基于仿真的铁路车轮不圆度安全限值研究

为了研究高速列车车轮踏面不圆度的安全限值,基于车辆轨道垂横向耦合动力学理论,采用车辆动力学仿真分析软件ADAMS/Rail,建立了考虑车轮非圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型。分析计算高速运行状态下常见车轮踏面不圆顺问题所导致的车辆轨道系统轮轨冲击振动特征,及其随列车运行速度的变化规律,给出了车速200~350 km/h时轮轨作用力响应峰值与车轮不圆度之间的关系,确定了高速行车条件下车轮不圆度的临界范围。该研究可为基于轮轨作用力监测的车轮不圆顺状态识别提供理论指导。     

高速列车车轮不圆顺磨耗仿真及分析

为了研究高速列车车轮不圆顺磨耗的发展规律及其对动力学性能的影响,建立车辆-轨道系统动力学和车轮圆周磨耗预测相结合的耦合模型。模型中考虑了车辆系统的一、二系非线性悬挂力、轮轨非线性接触几何关系和非线性蠕滑力,并考虑了轮对的一阶弹性弯曲和扭转振动。轨道模型包括基于Euler梁的弹性钢轨和刚性轨枕。假设车轮型面不发生变化,只有车轮圆周方向不圆度发生变化,并假设车轮不圆顺的发展由磨耗引起。采用Herzt接触弹簧计算轮轨法向力,采用迹线法实时计算轮轨接触几何关系。通过数值仿真研究车轮不圆顺对车辆动力学性能的影响和不圆度的扩展规律。计算结果表明,车轮不圆顺会引起较大的轮轨垂向力,并与车轮不圆顺的谐波阶数、波深和车速有密切关系。由于车轮不圆顺引起的振动频率一般较高,车体平稳性指标对其不一定很敏感,但会增大车体振动响应,影响乘坐舒适性。在车轮初始不圆顺的情况下,随着运行距离的增加,车轮会因磨耗而加剧其不圆顺。轨道激扰不会掩盖车轮不圆度的扩展规律。     

高速铁路轮轨冲击振动的特征及其控制原理

高速行车条件下，轮轨间的冲击振动显著增强，成为不容忽视的问题。本文应用车辆－轨道耦合动力学理论，并借助于所编制的轮轨相互作用仿真软件ＶＩＣＴ分析系统，详细研究了钢轨焊接接头，波浪形磨耗钢轨、擦伤车轮、偏心轮以及不圆顺车轮等常见轮轨激扰所导致的轮轨冲击振动在高速行车条件下的形态特征，给出了各类冲击振动随列车运行速度的变化规律。在此基础上提出了控制高速铁路轮轨冲击振动的一般原则。     

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。     

地铁车辆轮对不圆度规律及成因分析

车轮不圆(又称"车轮多边形磨损")是轨道交通车辆车轮的主要损伤之一,不仅会引起车辆与轨道的剧烈振动,产生噪声污染,影响乘坐舒适性,而且其导致的循环冲击载荷会缩短车辆和轨道零部件的寿命,从而增加运营成本。通过对某地铁线路轮对不圆度情况进行调查分析,对不同区间轮轨状态、匹配及正线车辆振动特性进行抽样调查,初步判断该线路轮对不圆度的异常发展与线路固有频率、钢轨焊接接头不平顺相关。理论分析后,以对比试验的形式对钢轨焊接接头不平顺问题进行验证,并针对这一问题以及相关的闸瓦修形、车辆启动加速度问题提出后续改进建议。     

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。     

钢轨重型化对轮轨系统动力响应及动力传递的影响

运用能量法建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合大秦线轨道结构力学参数,分别计算分析了45,50,60和75 kg/m共4种钢轨支承下轮轨系统各结构的动力响应,研究钢轨重型化对轮轨系统动力特性的影响。研究发现:钢轨重型化对车辆系统的动力响应影响较小,而对轨道结构和路基的影响显著;随着钢轨质量及抗弯刚度的增大,车体位移、车轮加速度、轮轨力、钢轨位移、扣件力、轨枕振动位移及枕下支承力降低,车体加速度、钢轨加速度先增大后减小,轨枕加速度增加。     

基于梯形轨枕轨道振动特性的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,研究减振轨道钢轨波磨产生原因。利用仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,分析车辆通过速度与轨道结构振动频率的关系以及弹性轨道结构共振特性,得到梯形轨枕轨道钢轨波磨可能形成原因。研究结果表明:在振动频率230 Hz(R1 200 m)、225 Hz(R2 000 m)以及211 Hz(R3 000 m)处,内侧钢轨与梯形轨枕出现更为明显的共振现象,仿真计算波磨波长和现场实测数据接近;对比相同曲线半径下的普通轨道和梯形轨枕轨道振动频率的分布情况,得出钢轨波磨与轨道结构固有振动特性有关。轨道结构固有振动特性及车辆曲线通过速度是造成钢轨波磨形成的关键因素。     

提升钢弹簧浮置板轨道稳定性的抑振调频装置研究

在轨道板上安装抑振调频装置是提高钢弹簧浮置板轨道稳定性的有效措施。基于有限元方法与车辆-轨道耦合动力学理论，建立考虑抑振调频装置的车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型，计算分析抑振调频装置刚度、阻尼和预紧力3个关键参数对钢弹簧浮置板轨道自身稳定性、减振效果及行车平稳性的影响。结果表明：抑振调频装置可有效抑制浮置板轨道振动，调节轨道板固有频率；轨道板位移频响幅值随抑振调频装置刚度、阻尼的增大呈指数规律减小，受预紧力影响不明显，当刚度在0～10 kN·mm^-1、阻尼在0～100 kN·s·m^-1范围变化时，抑振调频装置的调节效果显著且易实现；增大抑振调频装置的刚度、阻尼和预紧力均可有效降低轨道系统和车辆的振动加速度，但各自的作用不同，刚度最为明显，其次是阻尼，预紧力较小；在钢弹簧浮置板轨道上设置刚度为6.5 kN·mm^-1、预紧力为2 kN、阻尼为60 kN·s·m^-1的抑振调频装置后，基底加速度较减振扣件轨道和未安装抑振调频装置的浮置板轨道分别降低了74.5%和15.6%，有效提高了轨道系统的稳定性。     

铁路桥上减振CRTS-Ⅲ型无砟轨道振动响应及车辆平稳性分析

为了研究桥上减振CRTS-Ⅲ型无砟轨道对车体系统和轨道系统振动影响,分析车辆的平稳性指标,基于车辆、轨道系统二维模型,利用动柔度法分别计算车辆、轨道系统的动柔度,建立频率域的车辆-轨道-桥梁耦合模型;计算车辆及轨道系统的振动加速度并分析其规律,计算不同轨道系统下车辆的平顺性指标。研究结果表明:与常规CRTS-Ⅲ型轨道相比,采用橡胶减振垫刚度为0.018 N/m3的减振轨道系统下峰值轮轨力减小,车轮、转向架振动加速度分别降低13.6%和52.6%,车体在1～20Hz范围内振动变化不大;钢轨、轨道板的振动加速度增大1.69和2.68倍,桥梁的振动加速度减少69.9%;车辆的平顺性指标分别为2.70和2.61,车辆平稳性指标降低4%。与常规CRTS-Ⅲ型无砟轨道相比,减振CRTS-Ⅲ型无砟轨道下车辆系统各构件的振动加速度有不同程度的降低,轨道系统中,钢轨和轨道的振动加速度增大,桥梁振动加速度降低。车辆的平稳性指标降低,乘客的舒适性有一定程度提高。     

中低速磁浮圆曲线钢箱梁桥车致振动响应研究

随着圆曲线钢箱梁桥在城市交通中的应用愈发广泛,为探究其在中低速磁浮车辆运行作用下的振动响应特性,基于多体动力学和有限元方法建立车辆-轨道-钢箱梁刚柔耦合动力学模型,采用动态电磁阻尼力影响的二维磁轨关系,并考虑轨道关键部件的参振作用,分析圆曲线段钢箱梁的振动特性,探讨钢箱梁板厚、车辆速度及车体质量对钢箱梁振动响应的影响。结果表明：受曲率影响,钢箱梁在发生弯曲的同时亦会伴生扭转,产生弯扭耦合振动;钢箱梁的振动主要由10～20 Hz的钢箱梁整体弯曲振动、30～40 Hz的钢箱梁扭转振动以及50～70 Hz的轨道局部振动引起;计算得到的钢箱梁跨中横向及垂向最大挠度分别为1.26 mm、3.88 mm,均满足相关标准要求,钢箱梁具有足够的支撑刚度;各工况下的垂向加速度均未超过5.0 m/s²的限值,且最高达到2.2 m/s²;在板厚10 mm以及超员载荷工况下,横向加速度大多超过1.4 m/s²的限值,且最高达到4.0 m/s²;车辆速度的减小和车体质量的增加均会放大弯扭耦合作用影响,而板厚的增加则能够有效降...     

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30～100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1 000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。     

动车所小半径曲线脱轨安全性研究

车辆以较低的速度通过小半径曲线时常会发生脱轨事故,为了研究动车组在动车所内小半径曲线脱轨的特性,应用多体动力学软件建立了8辆编组的CRH5型动车组仿真模型,考虑了悬挂参数和车钩缓冲装置的非线性特性。在某动车所半径250m的曲线进行了仿真模型的验证试验,应用MiniProf钢轨廓形仪和轨道几何状态测试手推车分别测试了钢轨磨耗和线路的轨道几何状态,将其作为仿真模型的输入参数;在钢轨轨腰粘贴应变片,利用应变片测试原理进行地面轮轨垂直力和水平力测试,应用现场测试数据对仿真模型进行验证,发现计算结果与试验结果吻合较好。应用该仿真模型分析了曲线连续正矢差、轨道几何状态及轮轨型面对车辆脱轨的影响,结果表明:(1)曲线连续正矢差对脱轨系数和横向力影响较大,对轮重减载率影响较小;(2)新车轮与磨耗钢轨接触时的脱轨系数增大约40%;(3)较大的轨道高低不平顺容易引发车辆爬轨脱轨,应严格控制小半径曲线外股的高低偏差;(4)对于CRH5型动车组,由于5车质量较轻,5车的车轮抬升量较其他车增大约35%,使得通过曲线的脱轨安全裕度减小。     

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。     

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。     

地铁轨下胶垫参数对轨道垂向振动影响研究

以往地铁线路轨下结构研究过于简化,只考虑轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,没有综合考虑刚度和阻尼参数对轨道结构动力学性能的影响。在车辆-轨道耦合系统动力学理论基础上,运用动力学软件SIMPACK建立地铁车辆-板式无砟轨道模型,分析轨下弹性垫板刚度在30~70 MN/m,阻尼在60~80 k N·s/m范围内变化对板式无砟轨道结构动力学性能的影响。研究显示,轨下垫片刚度敏感的动力参数顺序为轨道板垂向加速度、钢轨垂向加速度、轨道板垂向位移、钢轨垂向位移和轮轨力。     

地铁小半径曲线段钢弹簧浮置板轨道的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,开展地铁钢轨波磨形成机理的研究。利用多体动力学仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,研究车辆-轨道系统动力学性能以及弹性轨道系统振动特性对波磨形成的影响。研究结果表明:车辆通过曲线半径300m的钢弹簧浮置板轨道时,产生欠超高的速度以及降低曲线超高均可以降低轮轨间作用力;内侧钢轨的轮轨磨耗指数和横向蠕滑力均大于外侧,尤其在速度为55km/h时,无论轮缘是否贴靠钢轨,内侧钢轨所受应力均相对较大,造成内轨磨耗加剧;从曲线内外侧钢轨和轨道板频谱特性可知,内侧钢轨与轨道板发生共振现象所对应的频率140Hz与现场测试得出的通过频率139Hz相接近。轮轨间横向滑动造成的钢轨磨耗和轨道结构的垂向振动可能是造成曲线钢轨波磨的主要原因。     

城市轨道交通高架桥上钢轨扣件间距研究

本文运用车辆—轨道垂向耦合动力学,借助于ANSYS/LS-DYNA建立了车辆—轨道—桥梁垂向耦合模型.其中车辆子系统的车轮与钢轨之间采用轮轨接触,由赫兹非线性弹性接触理论确定等效线性接触刚度,选择焊接不平顺进行计算,文中选取0.60 m,0.62 m,0.64 m,0.67 m,0.70 m5种城市轨道交通高架桥上扣件间距的轨道结构进行动力学对比计算.研究结果表明,当扣件间距为0.67 m时,各项指标都处于波谷值附近,综合考虑车体加速度波峰值、钢轨的最大垂向加速度和位移、道床板的最大垂向加速度和位移,再结合以钢轨安全性为主,列车舒适性与经济效益为辅的原则,建议扣件间距取0.65～0.68 m.     

轮轴激振装置

<正>运行中的铁道车辆之所以会产生车体垂向弹性振动,主要是因为轨道的高低不平顺引起的振动,由车轮与钢轨的接触位置传输到转向架,并传递到车体所致。为再现车体垂向弹性振动,日本铁道综合技术研究所制作了对轮轴位置的激振装置——轮轴激振装置。图1所示为轮轴激振装置的概况及试验时的状况。图2所示为设置了本装置的高频车辆激振试验装置。高频车辆激振试验装置内的地坑钢轨上,设置切口,被激振的轮轴由于钢轨形状相同的激振装置的支承部(图1-a的模拟钢轨)支承