高速铁道车辆蛇行脱轨安全性评判方法研究

通过建立轮轨三维几何接触模型、整车动力学分析模型和轮轨碰撞模型,分析高速铁道车辆蛇行失稳后的蛇行脱轨过程及其影响因素.高速铁道车辆的蛇行脱轨过程是一个爬轨和跳轨并存的复杂过程,轮对的名义冲角和有效冲角分别对准静态的爬轨和动态的跳轨起着重要影响作用;随着轮对横移速度的增大、轮轨摩擦系数以及车轮垂向载荷的减小,车轮的跳轨高度越大;横向蠕滑力在整个蠕滑力中所占比例以及轮对横向运动能量越大,车辆越容易脱轨.因此高速铁道车辆的蛇行脱轨安全性应根据轮对横移速度限值并考虑车辆的横向运行稳定性进行评判.当高速铁道车辆分别表现为“超临界”和“亚临界”的蛇行失稳极限环分岔形式时,可分别采用转向架横向加速度移动均方根值方法和转向架横向加速度限值对其横向运行稳定性进行评判.     

轮轨干摩擦下的轮对横向自激振动机理

从轮轨间干燥接触情况出发,建立具有2个自由度的轮轨干摩擦下弹性定位轮对横向自激振动模型,并采用摩擦系数—蠕滑速度经验公式描述轮轨之间干摩擦力与蠕滑率的关系,进而从能量的角度研究轮对横向自激振动的形成机理。研究表明:轮轨系统中由蠕滑速度主导的反馈机制是产生轮对横向自激振动必不可少的条件;引发轮对横向自激振动的能量来自列车向前运动的一部分能量,并由摩擦力中的刚度力通过轮轨纵、横向蠕滑率的调节作用被输入到轮对中;轮对横向自激振动的稳定性取决于轮轨系统等效阻尼耗散的能量和摩擦力中刚度力输入的能量,轮轨摩擦力做功的正负将影响轮轨系统的稳定性。     

基于初态激扰法的铁道车辆蛇行运动不稳定极限环求解

针对铁道车辆蛇行运动分岔图中不稳定极限环通过整车动力学仿真求解困难的问题，提出直接积分求解不稳定极限环的方法——初态激扰法。该方法利用多体系统动力学软件Simpack建立高速列车动力学模型，采用Matlab软件对拟周期解进行动态加权调整后作为车辆系统主要部件的初始状态，在光滑轨道上时域积分获取刚体运动状态，在轮对横移幅值随运行速度变化的分岔图中绘制不稳定极限环及平衡点和稳定极限环，从而得到完整的车辆蛇行运动分岔图。以某高速列车为例，基于初态激扰法求解不同轮轨接触工况和抗蛇行减振器故障工况下蛇行运动分岔曲线。结果表明：新轮和磨耗轮工况的车辆蛇行运动分别对应Hopf亚临界分岔和超临界分岔行为，且磨耗轮工况下蛇行运动由亚临界分岔变为超临界分岔；不改变抗蛇行减振器阻尼仅减小卸荷力，对车辆Hopf分岔临界速度没有影响，但会降低车辆LPC (Limit Point Bifurcation of Circles)分岔临界速度并减小不稳定极限环的幅值，从而降低车辆横向稳定性。     

采用下摇枕转向架的车辆横向稳定性研究

对采用下摇枕结构转向架的车辆进行了线性和非线性稳定性分析后得出如下结论:车辆失稳模态为构架与轮对同频同相振动的转向架蛇行模态,随着车轮踏面磨耗,车辆横向稳定性降低;当一系水平刚度减小时,轮对蛇行模态的自然阻尼减小;当牵引杆纵向刚度降低时,构架横向振动模态自然阻尼减小,横向稳定性降低。轮对水平定位刚度和旁承摩擦因数以及牵引杆纵向刚度对下摇枕结构车辆横向稳定性具有显著影响,三者中任一参数的变化都会影响到整车横向稳定性。     

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.     

兰新客专高速列车转向架蛇行运动稳定性及影响研究

蛇行运动是铁道车辆特有的现象,是车辆系统动力学的核心问题之一。蛇行运动与非线性振动和运动稳定性密切相关,决定了车辆最高允许运行速度,并影响车辆的其他动力学性能。文中通过对兰心客专高速列车的线路实测数据研究,分析了在旋轮周期的末期转向架横向稳定性及其影响。在旋轮周期的末期,根据相关标准判据,转向架未失稳。但是转向架在少量路段存在小幅蛇行谐波成分,这主要是局部路段的钢轨廓形与车轮踏面匹配等效锥度过大所致。转向架小幅蛇行谐波会导致车辆平稳性指标变大、并会将振动传递至制动吊梁,但不会影响电机。     

CRH_3型动车组转向架性能提升研究

通过分析CRH3型动车组系统悬挂参数、质量参数、轮轨参数对临界速度的灵敏度,并针对敏感参数进行转向架蛇行运动稳定性的影响分析,探明导致构架横向加速度报警的根源,提出转向架性能提升方案,经线路试验验证确认要因并改进,为后续转向架设计优化提供参考及依据。     

转向架横向悬挂刚度对直线高速货车脱轨的影响

应用２９个自由度的车辆动力学模型研究直线轨道上较高速度货车脱轨的问题。文中探讨了通过改变转向架悬挂刚度来提高直线路上较高速度货车脱轨稳定性的可能性，通过计算得出轮对蛇行运动的分叉图。     

轴箱内置和外置高速转向架的动力学性能对比

根据悬挂系统的结构形式,转向架分为轴箱内置转向架和轴箱外置转向架。相对于轴箱外置转向架,轴箱内置转向架结构紧凑、质量小,有利于降低轮轨磨耗和通过小半径曲线,具有良好的线路适应性。针对时速350 km/h货运动车组,考虑高铁线路和既有线路运行工况,通过动力学仿真软件SIMPACK计算车辆分别采用轴箱内置转向架和轴箱外置转向架的轮轨力和车轮磨耗,对比分析2种转向架的安全性、平稳性以及线路适应性。研究结果表明:在保证2种转向架具有相同蛇行运动稳定性即临界速度的前提下,与轴箱外置转向架相比,内置转向架的轮轨力降低20%以上,车轮磨耗量和踏面磨耗深度降低30%以上,充分体现了轴箱内置转向架的动力学性能优越性。     

高速转向架非线性与高铁车辆安全稳定性裕度

以高速轮轨关系空间为边界条件,分析高速转向架的非线性稳定性、拖车构架点头迟滞非线性和抗蛇行高频卸荷机制,并根据实践经验将提高高铁车辆稳定性裕度的主要途径归纳为2种抗蛇行模式,即大阻尼抑制蛇行和抗蛇行吸能频带.但大阻尼抑制蛇行将带来降低车体横向平稳性和恶化轮轨磨耗等诸多负而影响.因此,针对构架振动报管等高铁应用的新问题,提出基于抗蛇行吸能频带的安全稳定性裕度调控方案,并在台架试验基础上制订了抗蛇行软约束的积极对策,仿真预期结果表明其完全可以保障380 km·h<'-1>运营速度下高铁车辆的安全稳定性裕度.     

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。     

不同轮径转向架对车辆动力学性能影响分析

为研究不同轮径转向架动力学性能差异,基于车辆动力学和赫兹非线性接触理论,在恶劣线路下,采用2种不同轮径转向架的机车模型进行分析。主要考察研究轮径由1 050mm变为1 250mm,车辆的簧下质量有一定程度的增大时,对机车动力学性能以及轮轨接触磨耗的影响。结果表明,轮径增大后轮对、构架频响特性差异很小,通过赫兹非线性接触理论进行分析发现,轮径增大轮轨弹性变形增大,接触面积随之增大;黏着力与黏着系数同时变大,所传递的切向力升高,蠕滑力减小,轮对踏面磨耗功率降低,踏面磨耗得到一定改善。结果还表明,随着轮径增大车体质心的升高,在不同速度下车体平稳性指标发生一定的恶化,而一系簧下质量增大又降低了转向架临界速度。     

动车组转向架簧间大质量部件(牵引电机)振动解耦技术方案

针对更高速度等级动车组转向架的簧间大质量部件(牵引电机)振动解耦技术进行了专题研究,分析了牵引电机的横向悬挂刚度和阻尼对转向架动力学性能的影响。结果表明,让牵引电机和构架在横向方向解耦到一定程度,即适当降低牵引电机的横向悬挂刚度和阻尼,可提高转向架的蛇行临界速度。为达到较高蛇行临界速度所需的横向悬挂刚度和阻尼,提出了一种高速转向架牵引电机横向解耦弹性架悬机构技术方案。该方案能将电机的横向悬挂刚度降低至0.34 MN/m,可实现电机与构架的横向低刚度解耦。     

车辆系统横向运动稳定性评判的数值仿真研究

采用极限环法、构架加速度幅值法、构架和轮对加速度均方根值法对车辆系统的横向运动稳定性进行了评判。结果表明,采用构架加速度幅值法评判得到的临界速度高于采用极限环法得到的,而采用构架和轮对加速度均方根值法评判得到的临界速度在速度高时往往要低于采用极限环法得到的。对于TSI L 84—2008标准规定的构架加速度幅值评判方法,通过仿真分析,建议将其滤波频率3Hz～9Hz改为2Hz～9Hz,以覆盖低于3Hz的蛇行失稳频率,使评判结果更加准确。最后,还对高速车辆蛇行失稳后的脱轨安全性和运行平稳性进行了分析。     

轴箱布置方式对地铁直线电机车辆动力学性能的影响

基于车辆系统动力学理论,建立了两种不同轴箱布置方式的地铁车辆动力学模型,在实际线路条件下,分析对比了轴箱内置与外置两种转向架,因为簧下质量以及悬挂系统横向跨距变化而造成轮轨接触以及车辆平稳性改变。研究结果表明,两种轴箱布置方式对车体平稳性影响较小;但轴箱内置车辆为达到理想的稳定性,需要加大一系径向刚度并加装抗蛇行减振器;轴箱内置能够降低轮对摇头角刚度,提高车辆适应线路扭曲不平顺的能力,同时降低轮对踏面磨耗功率,改善小半径曲线上轮轨磨耗。     

轨距对机车车辆稳定性影响的研究

基于惯性力与轮对蛇行频率及波长间的关系,研究轨距对机车车辆稳定性的影响,并通过对各种轨距下单轮对走行部和转向架式走行部的特征值计算,验证分析结果。结果表明:对于单轮对走行部,轨距越宽,车辆稳定性临界速度越高;对于转向架式走行部,轨距越宽,机车车辆稳定性临界速度越低;采用弹性定位后,可以提高单轮对走行部的稳定性临界速度;转向架采用弹性定位之后,优化的悬挂设计可以使机车车辆达到很高的稳定性临界速度;对于转向架式走行部,速度对稳定性的影响程度与轴距的影响程度相当,在其他条件不变的情况下,轴距增大20%,相当于其稳定性临界速度可提高20%;车轮踏面等效锥度和名义滚动圆半径对单轮对或转向架式走行部稳定性临界速度的影响与轨距的影响程度相同,锥度加大或轮径减小,均会降低机车车辆的稳定性。     

轮轨实测廓形小波平滑方法及其对蛇行运动影响

文中提出了一种异常值剔除结合分段小波降噪的实测轮轨廓形平滑方法；建立了某高速动车组拖车非线性动力学模型，通过降速法计算车辆蛇行运动临界速度；对比分析了采用小波降噪和样条拟合方法平滑轮轨廓形对轮轨接触几何关系和车辆蛇行运动的影响。结果表明：样条拟合参数选取不当会导致对原始廓形的欠拟合或过拟合；小波降噪能较好地去除廓形中的噪声和畸变点；合理的轮轨廓形平滑处理可提高动力学仿真效率和计算精度，蛇行运动分岔更符合实际运营情况。     

悬挂式单轨车辆曲线通过性能分析

分析悬挂式单轨车辆的转向架结构及组成,建立相应的SIMPACK动力学仿真模型,总结悬挂式单轨车辆通过曲线时的受力分布和力矩平衡公式。应用控制变量法分别研究曲线通过速度、导向轮轮轨间隙和导向轮径向刚度对车辆曲线通过性能的影响。仿真结果表明,导向轮径向载荷随曲线通过速度和导向轮轮轨间隙的增大而增大,随导向轮径向刚度的增大而减小。其中,导向轮轮轨间隙对构架的横向加速度影响较大,对车体横向加速度影响较小。     

一系定位刚度对车辆系统一次蛇行的影响分析

车辆系统蛇行运动的2种典型形式是一次蛇行和二次蛇行,又被称为车体蛇行和转向架蛇行。当车辆发生一次蛇行时,车体左右晃动幅度较大,影响车辆运行的平稳性以及乘客乘坐的舒适度。文章利用SIMPACK软件建立了300km/h整车非线性动力学模型,仿真车体一次蛇行失稳情况;结合非线性振动系统的频率俘获原理,研究发现车体一次蛇行是由于在行车过程中转向架的蛇行频率被车体的蛇行频率俘获所引起的。通过改变车辆系统的一系定位刚度,从而改变同等运行速度下转向架的蛇行频率,避开了车体的频率俘获区间,可有效抑制一次蛇行,提高车辆运行稳定性。     

高速铁路钢轨波磨对车辆—轨道动态响应的影响

在对高速铁路钢轨波磨现场调查、测试的基础上,根据铁道车辆—轨道耦合系统动力学理论,建立高速铁道车辆—板式无砟轨道动力学数值分析模型,采用现场测试得到的高速铁路钢轨波磨数据作为系统激励,研究不同深度的钢轨波磨对高速铁路轮轨相互作用、车辆运行稳定性的影响。结果表明:不同深度的钢轨波磨虽不会改变轮轨力波动的相位特征,但随着钢轨波磨深度的增加,轮轨垂向作用力、轮重减载率和轮对振动加速度均有明显增加,而构架和车体的振动加速度增加很小,可忽略不计;高速铁路钢轨波磨虽不影响乘坐舒适度,但会加速车辆簧下部件的伤损和破坏。