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。     

实测车轮踏面对动力学的影响研究

利用SIMPACK动力学仿真软件建立我国某现役高速动车组的动力学模型。对服役5万km, 10万km, 15万km和20万km的线路实测车轮踏面对动力学影响并进行分析。分析结果表明:随着车轮踏面服役里程的增加,车辆系统的临界速度先增加后减小再增加后趋于平缓;随车轮踏面服役里程的增加垂向平稳性指标变化不大,横向平稳性除服役10万km外均随服役里程的增加而增加;车轮踏面服役里程对脱轨系数、轮轴横向力、磨耗功率有较大影响,对轮重减载率影响不是很明显。     

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。     

动车组旋修周期验证研究

为验证某型动车组30万km旋修周期的合理性,对一个旋修周期内的动车组实测车轮进行磨耗分析,并将实测车轮外形输入到已建立的动力学模型中,计算动车组系统临界速度、构架横向稳定性、车体平稳性、曲线通能力等动力学性能,并参照相关标准进行评价。结果表明:车轮磨耗、等效锥度随运行里程增加变化平缓;运行31万km后车轮踏面与钢轨接触状态良好;所计算动力学性能均满足标准要求。从而验证某型动车组30万km里旋修周期的合理性。     

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。     

车轮型面磨耗诱发高速铁路轮轨接触几何参数时变的规律

将轨道系统视为无质量的黏弹性力元,运用多体动力学软件UM建立CRH2型高速列车单个车体的车辆—轨道耦合动力学模型,并结合轮轨非椭圆滚动接触模型和车轮型面磨耗演变模型,以车轮最大磨耗深度为0.1mm作为车轮型面更新的条件,通过动力学仿真研究轨道系统振动、车辆悬挂力元非线性和轮轨接触几何非线性特性等影响下滚动圆半径差、等效锥度、接触角和接触点分布等轮轨接触几何参数的时变规律。结果表明:通过不同运营里程下车轮型面磨耗和名义滚动圆半径处磨耗仿真与实测的对比结果,验证了模型的准确性;随着运营时间的推移和运营里程的增加,车轮型面磨耗会对轮轨接触几何参数产生明显的影响:其中,等效锥度、滚动圆半径差和接触角在运营里程从0逐渐增加到10万km的过程中变化明显,而从10万km逐渐增加到20万km时变化渐缓,然后在从20万km逐渐增加到25万km的过程中车轮型面磨耗又进一步加剧,等效锥度、滚动圆半径差和接触角的变化幅度又急剧增加,轮轨接触点分布则随着运营里程的增加由一点接触逐渐向两点接触演变,车辆的动力学性能也随之下降。     

不同配准策略下的轮轨磨耗量研究

测量轮轨型面时,测量坐标系与设计坐标系往往不同,需要将测量数据还原到设计坐标系下对齐,但使用不同的对齐方法,计算结果差异较大。提出6种轮轨型面对齐策略,通过比较给出每种对齐方法的适用范围和优缺点。其中ICP法对齐摒弃传统的点对齐法,以轮轨一段未磨耗区为基准,剔除采样点的随机噪声,明显减少了磨耗量计算误差。并采用边缘对齐法分析LMBG车轮踏面3个镟轮周期的磨耗情况,得出踏面磨耗速率随运营里程的变化关系,研究等效锥度随镟后里程的变化规律。研究发现:当运营里程为30万km时,等效锥度已达到0.35,这就要求车辆在较大的等效锥度范围内动力学性能良好。研究成果可为标准动车组车轮检修提供借鉴。     

基于车辆走行性能的 9号直线型道岔允许通过速度研究

基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,考虑长期运营条件下车轮廓形磨耗,针对标准及磨耗后LM型车轮踏面和9号直线型道岔,对道岔区轮轨接触几何和车辆侧向通过道岔转辙器的走行性能展开评价,并分析9号直线型道岔的允许通过速度。研究结果表明:标准LM型踏面的轮轨接触关系优于磨耗后踏面,其允许通过速度高于磨耗后踏面。在相同的速度下运行时,标准LM型踏面的安全性,平稳性均优于磨耗踏面。在标准LM型踏面下运行,道岔侧向允许通过速度由车体横向振动加速度控制,为50 km/h;考虑实际运营条件下踏面磨耗,道岔侧向允许通过速度由脱轨系数控制,为40 km/h。     

车轮踏面凹形磨耗对动车组车辆运行性能的影响

基于武广线上运行的某高速动车组车轮的磨耗状态的跟踪测试,发现车轮踏面以凹形磨耗为主。对不同运行阶段实测车轮踏面磨耗状态进行分析,研究磨耗车轮与钢轨接触时的接触几何参数。根据线路上实际运行动车组性能参数,运用SIMPACK软件包完成车辆系统动力学模型,对比分析S1002CN车轮与实测踏面车辆的运行稳定性、平稳性及安全性指标,研究车轮踏面凹形磨耗对列车动力学性能的影响。研究结果表明:车轮踏面凹形磨耗将导致转向架及轮对横向加速度急剧增大,车辆稳定性、平稳性将有所降低,凹形磨耗是引起转向架横向报警的直接原因。     

CRH_(3C)型动车组薄轮缘车轮外形设计与运用

对京津城际铁路CRH3C型动车组车轮磨耗、车辆振动性能进行长期跟踪试验研究。研究发现部分动车组车轮镟修后车体横向失稳,而镟修后车轮外形等效锥度过小是车体失稳的主要原因。通过理论分析与试验研究,确定新的系列薄轮缘车轮形面设计原则为:提高轮轨等效锥度;统一轮缘高度;高次曲线连接轮缘根部与踏面外形。通过仿真计算、试镟修与线路运用考核薄轮缘车轮外形。仿真计算和线路测试结果表明:京津城际铁路CRH3C型动车组车轮采用该系列薄轮缘外形镟修后,轮轨等效锥度为0.17,动车组车体失稳现象消失,构架稳定性和运行平稳性均满足标准要求,直径镟修量控制在2mm以内。     

轮轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响研究

为分析车轮和钢轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响,在北京地铁6号线选取典型车辆和区段分别开展了车轮踏面外形和钢轨廓形测试,并在Simpack软件中建立地铁B型车拖车动力学仿真模型。研究结果表明:车轮磨耗存在偏磨现象,且轮缘磨耗严重;等效锥度与车轮磨耗正相关,随着车轮磨耗的增大而增大,与钢轨磨耗负相关,随着钢轨磨耗的增大而减小;等效锥度小于0.07时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而增大;等效锥度大于0.5时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而减小;等效锥度在0.08~0.12时,车辆的非线性临界速度最高,其稳定性裕度最大。     

CRH5型动车组车体异常抖动原因分析及对策

针对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线CRH5型动车组车体异常抖动的情况,调查了异常抖动的车辆状态和抖车区段的线路情况,计算分析了轮轨匹配等效锥度和轮轨接触几何关系。结果表明:随着车辆运行里程增加,车轮踏面凹形磨耗越来越严重,加之钢轨廓形打磨不到位使得轨距角凸出,致使轮轨匹配等效锥度达0.3以上,轮轨接触几何关系不良,车体出现6～8 Hz的高频振动。通过车轮镟修和钢轨打磨可有效降低轮轨匹配等效锥度,改善轮轨接触几何关系,解决动车组异常抖动的问题。     

跨线运行动车组异常振动问题研究

针对跨线运行动车组出现的车辆异常振动问题,通过实测车轮踏面外形、钢轨廓形,以及车辆振动测试,从轮轨接触关系及振动传递特性分析异常振动原因。因线路钢轨廓形不同,导致长期在不同线路运行的动车组车轮踏面最大磨耗位置存在差异,使得车辆在磨耗后期对线路适应性下降。当车辆跨线运行时,由于钢轨廓形变化导致轮轨匹配不良,转向架蛇行运动能量增大。此能量通过二系悬挂传递至车体,引起车体异常抖动。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

XP55-28经济型镟修踏面外形设计及动力学性能验证

对于CRH5型动车组所采用的XP55型车轮踏面外形,在经过120万km以上的运营后检修时,如按原型踏面外形镟修,不仅镟修量较大,且减少车轮使用寿命。本文通过对上千个在不同线路运行120万km后的车轮进行外形测量,对其轮缘斜面磨耗、轮缘厚度、轮缘高度、等效锥度等数据进行统计分析,设计了XP55-28经济型镟修踏面;利用多体动力学软件SIMPACK建立CRH5型动车组模型,分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面对采用XP55-28经济型镟修踏面的车辆与采用XP55型踏面的车辆进行对比。结果表明:二者轮轨接触几何关系相同,各项动力学性能指标均满足运营要求。     

高速列车踏面凹形磨耗及其动力学影响规律

踏面凹形磨耗是我国高速列车服役过程中车轮磨耗的主要形式,踏面凹形磨耗随镟修后里程逐渐加剧,将引起轮轨接触关系的变化,进而引起车辆动力学性能的恶化。为揭示我国高速列车踏面凹形磨耗的特点和规律,通过对国内某高速动车组的部分车轮进行长期跟踪测试,并基于测试结果研究踏面不同位置的磨耗量,发现磨耗中心位置与名义滚动圆的偏离现象,提出基于离散点直接积分的磨耗面积表征方法。进一步通过数学推导、多体动力学建模与仿真、以及车载实测振动数据的分析验证,研究不同踏面凹形磨耗程度情况下,车辆临界速度、轮轨作用力、振动信号的蛇行运动频率等动力学特性和指标随车轮旋修后运行里程的变化情况,总结得到踏面凹形磨耗对高速列车动力学的影响规律。     

踏面磨耗及其对轮轨接触几何关系的影响

对运营中的若干列某型号动车组踏面参数进行了跟踪测试,从统计学角度对踏面磨耗规律进行了分析,计算了踏面磨耗对轮轨接触几何关系和等效锥度的影响,对旋轮前后车辆运行平稳性指标进行了对比。结果表明,踏面不旋轮运营一段时间后与标准踏面差别较大,轮轨接触几何呈非对称,而旋轮能有效改善车辆的动力学性能。     

轨道车辆轮轨关系检测及等效锥度管理

轮轨关系是轨道车辆安全运行的主要研究对象,而等效锥度是重要评价指标,通过等效锥度可以判断晃车和抖车现象。研究结果表明,车体的横向晃动频率在1～2 Hz,主要是等效锥度过低引起车辆蛇行失稳所致。车体抖动频率在 8 Hz 左右,主要是等效锥度过高诱发车体模态共振所致。为更精准的分析等效锥度变化,需要系统的、精确的检测设备实行全线线路廓形检测以及轮对型面的磨耗检测,结合车轮踏面和轨道廓形进行轮轨交叉匹配运算,得到全部车辆和线路的等效锥度热力图进行轮轨健康管理及运营评价,通过等效锥度管理可实现对车体抖动晃动的诊断和预防,并对轮对镟修和钢轨打磨提供合理的指导意见。     

车轮偏磨对高速列车直线运行性能的影响

对某高速线路上运用的高速列车车轮踏面磨耗特性进行跟踪测量,发现高速列车车轮踏面以凹形磨耗为主,各轮对均存在偏磨现象,部分车辆出现整体向同一侧偏磨的现象。对现场实测车轮的轮轨接触几何特性进行计算分析,根据列车参数建立车辆动力学仿真模型,分析凹形磨耗及不同车轮偏磨形式对车辆动力学的不利影响。结果表明:当轮对出现偏磨时,随着轮对横移的变化,踏面等效锥度存在负锥度现象,导致轮轨接触的平衡位置偏离轮对对中位置,加快偏磨的发展;凹形磨耗踏面轮轨接触点存在多个平衡位置,车辆运行过程中轮轨接触点在几个平衡位置间跳跃造成"轮缘到假轮缘"的冲击振动,影响车辆的运行性能;当车轮产生偏磨后,轮轨冲击振动对车辆的影响变得更为复杂;同相偏磨较反相偏磨对车辆的临界速度及平稳性影响更为严重。