轮对稳定脱轨准则的研究

通过进行轮对的受力分析，导出了轮对临界脱轨的两个准则，一个为假设轮轨间出现摩擦滑动的经典脱轨表达式，另一个为考虑轮轨间蠕滑力效应的近似解析表达式。实例计算表明，经典方法的计算结果比近似解析方法保守，采用本文提出的解析表达式进行脱轨的判断更为合理。通过计算还得知，减小轮轨摩擦系数、增大轮缘角和减小轮对冲角有利于防止脱轨的发生。     

准静态下轮对脱轨安全限值研究

基于准静态下的三维轮对脱轨分析模型,推导轮对脱轨临界状态下的力学平衡方程,建立同时考虑轮轴脱轨系数和轮重减载率的轮对稳态脱轨评价方法。采用Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕滑理论充分考虑轮轨蠕滑力对轮对脱轨安全限值的影响。结果表明自旋蠕滑率对轮对脱轨安全限值与安全域影响明显,若忽略自旋蠕滑率的影响,计算得到的轮对脱轨安全限值则偏大,使脱轨安全性评价标准变宽松,对车辆脱轨的评价产生不利影响。研究摩擦系数对轮对脱轨安全限值的影响,结果表明降低轮轨间的摩擦系数对车辆脱轨安全性有利有弊,轮轨间过低的摩擦系数也可能引发车辆脱轨,在确定合理的轮轨摩擦系数时应注意权衡车轮爬轨脱轨与滑轨脱轨。     

曲线几何参数对货车转向架曲线通过性能的影响

利用SIMPACK仿真软件建立副构架径向转向架和交叉支撑转向架的动力学模型，并对其动力学性能进行仿真计算，分析比较曲线半径、超高等曲线几何参数对2种转向架曲线通过性能的影响。结果表明：曲线半径和欠超高对径向转向架和交叉支撑转向架的脱轨系数、轮重减载率影响比较接近；曲线半径在400-1200m范围内，自导向径向转向架能有效提高通过性能，明显降低轮对冲角，减缓轮轨磨耗；欠超高对2种转向架轮对冲角的影响近似成线性关系，且其影响程度仅和转向架本身属性相关，与曲线半径无关。指出采用磨耗功率评价欠超高对曲线轮轨磨耗的影响更为合理，因为不仅能反映出磨耗与欠超高的关系，还能反映出曲线外轨超高设置不同时轮轨磨耗的变化特点，这与工程实际中减小外轨超高、设置欠超高有利于降低轮轨磨耗是一致的。     

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.     

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：车辆通过曲线区段时，轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著；轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力，致使脱轨系数增大，尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大；通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数，同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数，提高车辆横向运行安全性；内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定，且随曲线半径增大而减小。     

利用“抗脱轨转向架”改善运行性能

经考查,车辆爬轨脱轨是由于轮重减载变大或轮轨横向力变大而引起的。因此,在技术上通过抑制轮重减小或降低轮轨横向力的途径,均可起到抗爬脱轨的作用。通过这两种技术的组合,也就是在可抑制轮重减小的转向架上加装辅助导向系统,进而开发出兼具抑制轮重减小及降低轮轨横向力两项功能的"抗脱轨转向架"。介绍日本铁道综合技术研究所基于上述思路而研发的"抗脱轨转向架"概况以及性能确认试验的结果。     

冲角对换轨机器人准静态脱轨判别研究

针对换轨机器人脱轨系数具有保守性,轮重减载率作为辅助判别指标却没有统一标准的问题,提出以冲角判别换轨机器人脱轨的判别方法。结合脱轨系数与轮重减载率的定义,引入列车准静态脱轨判别准则,建立轮对力矩准静态模型,构建换轨机器人多参数耦合的脱轨判别式,探究不同摩擦因数、不同轮缘角下冲角与脱轨系数的函数关系以及冲角与脱轨判别式的映射关系式。研究结果验证了理论的正确性,增大轮缘角、降低轮轨间摩擦因数有利于降低脱轨危险性,合理解释了脱轨系数达到脱轨标准时,换轨机器人没有发生脱轨的现象,为换轨机器人准静态脱轨的进一步研究奠定理论基础。     

道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响

为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响，结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法，构建道岔区轮轨多点接触几何模型，并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性；在测试长期服役过程中真实车轮型面和道岔变截面钢轨廓形的基础上，研究不同服役阶段下轮轨廓形演变对接触点分布、滚动圆半径差和侧滚角的影响，进而分析轮轨接触几何关系和轮轨力过渡特性。结果表明：随着道岔通过总重的增加，轮轨接触点从基本轨提前迁移至尖轨；磨耗会导致轮轨接触点发生跳跃、分布不连续，从而显著增加轮轨间动态相互作用；随着磨耗进一步加剧，轮对侧滚角最大值从0.04 mrad逐渐减小至0 mrad并最终出现负值；轮轨垂向力和车体加速度从86.643 kN和0.032 m·s^-2分别升至101.466 kN和0.038 m·s^-2后，脱轨系数和轮重减载率对应从0.433和0.215分别升至0.505和0.247，显著降低了列车行车平稳性和安全性。     

横风对货车通过高墩桥梁行车安全性的影响分析

在对国内外研究成果进行简要介绍和分析的基础上,本文按一系悬挂和变摩擦阻尼建立货车的动力计算模型;轮轨作用力采用Kalker的线性接触理论并按Vermeulen-Jnhnson的非线性理论对其进行修正的方法;作为车桥系统外部激励的抖振力的时域随机风荷载按Shinozuka理论进行模拟。以某高墩连续梁刚构桥为对象,对考虑横风作用时货车的行车安全性进行了对比分析。计算结果表明：在横风作用时,背风侧的脱轨系数和轮轨作用力增加,轮重减载率减小,迎风侧的脱轨系数和轮轨作用力有所减小,轮重减载率增加;与无风时相比,横风的作用将导致车辆的行车安全性较为不利,这一结论与文献[2]的试验结果基本一致。     

30t轴重重载列车轮轨法向接触应力分析

轮轨接触应力对轮轨磨耗和滚动接触疲劳影响较大,因此精确计算轮轨接触点与接触应力非常重要。本文基于重载铁路轮轨标准型面,利用改进的轮对轴向切片投影法,准确找到轮轨多点接触。引入弹性压缩量,找到接触斑,利用一种精确计算轮轨接触应力的方法求得轮轨法向接触应力,并考虑轮轨摇头角和侧滚角的影响。结果表明:该方法在寻找轮轨多点接触与计算轮轨接触应力时结果较为准确、直接和全面;轮轨接触斑随着轮对横移和摇头角变化,呈现非椭圆形状;一侧车轮轮缘和轨距角处接触,曲率半径较小,轮轨法向接触应力最大值可达3 400MPa,而另一侧轮轨的法向接触应力均小于2 000MPa。在轮对横移量为0~3mm时,摇头角的增加使右轮轨接触斑面积减小,相应的接触应力增大;在轮对横移量为4~9mm时,摇头角的增加使右轮轨接触斑面积增大,相应的接触应力减小;摇头角的增加对左轮轨接触状态有利,但影响不明显。     

机车牵引状态下曲线通过导向特性研究

考虑车轮与钢轨的运动特性及轮周牵引力,推导出机车在牵引状态下通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并对曲线通过时的轮轨横向动态相互作用特性进行仿真计算与分析;同时研究牵引力大小对转向架导向性能的影响,对比分析了机车牵引与惰行状态下的导向性能。理论仿真分析结果表明:牵引力可以改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向,与惰行工况相比,牵引状态下的轮对导向力矩有所减小,轮对的自导向能力减弱,不利于曲线通过;提高牵引力,总轮轨蠕滑率将很快达到饱和状态,牵引力越大,轮轨纵向蠕滑力越大,两侧纵向蠕滑力差值越小,机车轮对自导向能力越差,轮对冲角增大,而轮轨横向蠕滑力越小;当牵引力增加到一定程度时,总轮轨蠕滑率超过极限状态,曲线通过时两侧轮径差太小而出现打滑和空转的现象。     

高速车辆动态脱轨临界状态评判方法

针对传统准静态脱轨系数指标监测高速车辆动态脱轨安全性时的局限性,提出基于车轮抬升量和轮对横移量、以轮对运动姿态决定的脱轨临界状态判断准则;建立高速车辆多刚体动力学模型,分析高速车辆动态脱轨非线性动力学特性,研究轮对运动姿态与车辆振动响应变化规律之间的关系,表明轮对横向振动加速度与车轮抬升量规律较一致;运用高速车辆动态脱轨评判方法进行评判时,首先采用轮对横向振动加速度移动均方根值作为评判车辆脱轨的指标,然后确定该指标能有效反映车轮抬升量变化时的滤波频率范围和滤波时间窗宽,最后确定该指标的合理限值。算例验证表明:该评判方法可有效监测动态脱轨安全性;轮对横向振动加速度移动均方根统计波形与车轮抬升量的变化趋势具有很高的同步性,不仅可以间接地反映轮对运动姿态的变化及车轮抬升的高度,还可以克服轮轨垂向力为零时脱轨系数失真的缺点,在评判高频动态脱轨时的可靠性更高。     

轮对柔性对车辆动态曲线通过性能的影响研究

为了研究车辆系统中轮对的弹性效应对车辆动态曲线通过性能的影响,运用多体系统刚柔耦合动力学理论,通过有限元软件ANSYS将轮对柔性化处理后导入多体动力学软件UM中,建立考虑轮对为柔性的某型高速车辆刚柔耦合动力学模型,研究轮对柔性对高速车辆动态曲线通过的各项安全性能指标及平稳性的影响,对比分析不同工况下轮对刚性与柔性对高速车辆动态曲线通过时的动力学响应。结果表明:刚柔耦合动力学模型的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和垂向平稳性指数较多刚体动力学模型均有不同程度的降低,而轮轨接触角、轮对侧滚角位移和横向平稳性指数较多刚体动力学模型有所升高。考虑轮对的弹性效应对车辆动态曲线通过性能有一定的影响,柔性轮对较刚性轮对更能真实地反映车辆系统的动力学性能。     

根据车轮抬升量评判车辆脱轨的方法与准则

分析比较了目前国际上常用的车辆脱轨评价标准的特点及其不足，指出我国现行国家标准GB5599-85评判车辆脱轨所存在的突出问题，在此基础上提出直接根据车轮抬升量评判脱轨的原理与方法，运用车辆-轨道耦合动力学理论，对单轮对爬轨脱轨和跳轨脱轨过程进行了计算仿真，得出脱轨系数超限时间与车轮抬升量之间的关系，提出最大允许超限时间为35ms的安全准则，并进行了实际线路工况下整车轮轨相互作用脱轨仿真验证，最后提出针对我国车辆脱轨评判的建议标准及其实施细则。     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

采用不同车轮耦合方式的轮对纵向振动分析

针对传统轮对、独立旋转车轮及弹性阻尼耦合轮对,利用Matlab编制了仿真程序,采用卡尔克简化理论FASTSIM分析了不同模式轮轨系统的纵向振动特性。认为不同模式轮轨系统的纵向振动情况的不同是由其左、右轮的不同耦合方式引起的。     

连续测力轮对的数字试验研究

利用现车辐板轮制作连续测力轮对是当今轮轨力测量的一个趋势。然而，在试验室完成测力轮对的贴片与标定是一件十分费事的工作，而且最佳的贴片位置也不容易找到。现提出以有限元为基础的计算机仿真方法，分别对在垂向、横向载荷作用下的车轮辐板上的应变分布进行计算，并和试验结果进行比较，计算机仿真结果和试验结果吻合较好，进而分析计算不同的垂向及横向加载点对车轮辐板观测点应变的影响，寻找最佳贴片位置。这种计算方法可以大大缩短测试轮对的设计及标定周期，寻找最佳贴片位置，提高轮轨力的测试精度。     

基于Wiener过程的城市轨道交通车辆轮对可靠性评估

为探究城市轨道交通（简称：城轨）车辆轮对的轮径值退化规律,有效评估轮对可靠性,提出基于Wiener过程的城轨车辆轮对可靠性评估方法。选取轮径值作为性能退化指标,建立基于Wiener过程的城轨车辆轮对退化模型。通过计算轮对剩余寿命,选择精度最高的退化模型进行可靠性评估。针对退化模型参数后验分布计算公式较为复杂的问题,采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC,Markov Chain Monte Carlo）方法进行求解。基于广州地铁8号线列车轮对实测数据进行实例验证,结果表明,城轨车辆应保证轮对可靠度不低于0.9,且在镟修后运行至27.51万km时,应检查轮对退化情况,以保障车辆的运行安全。     

轨道不平顺对轮对纵向振动影响分析

轮对纵向振动问题是一个长期以来被忽略的内容,研究发现轮对纵向振动虽然对整车的横向稳定性影响不大,但却对整车的垂向动力学性能和轮轨动态作用力有很大的影响。进一步分析发现,剧烈的轮对纵向振动,与轨道的横向和高低不平顺有关。在光滑的轨道上不会发生纵向共振。提出通过改变一系垂向减振器的布置方式可以抑制轮对的大部分纵向振动,减小轮轨动态作用力,延长轮对和钢轨的使用寿命。