重载铁路车轮踏面擦伤时的轮轨动态相互作用特征

运用仿真分析手段,考虑车轮踏面新、旧擦伤激扰,研究了重载铁路轮轨相互作用力、轨道结构位移及振动加速度的时、频特征。研究结果表明:在车轮踏面新擦伤作用下,轮轨间将产生高频轮轨垂向力和低频轮轨垂向力,钢轨、轨枕及道床将产生低频振动位移;而对于车轮踏面旧擦伤,轮轨间仅产生高频轮轨垂向力,轨道结构部件的振动位移较小,高频位移幅值略大于低频位移幅值;在新、旧擦伤作用下,钢轨垂向振动加速度的频率很高,前者的道床振动加速度明显高于后者的值,二者的轨枕振动加速度较接近。     

车辆-轨道系统耦合高频振动的研究

车辆-轨道垂向耦合振动是车辆-轨道耦合动力学主要研究课题.建立了车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁高频振动模型,运用快速积分方法编制仿真程序,对扁疤激励情况下的轮轨垂向高频振动进行系统仿真与分析,并与Eu ler梁模型仿真结果进行比较.结果表明,车辆速度与车轮扁疤的长度对轮轨系统振动有很大的影响;在高频情况下,进行振动与噪声的研究时,建议使用Timoshenko梁模型.     

车辆-轨道系统耦合高频振动的研究

车辆-轨道垂向耦合振动是车辆-轨道耦合动力学主要研究课题.建立了车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁高频振动模型,运用快速积分方法编制仿真程序,对扁疤激励情况下的轮轨垂向高频振动进行系统仿真与分析,并与Euler梁模型仿真结果进行比较.结果表明,车辆速度与车轮扁疤的长度对轮轨系统振动有很大的影响;在高频情况下,进行振动与噪声的研究时,建议使用Timoshenko梁模型.     

轮对结构和扣件刚度对钢轨波磨的影响

为研究地铁线路小半径曲线轨道上钢轨波磨的形成机理和影响因素,基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了小半径曲线轨道上由动车轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元模型.采用复特征值分析和瞬时动态分析研究了轮轨系统的稳定性和动态特性.计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的摩擦自激振动趋势,即产生钢轨波磨的趋势;动车轮对上齿轮箱的安装位置对系统的自激振动影响较小;扣件横向刚度对自激振动的影响较小,垂向刚度对自激振动的影响较为明显;不稳定振动随扣件垂向刚度的增加呈现先增大后减小的趋势,当其垂向刚度约为20 MN/mm时,钢轨波磨最容易发生.     

客运专线铁道车辆随机振动特性

为分析客运专线车辆在轨道随机不平顺作用下的振动规律,提出了轨道随机不平顺人工短波的概念,给出了短波的模拟样本.在同时考虑轨道高低不平顺和水平不平顺的基础上,采用德国高速低干扰谱与人工短波样本合成的轨道随机不平顺样本作为车辆-轨道耦合振动系统的激励,对车辆的随机振动进行了分析.探讨了轮轨动作用力、车辆各部件随机振动特性及其随列车运行速度变化的规律.研究结果表明,随列车运行速度提高,客运专线车辆各部件的随机振动响应如振动加速度、轮轨力、位移等均呈显著增大的趋势,其中以轮对加速度的变化最为明显,构架加速度、车体加速度和轮轨力次之,位移变化相对较小.     

车辆-轨道耦合动力学系统可视化仿真

为了提高车辆-轨道耦合动力学系统可视化仿真的逼真度,采用迹线法计算了车轮踏面接触轮廓面,以平面方式表现轮轨动态接触关系,钢轨以梁的形式参与振动,通过实时建立具有一定垂向、横向和扭转振动形态的钢轨模型来模拟钢轨的振动行为。仿真结果表明,在保证优良的实时性的同时,可以清晰地观察轮轨接触点的变化情况,免去了在复杂的三维场景中变换视点的操作,使轮轨动态接触关系更简洁,通过实时创建钢轨模型,使钢轨振动行为的模拟更逼真。     

扣件胶垫刚度频变的车-线-隧垂向耦合随机振动虚拟辛分析

为了精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度,运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车-线-隧垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,分析了扣件胶垫频变刚度对耦合系统随机振动的影响.结果表明:扣件胶垫刚度频变对车体垂向随机振动的影响可以忽略,但会提高转向架频率57 Hz以上的随机振动,并显著提高轮对与钢轨随机振动加速度功率谱最大峰值与其对应的第1主频;扣件频变刚度使轨道结构的自振频率及向高频发生偏移,轮轨共振频带的能量也向高频区域转移,轮对加速度功率谱在频域内的分布向高频部分偏移约8.6 Hz.     

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。     

轨下垫板参数对轨道结构垂向振动影响研究

以往高速铁路研究的轨下结构过于简化,且只考虑了轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,而不能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的基础上,运用动力学软件SIMPACK建立高速车辆-板式无砟轨道模型,通过对原有单层轨道拓扑优化后设置分层,分析轨下弹性垫板刚度和阻尼对板式无砟轨道结构动力学性能影响.研究结果表明:轨道结构细化分层分析与实际高速铁路板式轨道结构更加相符,能够更准确的反映轨道局部结构对轨道垂向动力学性能的影响;垫板老化后的刚度增大加剧轮轨相互作用,降低轨道垂向位移,减弱钢轨的振动,同时导致轨道板振动加强;垫板失效后的阻尼减小同样增强轮轨相互作用,使得轨道垂向位移和振动加速度增大;轨下垫板刚度的敏感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.     

轮轨纵向几何不平顺对直线电机地铁车辆动态行为的影响

为研究直线电机地铁车辆系统在轮轨几何不平顺激振作用下的动态行为,基于车辆-轨道系统耦合理论,建立了考虑直线电机子系统的地铁车辆-轨道耦合系统动力学模型.应用该模型研究了车轮非圆化、钢轨焊接接头几何不平顺以及钢轨波磨对车辆和直线电机系统的振动响应、轮轨作用力及车辆稳定性等特性的影响.研究结果表明,几何不平顺中长波(大于1 m)影响气隙波动,短波(小于1 m)造成轮轨剧烈冲击振动,需特别注意钢轨焊接接头,其可使轮轨作用力增大1.5倍,气隙降低2~3 mm,轮轨甚至发生分离.      

新型全自动轨道巡检车动力学性能

为准确评估某新型全自动智能轨道巡检车的动力学性能,开展了轨道巡检车动力学数值仿真;轮轨接触采用非椭圆多点接触Kik-Piotrowski算法模拟,车辆系统建模过程中考虑悬挂力元非线性与轮轨接触几何非线性特性等因素,同时考虑车载设备参振影响;针对车轮踏面表面包裹高硬度聚氨酯的特殊结构,利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨局部接触模型,采用Mooney-Rivlin橡胶模型模拟了聚氨酯特殊性质,计算了轮轨等效接触刚度;根据有限元计算结果修正了Kik-Piotrowski算法中的相关参数;基于Craig-Bampton模态综合法和多体动力学软件UM建立了车辆-轨道刚柔耦合模型;为验证仿真模型的准确性,开展了实车动力学试验;重点分析了直线和300 m小半径曲线,运行速度10~30 km·h-1工况下巡检车的振动响应。研究结果表明:车辆正常运行时,中间视觉模块垂向最大加速度大于左侧视觉模块垂向最大加速度,横向最大加速度小于左侧视觉模块横向最大加速度,车架最大加速度大于视觉模块最大加速度;车架中部易产生垂向弯曲变形,和视觉模块安装位置有胶垫减振有关;轨道巡检车在直线和300 m小半径区间运行性能整体良好,其中车辆在300 m小半径曲线段内30 km·h-1运行时,轮重减载率最大可达0.92,车架部位振动响应较大,为保证车载设备的安全性和避免车辆脱轨的风险,建议曲线段内检测速度控制在20 km·h-1左右。      

现代有轨电车线路轨距加宽对独立轮对磨耗的影响

结合现代有轨电车车辆-轨道耦合动力学子模型、轮轨多点接触子模型与Archard材料磨耗子模型,建立了车轮磨耗预测分析模型。与相关参考文献结果进行对比,验证了本文建立模型的准确性。利用该磨耗预测模型计算分析了轨距加宽对现代有轨电车通过小半径曲线轨道时车轮磨耗的影响。结果表明:在相同的线路条件下,独立车轮轮缘磨耗大于非独立车轮,差值最大为0.94 mm,而两种车轮踏面磨耗情况较为接近;曲线半径较小的线路,轨距加宽为10～15 mm时车轮轮缘磨耗较小,而轨距加宽为15 mm时车轮轮缘磨耗较为均匀。研究结果可为现代有轨电车车辆维护提供有益参考。     

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.      

车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状，强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响；总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果；介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究，分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响，以及车轮踏面缺陷的形成原因、影响规律与演变机理，重点关注了轮轨动态效应对高速轮轨滚动接触行为的影响；概括了车轮踏面缺陷的检测技术与减缓和防治措施。研究结果表明:车轮踏面缺陷致使轮轨冲击力显著增大，导致轮轨部件损伤和车体异常振动，严重影响车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车动力学性能，甚至威胁列车运行安全；车轮踏面缺陷的成因与机理仍需进一步探究，车辆异常制动、轮轨低黏着状态均会导致车轮扁疤的产生，轮轨材料特性、轮轨间接触载荷、轮对共振、列车制动系统性能与线路运行条件/环境等均是导致车轮踏面发生剥离的主要影响因素，轮轴共振、轮轨摩擦振动、车轮制造镟修工艺等均与车轮多边形的形成有密切联系；改善轮轨材料的性能，控制轨道系统的支撑刚度/阻尼及轮轨间摩擦因数等均是抑制车轮踏面缺陷产生的有效途径。      

高速铁路制动区间钢轨摩擦自激振动研究

为了探究高速铁路制动区间的典型钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点展开了研究,通过武广高速铁路制动区段的现场调研,掌握该区段的波磨特征并采集相应的轨道不平顺;基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点分别建立制动区段高速列车的动/拖车轮对-轨道-制动系统的有限元模型,并利用复特征值法进行动/拖车轮轨系统的摩擦自激振动分析,比较动/拖车轮轨系统在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性,以及在制动工况下动车轮轨和拖车轮轨系统的摩擦自激振动情况;使用控制变量法研究了制动系统摩擦系数和扣件垂向刚度对动/拖车轮轨系统摩擦自激振动的影响规律.研究结果表明：制动工况更容易引起系统的摩擦自激振动;拖车轮轨系统更容易引起系统摩擦自激振动;控制制动装置摩擦系数约为0.30,扣件垂向刚度约为50 MN/m时能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性,进而抑制钢轨波磨的产生.     

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象，基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论，对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究. 分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型，确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况；根据动力学仿真所得轮轨接触参数，建立轮对-轨道-轨枕有限元模型；采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性. 研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时，导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和；轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%，轮轨接触角的偏差小于5%；相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%；缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性，故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.      

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.     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

高速铁路桥上无砟轨道减振层刚度的动力学影响分析

为了降低高速铁路桥上结构的振动与噪声水平,以我国CRH2型高速车辆和32 m跨度高速铁路简支箱梁及CRTS I型板式无砟轨道为对象,建立高速车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动分析模型,分析比较了不同行车速度下无砟轨道减振层刚度对车轨桥系统动力响应的影响,为桥上减振型板式轨道动力学参数设计提供参考。计算结果表明,桥上采用减振型板式轨道可显著降低轨道板垂向振动加速度,在本文计算条件下其最大加速度幅值较无减振层时减小了57%以上;减振型板式轨道能稍微降低轮轨动力作用,可减小简支箱梁垂向振动加速度20%左右;较低的减振层刚度增大了轨道板垂向振动位移,不利于高速行车安全,而过大的减振层刚度不能有效降低轨道结构振动,综合考虑后建议桥上减振型板式轨道弹性垫层刚度在100~200 MN/m3之间选取。     

高速列车轮轨动态相互作用特征

为了探明高速铁路轮轨动态相互作用特征,运用铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论,考虑了轮轨系统参振的影响,研究了高速运营条件下曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系,分析了安全性指标和舒适性指标的随机振动特性。研究结果表明:在高速运营条件下,曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系具有明显的特点,在160～300 km·h-1速度范围内,减载率及车体振动加速度的敏感波长分别为1.0～2.5 m与40～50 m,控制该波长范围不平顺对提高动车组的安全性及舒适性十分有利。