出现异常振动问题，为研究动车组服役性能与钢轨廓形匹配的适应性，在不同高速铁路直线及大曲线区段选择200多个典型钢轨断面进行钢轨廓形跟踪测试，得到钢轨廓形偏差分布规律；分析不同偏差钢轨廓形分别与新轮、磨耗车轮匹配时的等效锥度、动车组动力学性能及轮对、构架、车体时频振动特性。结果表明：偏差在-0.2～0.3 mm范围的钢轨廓形占比约34%;与LMa新轮匹配，等效锥度基本保持在0.03,动车组各项动力学性能指标优良；与磨耗车轮匹配，随着钢轨廓形偏差由-0.4 mm增加到0.8 mm,名义等效锥度逐渐由小于0.01增加到0.3,当钢轨廓形偏差大于0.6 mm时，构架横向振动加速度等指标明显增大，动车组动力学性能和运行品质劣化，动车组对于线路的适应性下降。     

高速动车组线路动力学响应特性研究

针对速度为300 km/h的高速列车开展线路长期服役动力学性能试验,研究车轮磨耗、稳定性、平稳性和振动特征等随运营里程、线路条件、环境温度和列车运行速度等参数的变化情况,揭示车辆在多个镟修周期内的时域、频域动态响应特性。跟踪测试里程达到100万km,测试不同运行里程下的车轮踏面廓形、钢轨廓形以及关键部件的振动加速度和悬挂系统位移,并采用统计均值、极大值、极小值和分位数等统计指标表达测试结果。结果表明:车轮磨耗和轮轨匹配等效锥度随运营里程线性增长,运行30万km踏面磨耗0.8 mm,平均磨耗速率0.18 mm/10万km,等效锥度约为0.30～0.35;磨耗后期的轴箱、构架加速度均方根增大2倍以上,但平稳性指标受车轮磨耗影响小。     

径向转向架介绍

径向转向架在铁路曲线上运行时使轮对经常位于曲线的半径上,车轮与钢轨的冲角几乎为零,从而大大地减少轮轨之间的磨耗,消除了空载车辆车轮爬上钢轨而脱轨的可能;在直线上运行时使轮对经常沿轨道中心运行,提高了车辆蛇行运动的临界速度(即车辆的运行稳定性),同样减少了轮轨的磨耗.     

基于不同车轮直径的轮轨接触关系问题

针对不同车辆的车轮直径差异问题,研究了车轮直径对轮轨接触几何关系、轮轨接触斑、轮轨最大接触应力、蠕滑率、车辆稳定性以及轮轨磨耗等的影响。通过计算可以得出:随着车轮直径增加,左右车轮滚动圆半径差逐渐增大,等效锥度随着车轮横移量逐渐增大;接触斑面积逐渐变大,轮轨接触最大应力显著下降;轮轨的横向和纵向蠕滑率逐渐减少;车辆的稳定性变好,车辆过曲线时的磨耗变大。     

车轮磨耗对高速车辆侧向过岔动力学性能的影响

高速列车在长期运营过程中，车轮将发生随里程增加而不断增大的磨耗，为探究车轮磨耗对车辆侧向通过道岔时的动力学性能的影响，建立高速车辆-道岔耦合动力学模型，在综合考虑不同磨耗程度的车轮对转辙器区钢轨接触几何影响的基础上，研究具有不同磨耗程度车轮的高速车辆侧向通过道岔时对高速车辆动力学性能的影响。研究表明：随着车轮磨耗程度增加，高速车辆侧向过岔时的轮对运动姿态和车辆动力学性能发生较大变化，车轮运营里程达到20万km后，轮轨横向力较标准车轮型面减小了42%,车体横向振动加速度较标准车轮型面减小了16%,脱轨系数较标准车轮型面减小了38%;车轮发生磨耗后，车辆系统的动力学性能、行车安全性和舒适性均有一定程度改善。     

CRH3高速列车多边形磨耗车轮通过钢轨波磨区段的轮轨力研究

车轮多边形磨耗和钢轨波磨磨耗普遍存在于服役列车和典型线路上,针对这2种磨耗形式下的轮轨力学特性开展研究.建立柔性轮对的CRH3型高速列车刚柔耦合模型,构建车轮多边形与钢轨波磨的数学模型,分析200～350 km/h速度级下,波深、幅值均为0.01～0.04 mm,20～24阶车轮多边形磨耗与120～150 mm波长的钢轨波磨磨耗下对轮轨力的影响.研究结果表明:不同速度级下,车轮多边形阶次为20阶时,轮轨垂向力随着速度的增加而增大;改变车轮多边形的阶数、幅值,轮轨垂向力的大小随着多边形的阶次、幅值增大而增大;在考虑通过钢轨波磨区段的车轮多边形磨耗影响下,轮轨垂向力会出现明显的拍振现象,并且出现2个主频;当多边形阶次增加,轮轨垂向力的大小有所增大,但随着钢轨波磨波长的增加呈减小的趋势;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形幅值达到0.04 mm,车轮多边形阶数大于20阶,需要及时对车轮或钢轨进行镟修打磨工作,建议车轮多边形阶数为22阶、23阶、24阶分别对应钢轨波磨波深限值为0.04,0.03和0.024 mm.     

基于轮对安装偏转角和轮径差的高速列车车轮磨耗研究

建立有初始安装偏转角和轮径差的轮对受力平衡方程,计算LM、LMA和S1002等3种踏面轮对处于平衡时的轮对冲角和横移量.以国产高速列车为例建立车辆动力学模型,基于FASTSIM算法和Braghin踏面磨耗模型分析初始安装偏转角和轮径差对车轮磨耗的影响.结果表明:初始安装偏转角对平衡后轮对冲角影响较大,轮径差主要影响轮对横移量;低的踏面等效锥度在制造误差存在时更容易形成大的轮对冲角和横移量;初始安装偏转角和轮径差会导致车轮出现严重的偏磨,且磨耗率随着偏转角和轮径差的增加而急剧增大;有安装偏转角和轮径差时,踏面等效锥度越大,车轮踏面磨耗率越小;运行速度对车轮磨耗的影响与初始安装偏转角和轮径差的大小有关.     

轮轨接触几何关系对比分析

采用Kalker CONTACT方法计算轮轨接触几何特性,分析对比了LM,LM_A,S1002CN,LM_(B-10),LM_D,XP55车轮踏面与TB 60,60D,60N钢轨廓型匹配的接触几何关系。分析结果表明:相同车轮踏面与TB 60钢轨匹配的名义等效锥度最大,与60D,60N钢轨匹配的名义等效锥度较小;LM_A踏面与TB 60钢轨匹配以及LM,S1002CN踏面与60D钢轨匹配时,具有较好的直线运行稳定性和曲线通过性能;LM,LM_A,S1002CN踏面与TB 60钢轨匹配时,车轮回复到对中位置的能力强;车轮踏面与60N钢轨匹配的接触斑分布均匀,直线上的磨耗性能好;LM_D踏面与TB 60,60D,60N钢轨匹配时也具有很好的磨耗性能;车轮踏面与60N钢轨匹配时,曲线通过的磨耗功最大,磨耗严重。