薄轮缘车轨接触几何特性与动力学稳定性分析

随着车辆运行里程的增加,车辆稳定性由于轮轨匹配关系的不断恶化而下降。通过镟修不同轮缘厚度车轮型面改善车辆运行性能,但不同轮缘厚度的车轮型面与钢轨匹配下的动力学性能都是未知数。根据LMB系列4种不同轮缘厚度踏面和CHN60匹配,对轮轨接触点位置的变化、接触区域分布进行仿真计算,通过计算接触宽度、接触集中度,分析由于轮对型面而产生的接触几何状态变化规律;结合轮轨接触点运动和轮轨接触带宽变化,定义非线性接触几何关系参数λ_(TC),λ_(TC)参数描述了2种及2种以上轮轨匹配情况下,服役动车组的稳定性。研究结果表明:随着轮对轮缘厚度的增加,轮轨接触点在车轮踏面上的接触宽度加大,而其接触集中度降低;随着非线性轮轨接触几何λ_(TC)参数的增大,车辆动力学参数减小,非线性等效锥度λ_G和λ_(NP)分别呈现下降和平稳态势。非线性轮轨接触几何参数λ_(TC)能很好地表达不同轮缘厚度轮对与钢轨匹配下,服役动车组稳定性,能准确反映车辆振动响应的变化。     

基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

轮轨之间的弹性接触变形是车辆-轨道耦合动力学中计算轮轨力的核心,以基于Hertz接触理论的非线性接触刚度来描述轮轨之间的压缩量与轮轨法向力之间的关系. 目前的轮轨Hertz接触刚度计算公式为经验公式,来源于20世纪70年代英国铁路技术研究所的研究工作,分锥形踏面和磨耗型踏面两种类型,局限于特定的轮径范围和钢轨廓形. 基于三维弹性体Hertz接触理论,推导了满足Hertz接触条件的弹性体法向接触刚度通用计算公式,并结合轮轨几何外形特点,给出了轮轨接触斑大小及接触刚度参数的直接确定方法和数表,并以LM车轮踏面和CN60钢轨踏面匹配为例,对比分析了典型工况下计算结果与经验公式的差异. 分析结果表明:基于本文计算公式制定的Hertz弹性接触数表弥补了现有数表中缺乏接触刚度的不足,可直接用于弹性体接触计算;对于轮轨接触,与本文公式计算结果相比,以往经验公式中磨耗型踏面的接触常数计算结果仅在车轮名义中心圆弧与轨顶中心圆弧接触时的误差较小,约为0.40%～0.44%;其他接触位置时,经验公式计算结果与本文公式计算结果相差较大,误差范围可达 ?25.97%～131.42%.      

车轮型面动态高速曲线通过性比较

为了有效选择高速车轮型面,通过车辆轨道系统动力学仿真得到轮对高速通过曲线的运动状态,利用运动状态参量进行三维轮轨接触几何特性与蠕滑率计算,用Contact程序进行轮轨非赫兹滚动接触计算,分析了LMa、S1002和XP55车轮型面高速曲线通过匹配特点。分析结果表明:LMa和XP55型面轮对运动参数曲线平滑,S1002型面出现大幅度波动,并产生蛇行运动;当轮对横移量为3.0~3.5 mm时,S1002型面轮轨接触点对产生约11 mm跳跃,正好处于钢轨型面R300、R80 mm圆弧过渡区;S1002型面接触斑基本处于滑动状态,LMa型面接触应力最小,XP55型面接触应力最大。可见S1002型面与中国60 kg.m-1钢轨不匹配,LMa型面匹配效果最理想,XP55型面匹配相对较好。     

动车组踏面凹型磨耗对车辆稳定性的影响

针对某型高速动车组在运行过程中出现构架横向报警的问题,建立考虑踏面凹型磨耗的动车组动力学模型. 通过仿真分析和现场试验相结合的方法,研究不同运行里程凹型磨耗踏面与钢轨的轮轨关系以及凹磨踏面对车辆稳定性的影响. 研究结果表明:镟修踏面与钢轨匹配时轮轨接触点呈现均匀分布,凹型磨耗踏面轮轨接触点主要分布在凹磨区域两侧;随着轮对横移接触点发生跳跃,产生假轮缘效应,引起剧烈的轮轨横向冲击;随着凹磨加剧车辆稳定性逐渐降低,当车辆高速运行过程中,凹磨踏面对应构架蛇行带来横向振动频率与构架自身的固有振动频率接近,容易发生横向耦合振动,使得横向加速度超过限制值;踏面凹磨是造成构架横向报警重要原因,通过轮对镟修能够有效抑制构架报警情况发生.      

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面(S1002、S1002G、XP55和LMA)轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足:LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率"突变",有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的"通用"轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.     

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面（S1002、S1002G、XP55和LMA）轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足：LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率＂突变＂,有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的＂通用＂轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.     

地铁列车车轮踏面磨耗规律探讨

为了研究地铁车辆踏面磨耗的变化规律,持续跟踪测试了某线路地铁列车车轮踏面磨耗数据,并统计分析了运用工况下车轮踏面磨耗的数据特征.与CN60KG钢轨匹配,对比分析了踏面磨耗对诸如等效锥度和接触点等轮轨匹配参数的影响趋势.轮轨匹配特性分析表明:踏面磨耗将造成等效锥度增大.特别是右侧车轮踏面磨耗偏大,且呈现了轻微的轮对偏磨现象.根据地铁线路条件,有必要考虑地铁列车转调运用以合理延长镟轮修程.     

改善轮轨接触状态的车轮型面几何设计方法

改进了车轮型面设计方法,给出了设计方法的解析数学表达式,将轮对等效锥度与轮轨型面接触状态联系起来,对设计实例进行了轮轨几何接触、非赫兹滚动接触和车辆动力学性能分析.研究结果表明:轮轨接触点能够均匀分散分布;由于接触斑面积增大约23%,最大接触压力降低约21%,使轮轨滚动接触应力降低了约20%;装备实例型面的车辆临界速度...     

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.      

不同钢轨廓形下高速铁路轮轨型面匹配

为了分析不同钢轨廓形对我国高速铁路轮轨型面匹配的影响,针对高速铁路线路上使用的CHN60、60N和60D钢轨廓形,基于经典迹线法、三维非赫兹滚动接触理论及车辆-轨道耦合动力学,分别研究了不同钢轨廓形与高速车轮LMA型面匹配时的轮轨接触特性和车辆动力学性能.研究结果表明:不同钢轨廓形下,轮轨接触几何关系有较明显的差异;在不同轮对横移量下,CHN60钢轨的轮轨接触应力比另外两种钢轨廓形小;当轮对横移量为6 mm时,CHN60钢轨对应的轮轨接触状态最优,其接触斑面积最大,且接触应力分布较为均匀;不同钢轨廓形对车辆的临界速度及曲线通过能力影响较大,60D钢轨与LMA型面匹配时车辆的临界速度约为763 km/h,为三者中最高,但CHN60钢轨与LMa型面匹配时车辆的曲线通过性能最好,相应的轮轨横向力最大值3.584 k N,轮对横移量最大值3.35 mm,是三者中最小.     

轮对等效锥度与车辆动态特性关系分析

为了分析轮对等效锥度对车辆动力学性能的影响,采用设计不同等效锥度磨耗型踏面和锥形踏面的方法,通过轮轨接触和车辆动力学计算,分析了等效锥度对车辆临界速度和曲线通过性能的影响.结果表明,车辆临界速度并不严格地与等效锥度平方根成反比,而是存在临界速度较高的小等效锥度区域,太小、太大的等效锥度均会导致临界速度迅速降低.等效锥度随轮对横移的增大而增大有利于提高曲线通过性能,并可缓解轮缘磨耗.因此,在轮对小幅横移时等效锥度可以取较小值,并随轮对横移量的增大而增大,可兼顾车辆临界速度与曲线通过性能的要求.     

高速动车组柔性转向架蛇行运动频谱分析

为分析高速动车组在不同运行速度下的转向架蛇行运动频谱,推导了自由轮对蛇行运动模型,建立了与纵向、横向速度和摇头角速度相关的3个一阶微分方程;建立了柔性转向架蛇行运动模型,给出了与轮对和构架的横移和摇头自由度相关的9自由度蛇行运动方程;结合车辆悬挂和实测轮轨接触关系等参数,联立自由轮对蛇行运动方程,求解不同轮对初始横移下...     

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。     

基于改善轮轨共形度的60 kg/m钢轨廓形优化

重载铁路及客货共线铁路运营条件下，轮轨磨耗问题尤为突出. 为了有效减缓轮轨磨耗发展，以不同接触条件下轮轨廓形共形度最优为原则，设计目标函数及约束条件，建立钢轨廓形非线性优化数学模型，并基于序列二次规划法进行求解，提出60 kg/m钢轨廓形的优化方案；从轮轨接触几何关系、车辆-轨道系统动力作用、磨耗的角度对优化廓形的优化效果进行了对比分析. 结果表明:1） 所提出的60 kg/m钢轨优化廓形相对于原始廓形使目标函数值降低了50%，与LM车轮廓形具有更高的共形度水平；2） 优化廓形的轮轨接触点分布更为均匀，在轮对横移量较小的条件下轮径差更小，在轮对横移较大的条件下轮径差更大；3） 优化廓形对车辆运行安全性和平稳性无显著影响，可有效增大轮轨接触面积达11.24%，降低接触应力达20.42%，减缓轮轨磨耗发生发展速率.      

钢轨磨耗型波磨计算模型与数值方法

分析了国内外铁路钢轨波浪形磨损理论模型,提出了车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型,发展了相应的数值方法。模型中车辆结构和轨道下部结构被简化成等效的质量、弹簧和阻尼系统,钢轨用Euler梁代替,并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形,利用修改的Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和摩擦功,假设材料单位面积磨损量正比于轮轨接触面摩擦功密度。利用该模型和相应的数值方法分析了几个磨耗型波磨情况,结果表明该模型可以模拟轨道多种缺陷(轨缝、扁疤、凹坑、轨枕间距、随机不平顺等因素)引发的钢轨磨耗型初始波磨和发展规律,可以模拟由于钢轨在机械加工或打磨过程中形成的初始波磨的演化过程,可以通过改善轨道特性来消除或减少波磨的发生和发展。     

不同磨耗阶段轮轨型面匹配下重载货车的动态性能

应用轮轨型面测量仪在大秦重载线路上跟踪测量了不同磨耗阶段的轮轨型面,基于这些轮轨型面,应用多体动力学软件SIMPACK建立C80重载货车模型进行仿真计算,分析轮轨型面对重载货车动力学性能的影响．结果表明：在运行平稳性和稳定性方面,标准LM型车轮型面最佳,且随着车轮磨耗量的增加,平稳性和稳定性逐渐降低;在曲线通过性能方面,各个阶段的车轮型面都达到了评价标准,脱轨系数和轮重减载率都随着轮轨的磨耗而减小;轮轨横向力随着车轮的磨耗而逐渐减小;标准LM型和Ⅱ型车轮型面的磨耗功率较小,与磨耗稳定期钢轨相匹配能相对降低车轮的磨耗速率．     

机车车辆／轨道系统垂向耦合动力学分析

考虑到多刚体系统动力学研究方法在建模及计算方面的局限性，将有限元法引入到机车车辆／轨道大系统的垂向耦合振动研究中来．为了真实模拟在轨道上不同位置的轮轨接触关系，用有限元参数二次规划法求出了轮轨等效接触刚度曲线，建立了统一的机车车辆／轨道耦合系统．通过建立系统的有限元分析模型，利用精细时程积分算法求解系统振动方程，分析研究了机车车辆在无限长轨道上运行时，在轨道不平顺激扰下，轮／轨间相互作用力、机车车辆／轨道系统中各部件的振动加速度及位移变化规律．研究结果表明，该方法不但可行，而且具有其它传统方法无可比拟的优越性．     

轮轨摩擦耦合热弹性有限元分析模型

基于伽辽金变分原理,利用有限元方法,建立了轮轨摩擦耦合热弹性有限元分析模型,分析了轮轨摩擦热与钢轨接触区热膨胀位移、摩擦温度、应变和应力的关系。模型中温度场和位移场由耦合方程同时求解,但没有考虑惯性项和材料阻尼的影响。分析结果表明:耦合求解的温度场和位移场与非耦合求解的温度场和位移场的计算结果一致,钢轨表面各点滑动位移的方向与车轮滑动方向一致,垂向位移方向先负后正;钢轨表面各节点进入接触区后,温度快速上升,但高温持续时间短;在滑动方向上,钢轨接触点先受压应变后受拉应变作用,垂向受拉应变作用,滑动方向压应力明显高于垂向压应力,钢轨接触斑前后节点滑动方向应变符号相反;垂向高正应变区主要集中分布在接触斑后半轴上,最大剪应变与剪应力区在接触表层以下。