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。     

钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究

为解决动车组车辆在运行中出现的晃车及加速度异常情况,对磨耗后钢轨型面进行打磨,并通过仿真分析以及跟踪测量对打磨效果进行评估。分析结果表明,打磨后轮轨接触点对分布较打磨前更窄,分布于滚动圆附近,轮对发生横移时滚动圆半径变化较小,但由于其较小的接触面积导致接触应力较大,易产生较大的垂磨;打磨后钢轨匹配时由于等效锥度较小,对车辆运行稳定性及车体振动起到改善作用;打磨后钢轨的磨耗位置居中,磨耗面积小但垂直磨耗大,在运行一段时间后,轮轨接触光带会缓慢增大。因此,钢轨打磨缓解了车辆运行过程中构架横向加速度异常的情况,虽其滚动圆处垂磨较大,但其总磨耗量较打磨前小,且降低了对钢轨的损伤,有利于延长钢轨的寿命。     

小半径曲线钢轨型面优化对车辆动力学性能的影响研究

钢轨磨耗和滚动接触疲劳等病害会缩短钢轨使用寿命,增加铁路养护成本,甚至会威胁行车安全。为探究钢轨型面优化对车辆动力学性能的影响,建立机车、客车、货车3种车辆动力学模型,对国内某段小半径曲线钢轨型面进行优化设计,基于最小距离搜索法程序比较其轮轨接触关系,运用Simpack软件分析车辆动力学性能的变化。计算结果表明,钢轨型面进行优化后曲线上股接触范围由47 mm减小至28 mm,同时在轨距角处的接触概率明显减少,从而使钢轨侧磨明显减轻,钢轨型面优化后曲线下股轮轨接触点都集中在轨顶,避免钢轨出现满光带现象;钢轨型面优化后,外轨横向力降低3.3%～21.1%,轮轴横向力降低6.9%～21.9%,但轮轨垂向力的变化不明显;钢轨型面优化能减小机车车辆轮重减载率、脱轨系数和磨耗功率,有利于提高列车运行安全性。     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

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。     

柔性轨道下高速列车车轮谐波磨耗对轮轨滚动接触蠕滑特性的影响

针对柔性轨道下因谐波磨耗车轮激励而引发钢轨和轮对振动时的轮轨蠕滑问题,在分析柔性轨道下轮轨间滚动接触振动对轮轨蠕滑特性影响机理的基础上,基于CRTS型双块式无砟轨道和CRH2型高速列车,采用ANSYS和UM软件建立柔性轨道下高速列车的动力学数值模型;选取6种典型谐波磨耗(阶数分别为1,6和11阶;对应波深分别为0.1和0.3mm)车轮,进行轮轨滚动接触振动特性、轮轨蠕滑力和蠕滑率的分析。结果表明:车轮谐波磨耗阶数和波深的增加均导致钢轨垂向加速度、轮对垂向加速度、轮轨垂向力及轮轨蠕滑力和蠕滑率的大幅增加,且与阶数的影响相比,波深对滚动接触蠕滑特性的影响更大;当车轮的谐波磨耗取11阶和0.3mm波深时,轮轨垂向力最大值、钢轨垂向加速度最大值、轮对垂向加速度最大值和平均值、纵向蠕滑率平均值、纵向蠕滑力绝对平均值、横向蠕滑力最大值、纵向蠕滑力最大值分别约为车轮无谐波磨耗时的7.27,49.6,20.35,15.18,7.8,9.064,6.7和8.57倍;考虑柔性轨道后,轮轨接触脱离时间明显增加,轮轨蠕滑率和蠕滑力也有明显增大。     

牵引力对机车轮轨关系的影响分析

为分析机车牵引力对轮轨关系的影响,在SIMPACK多体动力学软件中分别建立了基于60钢轨和60N钢轨的"机车-轨道"耦合动力学模型,设定了水平轨道和坡道通过曲线的2种工况,分析机车牵引力与轮轨蠕滑关系、最大法向接触应力和RCF损伤系数的关联度。计算结果表明:增加牵引力使轮轨纵向蠕滑率和纵向蠕滑力迅速增加,横向蠕滑力降低,机车在60N钢轨上运行时变化尤为明显;钢轨内侧纵向蠕滑力受牵引力作用方向改变,引起钢轨内侧裂纹方向改变;相比60钢轨,60N钢轨抵抗磨耗的能力较强,但容易产生滚动接触疲劳。     

高速列车车轮型面磨耗预测及参数研究

建立CRH380B型动车组车辆多体动力学模型,通过仿真计算轮轨接触参数,再通过FASTSIM算法结合Archard磨耗模型预测其磨耗量,并与实际车辆磨耗数据进行对比。结果表明,仿真与实际测量的车轮型面磨耗发展情况相似。并对影响车轮磨耗的参数进行数值仿真分析,主要计算在不同轮轨接触磨耗系数和不同钢轨道床扣件垂向及横向刚度变化情况下的车轮型面磨耗变化,结果表明降低摩擦系数可有效降低车轮磨耗,而钢轨道床扣件的刚度对车轮磨耗影响很小。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

钢轨接头扭转对车辆-轨道动力学的影响研究

针对高速铁路钢轨采用铝热焊接时会存在钢轨扭转的情况,为研究钢轨接头扭转造成的轨道不平顺对车辆轨道动力特性的影响,通过建立轮轨接触几何模型和车辆轨道动力学模型,研究钢轨接头从-1/40扭转到1/15时对轮轨接触点位置分布、车轮滚动圆半径差以及轮轨相互作用力的影响规律。结果表明:无轮对横移时,钢轨扭转造成的轮轨接触点位置横向偏移量达到25 mm;车辆由钢轨扭转-1/40通往钢轨扭转1/15时,车轮的滚动圆半径差为正,能够抑制轮对的横移,反之为负,会加剧轮对的横向移动;钢轨接头扭转会极大恶化轮轨动力相互作用,轮轨横向力和垂向力的最大值分别达到15.1 k N和131.5 k N。     

地铁曲线段钢轨非对称性廓形研究

提出多弧段钢轨廓形拟合方法:以圆弧半径以及圆弧相切点横坐标为设计变量,以轮轨接触点横向分布密度函数、轮轴横向力最小为目标函数,采用统计方法设定参数边界条件,建立非对称性钢轨廓形设计模型,并运用遗传算法对该模型进行求解,得到地铁曲线段外轨非对称性钢轨廓形.建立车辆系统动力学及轮轨接触力学模型,对设计的非对称钢轨廓形进行动力学性能评价以及磨耗分析.结果 表明,与采用TB60型面钢轨廓形相比,非对称性钢轨廓形基本不影响车辆动力学性能;同时,非对称性钢轨廓形改善了轮轨接触关系;钢轨顶面横坐标为0-25 mm区间内的轮轨接触斑分布密度为86.18％,非对称性廓形钢轨较TB60型面增加了35.21％;在通过车次分别为5.0×105次和1.0×106次的条件下,非对称性廓形钢轨的磨耗深度最大位置较TB60型面向轨顶中心移动5 mm,降低了钢轨的非正常磨耗.     

基于60 kg/m和60N钢轨的货车轮轨动力学性能比较

为对比分析铁路货车在60 kg/m和60N钢轨上的轮轨动力学性能,以C70货车为例,采用SIMPACK多体动力学软件建立基于60 kg/m和60N钢轨的货车-轨道耦合动力学模型,计算轮轨几何接触关系、车辆运行稳定性和平稳性、轮轨作用力等。计算结果表明:LM车轮踏面与60N钢轨匹配时,轮轨接触点靠近轨面中心,车辆运行有更高的稳定性和平稳性;车辆通过曲线时,车辆在60N钢轨上的轮轨接触斑面积较大,轮轨间的垂向作用力、横向作用力较大,通过小半径曲线时轮轨横向蠕滑力较大;车辆与60 kg/m钢轨之间的总蠕滑力、纵向蠕滑力、最大法向接触应力和磨耗指数较大,加剧了60 kg/m钢轨的磨损。     

短裂纹产生/扩展与磨耗耦合情况下的钢轨损伤评估

介绍了研究钢轨轨头短裂纹产生/扩展和磨耗耦合分析的数值模拟程序。采用通用多体动力学分析软件,对单节车辆曲线通过进行仿真,分析轮重、轮轨横向力和轮轨接触位置等参数,然后将仿真结果输入到轮轨滚动接触有限元计算软件中,探讨了对曲线半径和钢轨钢种的影响。     

客运专线铁路曲线段钢轨型面优化

根据武广客运专线某曲线段的实测数据,对指定曲线段轨道的水平加速度、钢轨光带及侧磨情况进行分析,获得轮轨匹配较好的平均磨耗型面。以改善轮轨接触状态为目的,采用轮轨接触角曲线反求法,利用数学软件MATLAB对获得的平均磨耗型面进行优化设计得到共性度较高的优化型面。通过多体动力学软件SIMPACK进行车辆轨道耦合动力学仿真,确定型面优化方案能有效改善轮轨接触状态,并使得列车有较优的车辆动力学性能。     

基于蠕滑机理的重载货车车轮磨耗研究

在多体动力学分析软件包SIMPACK中建立重载货车动力学模型,基于轮轨蠕滑机理在MATLAB软件中编制车轮踏面磨耗仿真程序WWS.根据车轮磨耗仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正.研究车辆非理想状态对车轮磨耗的影响,分析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性.通过钢轨表面滚动接触疲劳损伤特征的研究,对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合关系进行数值模拟.主要研究内容和结论如下.     

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。     

高速铁路三维轮轨瞬态滚动接触-冲击模型参数研究

为进一步研究车辆轨道接触特性和钢轨损伤,采用显式有限元法建立适用于三维轮轨瞬态滚动接触分析的有限元模型,将轮轨间黏着系数、牵引系数、列车速度等考虑在内,研究不同模型参数对轮轨瞬态滚动接触计算的影响.通过详细对比分析扣件系统、钢轨长度、轨道板及参数对轮轨瞬态接触解的影响,并结合车轮模态分析结果,引入不同波长的轨面几何不平...     

列车及轨道参数对曲线钢轨波磨影响及防治措施研究

针对地铁曲线段出现的钢轨波磨问题,利用车轨动力学模型研究了转向架一系横向及纵向刚度、轮轨摩擦系数、曲线半径、超高、轨距、轨道横向及垂向支撑刚度等参数对曲线轮轨磨耗的影响,结果表明:(1)适当减小转向架一系纵向刚度可显著降低曲线段轮轨磨耗;(2)轨面摩擦系数由0.5降低至0.3,轮轨磨耗指数可降低约25%;(3)轮轨磨耗随曲线半径的减小呈指数式增长;(4)线路超高、轨距对轮轨磨耗影响较小,进而提出曲线钢轨波磨的防、治措施建议:(1)适当降低轮轨间摩擦系数、提高钢轨硬度、加宽曲线段轨距和开展曲线轨道磨耗信息化管理等措施,可缓解既有线曲线钢轨波磨;(2)优化车辆一系横向及纵向刚度、增大线路曲线半径、避免小半径"S"形曲线、设置曲线欠超高、降低轮轨间摩擦系数等措施,可对新建线路曲线钢轨波磨进行预防。     

广州地铁1号线车轮与钢轨滚动接触特性分析

以广州地铁1号线车轮和钢轨为例,运用有限元软件建立三维轮轨滚动接触有限元模型,对不同牵引力和不同横移量的轮轨滚动接触特性进行计算分析.结果表明牵引力改变轮轨接触Mises应力的分布;随着牵引力的增大,接触斑纵向摩擦力分量明显增大,接触斑后部最先出现蠕滑区,牵引力越大接触斑黏着区越小,蠕滑区越大;在横移为-5～5 mm范围内,接触斑分布在车轮踏面倾斜角为1∶46的斜面上,从这个角度看,该踏面与CHN60钢轨匹配并没有完全发挥磨耗型踏面增大接触面积、减小接触应力的作用.     

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。