高速列车型面不同磨耗状态下的过岔性能研究分析

基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,以国内某型号动车组和客运专线18号道岔为对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,分别计算与分析高速列车车轮磨耗状态下轮岔作用及对车辆过岔动力学性能相关问题。模型中考虑了车辆悬挂力元非线性、轮轨接触几何非线性特性等非线性因素,采用更贴合实际的轮轨非椭圆多点接触算法研究高速列车不同运营里程下的型面磨耗对列车通过道岔区间的动力学性能影响。结果表明:型面磨耗会导致轮轨垂向力增大,横向力减小;对车体、构架和轮对垂向振动特性影响大于横向振动特性;对脱轨系数影响较小,对磨耗功率和轮重减载率影响较大;对道岔钢轨振动特性影响横向大于垂向。     

国外有轨电车小半径曲线轮轨动力学及减磨优化分析

结合埃塞俄比亚有轨电车项目,基于低地板有轨电车结构特性和轮轨关系建立对应的非线性嵌入式轨道车线耦合动力学模型,计算不同曲线半径、轮轨摩擦系数、车辆轮重、车辆通过速度等参数对钢轨磨耗的影响规律。结果表明:车辆通过总重和通过速度与轮轨动态响应及磨耗呈正相关,随着通过总重和速度的增大,轮轨磨耗显著增加;随着摩擦系数增大,横向力减小但磨耗增大;适当增大曲线半径能够有效改善轮轨接触状态,优化列车通过曲线的性能。     

对轮轨润滑剂粘着特性的评价

指出铁道机车车辆通过小半径曲线时在轮轨间会产生较大的横向作用力，该作用力是导致机车车辆脱轨以及外轨轨头内侧面磨耗、内轨轨顶面波状磨耗和车轮轮缘垂直磨耗的主要因素之一。轮轨间发出的碾压声响还会对周围环境造成噪声污染。使用轮轨润滑剂有助于减小该横向作用力。文中介绍了4种不同类型轮轨润滑剂粘着特性评价试验的条件、方法和结果等。     

廓形打磨对小半径曲线钢轨受力状态的影响

为了研究钢轨廓形打磨对小半径曲线轮轨关系和作用力的影响,对成渝铁路钢轨打磨前后的轮轨接触关系开展分析,对车辆轮轨作用力进行现场测试。测试结果表明:钢轨廓形打磨后,货运列车和客运列车通过小半径曲线时的轮轨垂向力均值降低幅度分别达到13.8%和8.4%,轮轨横向力均值降低幅度分别达到19.7%和33.5%,脱轨系数均值降低幅度最大分别达到16.0%和7.4%,轮重减载率均值降低幅度最大分别达到23.1%和27.3%;钢轨打磨后的轨面状态得到有效改善,轮轨接触分布更为合理。钢轨廓形打磨可有效提升列车曲线通过性能,对于轮轨关系和钢轨受力状态的改善具有重要意义。     

道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响

研究磨耗车轮通过道岔辙叉区的轮轨相互作用特性及控制摩擦因数减缓轮轨磨耗的措施,以CRH2型动车组和18号高速道岔辙叉区为研究对象,基于迹线法原理,计算不同运行里程的磨耗车轮与辙叉区钢轨特征截面的接触点分布。采用UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski的轮轨接触算法,计算不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗特性。研究结果表明：随着车轮磨耗加剧,岔区轮轨匹配趋向不良,接触点跳跃更为复杂、剧烈,跳跃宽度增大;车轮磨耗初期,轮轨动力学特性有所改善,车轮磨耗对横向力的影响较大;相对于标准新轮,运行里程为20.3万km的磨耗车轮通过辙叉区的轮载过渡位置延后0.134 m;减小轮轨摩擦因数会降低列车通过辙叉区的安全性和平稳性,但有利于减缓轮轨磨耗;当车轮运行里程达到20.3万km时,摩擦因数由0.55分别降低至0.45,0.35,0.25和0.15,钢轨磨耗指数分别下降6.3%,15.5%,34.0%和49.8%,钢轨润滑有利于减缓辙叉区钢轨磨耗,提高道岔区钢轨的使用寿命。     

铁路矩形墩桥梁横向振动试验研究

通过对京通线银镇沟桥的现场振动测试 ,得到该桥的横向振动特性 ,给出桥上列车轮轨作用力的典型时程曲线和列车的脱轨系数及轮重减载率 ,为进一步研究矩形桥墩的横向振动提供实测数据。     

通过控制轮轨摩擦降低重载铁路轮轨作用力的研究

神朔铁路的万吨列车运营已经常态化,运量逐年增加,列车与钢轨之间的横向作用力越来越大,车辆和轨道结构有加速损伤的趋势,给运营安全带来隐患。为了从根源上解决神朔铁路轮轨作用力大的问题,引入了通过控制轮轨摩擦来优化轮轨接触界面的新技术,并开展了试验验证。测试结果表明:采用摩擦控制技术之后,轮对横向力C64降低约42%～46%,C70降低约25%～35%,C80降低约37%～43%;脱轨系数C64外轨、内轨分别降低约20%,29%,C70外轨、内轨分别降低约29%,35%,C80外轨、内轨分别降低约14%,23%。     

构架报警动车组运行稳定性的线路试验研究

服役动车组多次出现构架失稳报警。为评估报警时的运行安全,制定对应措施,组织了专项试验,采用轮轨力的试验方法研究构架报警时的运行稳定性和横向稳定性问题。通过将报警车轮制作成测力轮对,测试构架报警时的轮轨作用力和振动特性;通过建立仿真模型,开展计算分析,结合线路测试数据统计,综合分析构架横向失稳时的列车运行安全性。通过长期跟踪动车组车轮踏面磨耗状态,分析轮轨等效锥度与构架报警关系,提出了根据轮轨等效锥度实施动态旋修,减少构架报警的措施;结果显示:动车组构架报警时,列车有一定的安全裕量;在线路条件不变的情况下,轮轨等效锥度超过0.35mm后易出现构架报警,根据轮轨等效锥度可以评估服役动车组的横向稳定性,根据轮轨等效锥度实施动态旋修可有效减少构架报警。     

轮轨激励下高速列车齿轮箱箱体振动特性分析研究

齿轮箱装置作为高速动车组牵引系统的重要传动设备,在运用过程中承受来自于轮轨激励的冲击作用。为探索高速列车齿轮箱箱体在轮轨激励下的振动特性,在武广客运专线对箱体进行线路试验,获得箱体在新轮和磨耗轮2种状态下的振动特性,并通过加速度幅值谱和定义等效加速度幅值的方法对比分析振动信号。试验结果表明,箱体在列车磨耗轮状态下的加速度振动幅值要低于新轮状态,其中横向、垂向振动幅值分别降低50%和67%,一定程度的磨耗改善该型箱体的振动特性;应用等效加速度幅值法获取箱体不同部位之间的振动关系,数据分析结果验证该方法的有效性和适用性。该研究对确保高速列车传动系统运用安全和箱体新型结构的设计提供参考。     

米轨线路参数对机车动力学性能和轮轨磨耗的影响

为了减小米轨机车在通过小半径曲线时所造成的轮轨磨耗,基于车辆系统动力学理论,采用SIMPACK软件建立C_0-C_0米轨机车动力学模型,对机车通过小半径曲线时的动力学性能进行研究。计算了不同超高和轨距情况下的机车轮对冲角、轮轨横向力、轮轴横向力和轮轨磨耗功率,并分析了车轮轮缘和踏面上的磨耗功率在车辆运行过程中随超高和轨距变化的规律。结果表明:超高率与磨耗功率成正比,线路设置超高时应尽量使列车处于适当的欠超高状态;轨距加宽量与磨耗功率成正比,且轨距变化对机车各项动力学性能指标的影响均较超高率更为显著;轨距加宽不但不能有效减轻小半径曲线上的钢轨侧磨和轮轨横向力,反而会使其增大。因此在实际工程中曲线区段应避免不必要的轨距加宽,并经常检测轨距,以防不良轨距变化导致轮轨异常磨耗。     

空间耦合振动下车轮谐波磨耗对车辆运行安全的影响

车轮谐波磨耗造成的轮轨间高频接触振动和冲击,是高速列车运行不可忽略的问题,会对列车运行安全性造成重大影响。阐述了车轮谐波磨耗形式,建立了包含柔性钢轨及路基的列车-轨道-路基耦合系统动力学仿真模型。根据实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗、波深为0.1 mm和0.3 mm的6种典型谐波磨耗进行了轮轨横向振动加速度分析,并研究了轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标。依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比,结果表明:最大轮轨横向振动加速度在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时达到峰值;最大轮轨横向力在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时接近国标限定值;最大轮重减载率在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时超过安全限值;最大脱轨系数在不同形态谐波磨耗下均在安全限度范围内,不会发生脱轨现象。     

铁路传统转向架和具有轴间连接转向架的蛇行稳定性比较

将传统2轴转向架与具有轴间连接轮对导向系统的转向架进行比较,表明自重轻的轴间连接轮对导向系统,能使转向架具有较好的蛇行稳定性和曲线通过性能,从而降低了轮轨间的横向力,并减小轮轨磨耗。     

惰行和制动工况下重载列车曲线通过数值模拟

为了研究重载列车在惰行和制动工况下通过曲线时的轮轨接触特性,采用数值方法建立单自由度车辆和全自由度车辆混合的列车动力学模型,对比分析了惰行和制动工况下列车曲线通过时的运行安全性、车轮磨耗分布特征、轮轨滚动阻力特性影响。结果表明:考虑车钩负载效应和闸瓦贴靠车轮作用的列车模型在曲线制动工况下的轮轨横向力和脱轨系数指标均比惰行工况时略差,但轮重减载率指标几乎相当;由于制动时闸瓦压力增大了轮对的摇头约束,导致通过曲线时导向车轮磨耗功率的动态分布区域比惰行时更靠近轮缘处;制动工况下的牵引比率随曲线曲度线性变化的范围比惰行工况时大,且随着制动强度的增大,牵引比率也逐渐增大。     

高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响研究

为研究高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响,选取修正的Elkins磨耗指数方法计算轮轨间的磨耗指数,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真的方法,将轮对、转向架构架和车体逐步进行弹性化处理,建立全弹性的车辆系统动力学模型,基于此模型进行数值计算,从时域、有效值、最大值3个方面,结合速度因素,分析摩擦系数、轮对内侧距和轨底坡对轮轨磨耗的影响。结果表明,在相同速度下,摩擦系数越小,轮轨磨耗越严重,随着摩擦系数的增大,轮轨磨耗趋于平稳;随着轮对内侧距的增大,磨耗指数整体呈增大趋势,但轮对内侧距对轮轨磨耗的影响较小;当轨底坡的值取为1/40～1/20时,轮轨磨耗较小;在相同轮轨接触几何参数下,列车运行速度的提高加剧了轮轨间的磨耗。     

轮对安装偏转角对高速列车车轮磨耗的影响

为了研究高速列车在轮对具有安装偏转角的状态下的车轮磨耗状况,建立具有轮对安装偏转角的车辆动力学模型,对只有一位轮对偏转、一位和二位轮对同向偏转、一位和二位轮对反向偏转3种工况进行仿真,分别计算和分析在不同偏转角度下轮对平衡状态时的轮对横向位移、轮对摇头角、轮轨横向力以及一位轮对和二位轮对的踏面磨耗情况。仿真结果表明,当轮对存在安装偏转角时,导向轮对的磨耗远远大于非导向轮对;偏转角度越大,偏磨越严重;相同偏转角度下,一位和二位轮对同向偏转工况的磨耗最小,最接近理想轮对的磨耗情况;一位和二位轮对反向偏转工况的磨耗最大,轮缘磨耗最严重。     

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。     

高速列车横向稳定性仿真分析

运用多体动力学软件UM,建立高速综合检测列车非线性动力学仿真模型.根据京沪高速铁路试验数据,对车体和构架的振动加速度以及在半径为9 000m曲线上的稳态轮轴横向力进行仿真,并与试验结果对比,验证仿真模型的准确性.应用该模型,分别分析车轮的设计型面、磨耗型面和镟修型面与CHN60钢轨接触的3种不同高速列车的横向稳定性.结果表明:在车轮镟修型面和设计型面的轮轨状态下,高速列车的横向稳定性指标相当;而车轮踏面的磨耗会降低高速列车的横向稳定性.调整轨底坡虽然可以改善磨耗型面车轮高速列车的横向稳定性,但同时又会导致设计型面和镟修型面车轮高速列车的横向稳定性恶化;8辆编组的高速综合检测列车各车辆之间的横向稳定性存在明显差异,且随着速度的增大这种差异也不断扩大,其中头车和尾车的横向稳定性比较差;车速为300 km·h-1以上时磨耗功率和轮轨磨耗急剧增大.     

牵引及制动操纵对重载机车轮轨动力作用的影响

基于列车纵向动力学理论和车辆—轨道耦合动力学理论,建立考虑钩缓系统中车钩纵向、横向和垂向作用力的重载列车—轨道耦合动力学模型。以机车牵引万吨列车为考核工况,分析牵引和制动时机车的受力特点,研究牵引力、制动力及车钩力对机车运行性能的影响过程和影响程度,并对理论模型进行试验验证。结果表明:在牵引、电制动及紧急制动工况下,直线线路上机车的轮重分别较惰行工况降低了约13,7和4kN,单纯的牵引或制动力可降低轮轨横向蠕滑力,间接造成轮轨横向力的小幅增大,但轮轴横向力基本不变;车钩力可通过车钩摆角产生横向分量,并传递到轮轨界面,改变轮轴横向力的整体变化趋势;若车钩偏转3°,在电制动工况下,前部机车承受的压钩力较大,引起的轮轴横向力增幅达18kN,在紧急制动工况下,机车上的压钩力幅值小,引起的轮轴横向力在8kN以内。     

轨道交通轮轨横向振动噪声分析

通过建立车轮与轨道相互作用模型,分析了考虑轮轨表面随机不平顺、尤其是短波长的波纹型磨耗以及不同列车速度时,对轮轨横向振动和振动噪声的影响。建立的模型和程序预测的轮轨噪声与有关文献的实测结果基本吻合。     

基于Archard磨耗模型的合金钢心轨组合辙叉道岔钢轨磨耗研究

基于Archard磨耗模型并结合有限元静动力分析方法,对重载铁路合金钢心轨组合辙叉道岔岔区钢轨垂直磨耗特性进行了研究,给出了一种研究钢轨磨耗的新方法。研究结果表明:受不同断面轮轨接触特性及轮轨力差异的影响,岔区各断面轮轨接触斑内磨耗量的大小及分布存在差异;辙叉轮载过渡区翼轨磨耗严重的机理是轮轨法向接触应力大于翼轨材料硬度的0.8倍导致了磨耗系数的突变,建议将此区域翼轨镶嵌合金钢材料或采用深度爆炸硬化技术处理;轮轨接触应力随行车速度的增加有所增加,随列车轴重的增加而大幅增加,建议有条件的情况下降低C80,C70列车的侧向过岔速度,以减缓道岔的磨耗速率。