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。     

高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究

为研究高速铁路CHN60N钢轨廓形与不同车轮踏面(LMA、S1002CN和XP55)的匹配性能,从轮轨接触几何关系角度分析轮轨接触点、等效锥度和轮轨接触蠕滑率随轮对横移的变化情况,并基于轮轨非赫兹滚动接触理论分析轮轨滚动接触面积和最大法向接触应力分布情况,利用车辆-轨道耦合动力学模型分析车辆运行平稳性、曲线通过能力及轮轨接触点动态分布情况。研究表明:XP55车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能最优;由于曲线通过性能与其他两种型面相差较大,LMA车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能次之;S1002CN踏面与CHN60N钢轨匹配时,由于车辆直线运行舒适性最差,滚动接触时表面疲劳因子明显大于其他两种车轮型面,易导致轮轨表面产生疲劳伤损,综合匹配性能最差。     

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。     

列车系统运行平稳性研究

在车辆动力学模型的基础上,建立由3辆拖车组成的列车动力学模型。建模过程中考虑列车系统中存在的轮轨接触几何关系非线性、轮轨蠕滑率/蠕滑力的非线性、钩缓装置作用力的非线性以及车辆模型一、二系悬挂作用力的非线性等因素。研究车间连接刚度和连接阻尼对列车运行平稳性的影响。仿真结果表明,车间横向连接刚度和横向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响较大,而车间垂向连接刚度和垂向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响很小。在列车中的相邻两车之间安装横向减振器能够有效地提高列车的横向运行平稳性,并能够改善列车的垂向运行平稳性。仿真结果还发现,在转向架悬挂参数相同的情况下,单一车辆的运行平稳性指标大于列车的运行平稳性指标。     

地震作用下铁路货车运行安全性研究

为研究地震作用下铁路货车运行安全性,建立车辆-轨道耦合动力学模型,将地震波简化为周期性的横向正弦波,以外部激励的形式施加于轨枕,并分析地震条件下钢轨廓形、轮轨摩擦系数对车辆动态响应和运行安全性的影响。计算结果表明:地震波频率与车体侧滚频率接近时易引起车体共振,严重影响车辆运行平稳性;相同地震条件下,车辆在60kg/m钢轨上运行的脱轨系数、轮轴横向力、轮重减载率、车轮抬升量以及轮轨相对横移均较60N轨大;同时,轮轨摩擦系数越小,车辆脱轨危险性越大。     

地铁小半径曲线钢轨波磨影响因素分析

针对地铁线路普遍存在的钢轨磨耗现象,从轮轨蠕滑力和磨耗功率的角度研究地铁小半径曲线钢轨波磨问题,并利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆-轨道动力学耦合模型对地铁曲线地段上车辆运行速度和曲线半径对轮轨磨耗的影响进行动力仿真计算和分析。分析计算结果表明:车辆运营速度不宜过低,为降低轮轨磨耗、保证行车安全及运力需求,最高运营速度定为60～70 km/h为宜;曲线半径对钢轨磨耗功率影响较大,在符合城市规划等决定因素的要求下地铁线路曲线半径尽量大于500 m,可以实现良好的运行效果。     

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。     

牵引力对机车车轮轮轨黏着性能的影响分析

为了解机车在牵引工况下轮轨的蠕滑特征,本文采用线性蠕滑理论和非线性修正方法,推导出轮轨接触的蠕滑力公式,结合磨耗型踏面的轮轨接触几何特征,采用Simpack多体动力学软件建立DF8B型三轴转向架机车动力学模型,进行动力学仿真验证。研究发现:传统转向架机车在牵引工况通过曲线时,导向轮对外侧车轮轮缘根部接触钢轨,总的蠕滑力处于饱和状态;当轮轨接触总的蠕滑力饱和时,牵引力会引起轮轨接触界面的纵向和横向蠕滑力重新分配,牵引力越大,纵向蠕滑力越大,横向蠕滑力越小。惰行工况下导向力矩最大,随着牵引力的增加,导向轮对的导向力矩逐渐减小。     

钢轨打磨对小半径曲线车辆动力学特性分析

选取某线路2条磨损较为严重的500m半径曲线钢轨(曲线A及曲线B)作为研究对象,进行针对性打磨方案设计,并采用多体动力学软件UM建立车辆-轨道多体系统动力学模型,研究分析钢轨打磨对小半径曲线车辆动力学特性影响。结果表明:打磨后钢轨廓形得到改善,轨面波磨及掉块得到较好整治,曲线A及曲线B钢轨质量指数TQI均有显著下降,最大值分别下降32.40%、23.49%;打磨后曲线A及曲线B等效锥度显著降低,当横移量为0～10mm内,等效锥度均在0.15以下;曲线A及曲线B左右股与车轮接触区域相对打磨前更加均匀,3点接触得到较好处理;打磨后1～8位车轮与曲线A及曲线B钢轨廓形接触时接触斑内纵/横向蠕滑率最大值、磨耗功最大值、轮重减载率最大值均有显著降低,轮轨接触关系、轮轨磨耗及车辆运行安全性得到较好的改善;同时,车辆通过曲线A及曲线B时车体垂向/横向加速度频率及幅值降低,横向/垂向加速度最大值分别减小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%,车辆运行稳定性得到提升。     

地铁小半径曲线钢轨型面打磨技术及评价＊

为了解决地铁小半径曲线钢轨非正常磨耗问题、延长曲线段钢轨使用寿命、保障列车运行的安全性和稳定性,通过实测分析小半径曲线钢轨型面数据的磨耗特点及其接触变化,设计出适用于小半径曲线轨道的钢轨打磨型面(Opt-60型面).建立地铁B型车动力学模型和轮轨接触有限元模型,分别对不同打磨型面在整个维护周期内的钢轨性能进行仿真计算.计算结果表明:相对于CN60打磨型面,Opt-60型面的打磨量减小了 44.2％,打磨深度减小了 0.646 mm;在维护周期内Opt-60型面的轮轨横向力和脱轨系数都有明显改善,安全系数有所提升,且横向平稳系数与垂向平稳性系数均得到提高;在一定列车通过量下,Opt-60型面的轮轨接触面积比CN60打磨型面的轮轨接触面积大14.63％～27.13％,接触应力减小19.27％～27.97％.计算结果已明显表明,Opt-60型面能有效减缓钢轨磨耗、抑制钢轨疲劳,还能提高列车运行的安全性和平稳性,优化了列车的动力学性能.     

轮/轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响

为研究轮轨关系对高速铁路车辆动力学性能的影响,选择中国车轮踏面LMA与钢轨断面CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP-ARC与钢轨断面JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002与钢轨断面UIC60,应用AD-AMS/Rail软件,考虑轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm的情况,计算分析高速客车的临界速度、脱轨系数、车辆运行平稳性以及车辆稳态曲线通过的轮轨磨耗指数。车辆动力学仿真计算中均采用基于先锋号客车基本参数建立的车辆动力学模型。分析轮轨几何参数对高速车辆运行平稳性和稳定性的影响,结果表明:增大轮对内侧距可以改善舒适性,减小磨耗,提高临界速度。     

重载货车作用下固定辙叉心轨磨耗分析

针对大秦铁路75kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉心轨处的磨耗问题,基于Kalker简化理论,建立车辆-道岔系统动力学模型。分析比较重载C80型货车侧向通过道岔辙叉区时,不同车轮和道岔型面匹配下的轮轨蠕滑力、轮轨接触斑面积、车轮滚动圆半径与车轮磨耗功率间的关系以及轮轨型面匹配程度和变化规律。结果表明:当车辆从翼轨行进到心轨时,其标准车轮滚动圆半径的突变值在4~5mm之间,相对于标准车轮,磨耗车轮的值降低了50%,对心轨的垂向冲击较小;轮对由翼轨过渡到心轨时,其左右磨耗车轮的滚动圆半径差值小于标准车轮,磨耗车轮的纵向蠕滑力相对标准车轮减低了45%~63%;磨耗功率大小与车轮滚动圆半径以及轮轨型面匹配程度有关。     

高速客车转臂式轴箱定位转向架曲线通过特性

为研究高速客车转臂式轴箱定位转向架通过曲线时的蠕滑导向性能,基于多体系统动力学及车辆的稳态曲线通过理论,分析曲线上轮对的受力特点,采用动力学软件SIMPACK计算转向架高速通过曲线轨道时的导向蠕滑力,研究转臂结构参数对转向架运动状态和轮轨蠕滑力的影响。计算结果表明,转向架以欠超高状态通过曲线时,随着转臂长度和相对于轨面倾角的增加,转臂回转导致前轮对正向摇头角明显增大,产生更大的轮轨横向蠕滑力,使轮对向曲线内侧偏移,轮对横移量逐渐由负值变为正值;后轮对正的摇头角则不断减小,横向蠕滑力随之下降,受前轮对影响,后轮对向曲线内侧移动;转臂长度超过0.2m后,转臂长度及倾角均会对转向架曲线通过性能产生明显的影响。     

基于轮轨蠕滑最小化的钢轨打磨研究

根据对轮轨蠕滑形成机理的研究,指出轮轨接触的滚动半径差是影响轮轨蠕滑的重要参数;利用车辆动力学软件NUCARS和选用不同钢轨廓形,仿真计算滚动半径差对轮轨关系的影响,据此提出应通过钢轨打磨,消除或减弱轮轨蠕滑,从而实现轮轨关系的改善,达到延长钢轨使用寿命的目的.理论计算和现场钢轨打磨试验表明,在大秦重载铁路实施钢轨打磨后,滚动半径差减小,钢轨的廓面形状与车轮形成贴合型接触,降低了轮轨蠕滑力和横向力以及轮轨滚动阻力,改善了轮轴转向特性,使钢轨的平均侧磨减少了将近50％,钢轨的通过总重从9×108 t增加到15×108 t以上.     

径向转向架地铁车辆动力学性能及车轮损伤研究

为研究地铁车辆的动力学性能,分析了径向机构的导向原理,建立了传统、自导向、迫导向3种地铁车辆动力学模型,并根据车轮滚动接触疲劳损伤模型对车辆通过曲线时的车轮损伤进行计算。计算结果表明:车辆径向机构加强了车辆部件间的连接,优化了车辆稳定性及横向平稳性的指标;迫导向车辆在曲线运行时具有较大优势,且各项评价指标均优于自导向车辆;3种车辆模型运行于相同线路时,迫导向车辆车轮损伤值最小,在曲线半径为300 m时仅为传统地铁车辆车轮损伤的21%,自导向车辆与传统车辆的车轮损伤较大,且随着曲线半径的增大自导向车辆车轮损伤小于传统车辆。地铁车辆安装迫导向机构可以有效地减小轮轨间作用力,减缓车轮损伤。     

60 kg/m钢轨和60N钢轨轮轨接触几何关系对比分析

为揭示我国新研究设计的60N钢轨的轮轨接触几何关系,运用常用的迹线法,以LM型和LMA型车轮踏面为例,对60 kg/m钢轨(简称60钢轨)和60N钢轨轮轨接触几何关系及其对轨底坡和轮对摇头的适应性进行详细研究。结果表明:相比60钢轨,60N钢轨与LM型和LMA型踏面匹配时,轮轨接触点在钢轨上位于钢轨中心位置附近,同时不会在钢轨轨距角附近出现轮轨接触,且在发生轮缘接触前,60N钢轨相比60钢轨对应的等效锥度随着轮对横移量变化很小,说明60N钢轨有效的改善了轮轨接触几何关系;同60钢轨,60N钢轨对于LM型车轮踏面,当轨底坡为1/20时匹配更佳,对于LMA型车轮踏面,当轨底坡为1/40时匹配更佳,而摇头角对60钢轨和60N钢轨的影响基本一致。     

基于轮轨接触关系的高速道岔转辙器钢轨廓形打磨方案北大核心

为提升车辆通过高速道岔时的运行平稳性,基于迹线法建立车轮与道岔钢轨接触几何计算模型,分析车辆通过道岔转辙器时的轮轨接触点对分布特性,发现轮轨接触位置不集中和突变是降低车辆运行平稳性的主要因素。以降低接触突变幅度为原则提出转辙器钢轨廓形打磨方案,并基于轮轨接触几何模型和车辆-道岔多刚体动力学模型,对道岔钢轨打磨的效果进行研究。结果表明:钢轨廓形打磨能有效降低道岔区轮轨接触不平顺和等效锥度,利于提升车辆的运行平稳性;打磨后轮轨横向力、车体横向加速度、脱轨系数的最大值分别降低了39.5%、7.4%、41.7%,该廓形打磨方案对提升道岔服役性能效果明显。     

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。     

基于转向架悬挂参数与踏面锥度优化的高速车辆动力学性能分析

利用多体动力学仿真软件SIMPACK建立包含高速车辆车轮不同踏面和60kg/m钢轨型面的车辆系统动力学模型,研究改变车轮踏面锥度和悬挂参数对车辆动力学性能的影响,并根据计算结果得出一组新的优化参数。结果表明:车辆系统的稳定性主要由轴箱定位刚度和抗蛇行减振器阻尼决定,而舒适性主要由二系垂向阻尼、横向减振器阻尼以及系统垂向刚度决定。对于轮轨磨耗而言,优化后的高速车辆车轮踏面具有较好的耐磨性能,踏面锥度大、对中性好,不易产生较大幅度的横向振动。总体而言,优化后的车轮踏面锥度和悬挂参数在平稳性、稳定性和磨耗方面优于或接近标准参数车辆,验证了其可行性,为车辆结构参数统一化设计提供相应理论依据。     

实测轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响分析

由于铁路系统的开放性，轮轨界面难以避免遭受第三介质(如水、油、雪等)的侵袭，轮轨蠕滑特性将因此改变。为研究轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响，首先，基于最小二乘法原理获得适用于Polach接触模型的参数，以模拟水介质条件下40～400 km/h行车速度范围内的实测轮轨蠕滑曲线；随后，采用SIMPACK多体动力学仿真软件建立车辆-轨道动力学模型，利用FASTSIM算法和Polach模型分别模拟理想条件与实测轮轨蠕滑曲线，以300 km/h运行速度为例，详细对比这两种蠕滑曲线条件下车辆-轨道动态相互作用的差异，并进一步分析运行速度的影响。研究表明：车辆运行速度为300 km/h时，实测轮轨蠕滑曲线对应的轮对横移量和轮对摇头角分别为干态工况结果的1.375倍和3.2倍，进而导致纵/横向蠕滑率明显大于干态工况结果；速度所致轮轨蠕滑曲线的差异对轮轨蠕滑力、脱轨系数以及磨耗指数影响较大，速度为160 km/h时尤为显著。因此，在进行车辆-轨道耦合动力学仿真分析时，有必要考虑实测的轮轨蠕滑曲线。