机车车辆横向动力学性能仿真——车辆-轨道耦合模型与传统车辆模型的比较

运用经过大量线路实车运行试验验证的车辆－轨道耦合动力学仿真软件TTISIM，对传统车辆动力学和车辆－轨道耦合动力学两种类型模型的横向动力性能进行了比较与分析。结果表明：车辆无论是在直线上运行 是通过曲线轨道和道岔时,采用传统模型计算所得的轮轨横向相互动作用力均较采用耦合模型计算的大；仿真计算车辆蛇行失稳临界速度时，采用前一模型俐到的结果较后者偏高；而两者计算所得的车辆垂向与横向振动差别甚小。     

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。     

轨道模型对车辆动力学性能的影响分析

基于多体动力学软件UM建立了车辆-轨道耦合动力学模型,分别计算了车辆在无质量轨道和刚性轨道模型下的非线性临界速度、脱轨系数、车体振动加速度及轮重减载率等动力学参数.计算结果表明,车辆在刚性轨道模型下的非线性临界速度增大,同时车体的振动加速度、轮轨垂向力、轮轴横向力、轮重减载率都有不同程度上的增大,但其脱轨系数却比无质量轨道模型下的有所减小.采用刚性轨道模型较无质量轨道模型更能较真实地反映车辆的动力学性态.     

基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道耦合振动分析

运用车辆－轨道耦合动力学理论，建立了基于Timoshenko梁钢轨模型的车辆－轨道耦合振动模型，分析了钢轨的固有振动特性，初步探讨了车辆－轨道系统的动力响应，结果表明，Timoshenko梁钢模型在固有振动及强迫振动两方面均与Euler梁钢轨模型有明显不同，前者能更详细地描述钢轨的高频特性。     

考虑不同轮轨耦合作用的高速列车动力学响应分析

基于多体系统动力学理论,利用多体动力学软件建立了某型高速车辆系统动力学模型,对比分析了不同轮轨耦合作用下车辆系统的振动响应,计算得到了两种轮对的非线性临界速度,并合理选取了六种典型线路工况,研究了不同轮轨耦合作用对车辆系统动力学性能的影响.结果表明:轮对弹性变形使车辆系统的非线性临界速度降低,并降低了车辆系统与无质量轨、移动质量轨耦合下的脱轨系数、轮轨横向力和轮轴横向力等动力学指标,但与柔性轨道耦合时,上述动力学指标却升高;当车辆系统与无质量轨耦合时,轮对弹性变形使车体Sperling平稳性指数在横向上最大增幅为5.3%,而在垂向上最大增幅仅为0.7%.     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明:车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。      

空气弹簧失气后地铁车辆动力学性能研究

为了研究空气弹簧失气对地铁车辆动力学性能的影响,根据车辆系统动力学和非线性接触理论,建立了地铁车辆非线性动力学模型和空气弹簧失气状态下的黏滑接触力元模型,分析了地铁整车空气弹簧失气状态下地铁车辆的临界速度、轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率和平稳性指标并与空气弹簧正常状态进行了对比。结果表明:空气弹簧失气会使地铁车辆的临界速度降低,会使地铁车辆的脱轨系数、轮重减载率、横向平稳性和垂向平稳性明显增大,并且空簧失气对脱轨系数和垂向平稳性的影响尤为显著,因此必须密切关注空气弹簧的状态以保证地铁车辆平稳安全运行。     

车辆动力学仿真中评判脱轨的直接方法

根据轮轨空间动态耦合关系 ,提出了一种根据轮轨接触点位置进行脱轨评定的直接方法 ,可用于对机车车辆动力学安全性分析评价。阐述了通过轮轨接触点进行脱轨评判的原理和采用此方法的优点。作为例子 ,运用货车 -轨道空间耦合模型 ,对 C62 A货车曲线通过进行了脱轨仿真计算。仿真结果表明 ,在仿真计算时采用此方法非常行之有效 ,评判直观、可靠     

铁路提篮拱桥车桥耦合振动分析

采用车桥耦合振动理论，分别建立了铁路车辆和提篮拱桥的动力模型及其运动方程．将车辆和提篮拱桥分为2个由非线性轮轨接触力联系的振动子系统，采用迭代法求解这2个子系统．用自编的车桥耦合振动软件对提篮拱桥的车桥耦合振动进行了分析，并对桥梁的横向与竖向位移、动力放大系数、车辆脱轨系数和轮重减轻率进行了评价，在所讨论的工况下，均满足我国相关规程的要求．     

25t轴载外径向臂径向转向架动力学分析

基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了25t轴载外径向臂径向转向架的结构特点和受力特性,建立了货车-轨道空间耦合动力学模型,并编制电算程序对外径向臂径向转向架和普通三大件转向架进行了车辆横向运动稳定性、直线运行和曲线通过性能仿真分析。分析发现:对普通三大件转向架加装外径向臂,可使转向架稳定性提高10%以上,轮轨磨耗降低40%以上,轮轨横向力降低20%以上。     

空车编组数量对货物列车安全性影响研究

在既有线货物列车提速和重载的背景下,为了研究空车编组数量对货物列车运行安全性的影响,根据车辆系统动力学理论、列车纵向动力学理论、车辆-轨道耦合动力学理论,采用数值方法建立了空重车混编列车-轨道耦合系统动力学模型,分析了制动工况下不同数量空车编组在货物列车头、尾部时,货物列车的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标变化情况。结果表明:当列车头部(机车后部)和尾部各编组5,10,20辆空车时,制动工况下,空车及重车的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均满足GB/T 5599-2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》标准要求,且有一定安全裕量;列车中空车的轮轴横向力和轮轨横向力均小于重车,空车的脱轨系数和轮重减载率大于重车;当列车头、尾部各编组5辆空车时,空车及重车的轮轴横向力均最小,而其他两种编情况下横向轮轴力相差不大;对于脱轨系数和轮重减载率,除尾部编组5辆空车的情况外,编组在头部的空车的脱轨系数和轮重减载率均大于尾部空车,在列车头部和尾部各编组10,20辆空车时两列车整体轮重减载率差异较小。     

轨道不平顺激励下直线电机车辆/轨道动力响应

为了提高直线电机轮轨交通车辆运行的安全性与乘坐舒适性,分析了车轨结构特征,建立了直线电机车辆/板式轨道横、垂向动力学模型。通过三角级数法得到轨道随机不平顺的时间序列,以其作为系统激励,分析了直线电机车辆与轨道的随机振动特性。把轨道不平顺描述为余弦函数,研究了高低不平顺与方向不平顺的波长和幅值对系统动力响应的影响规律。计算结果表明:磁轨气隙变化的频率主要集中在1.2～2.0Hz范围内,波长小于10m的高低和方向不平顺对系统轮轨作用力、脱轨系数及轮重减载率等影响显著增大,应予以重点控制。     

6号对称道岔脱轨机理及影响因素

编组场内使用的主型6号对称道岔发生多起脱轨事故，其安全问题一致未得到有效解决. 为探索脱轨原因、提出合理应对措施，首先基于准静态轮轨接触理论分析道岔区轮轨接触特征，进而建立车辆-道岔耦合动力学模型，以车轮动态抬升量为评价指标分析车辆、轨道、道岔结构参数对爬轨性能的影响特性. 结果表明:轮缘贴靠尖轨尖端时接触角仅为53°，脱轨系数临界值不足0.73，是导致6号对称道岔脱轨风险较高的根本原因；尖轨顶宽5 mm处降低值由14 mm减至10 mm、转辙角由1.1° 降至0.9°、无轨撑扣件的垫板刚度由150 kN/mm降至50 kN/mm等措施，均可使得车轮抬升量保持在3 mm以下；道岔前端设置长度不小于3 m直线段、保持良好的轴箱定位状态、尖轨侧面摩擦系数保持在0.3以下也有利于防止脱轨事故发生.      

无碴轨道动力学理论及应用

根据车辆-轨道耦合动力学理论，建立了列车与路基上无碴轨道空间耦合动力学模型．模型中将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，将轨道板及混凝土底座视为弹性基础上的弹性薄板．推导了路基上无碴轨道的运动方程．用上述模型及方程分析了遂渝线无碴轨道综合试验段路基上板式轨道及过渡段的动力学性能．结果表明，快速客车、重载以及普通货车通过路基上板式轨道时，轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、以及CA砂浆和路基面动应力等动力学指标均小于许用值．该无碴（板式和双块式）轨道与有碴轨道过渡段在客运列车作用下钢轨挠度变化率均小于许用值（0．300mm／m），在货物列车作用下略大于许用值．     

铁道车辆运行安全评判的轮对爬轨脱轨准则

为了掌握车辆爬轨脱轨机理及主要影响因素,分析了轮对的三维空间受力,推导了轮轨横向力和垂向力比值的一般表示式,假设车轮在达到最大轮缘接触角时为脱轨的临界状态,并认为这时轮轨间出现完全摩擦滑动,导出了不考虑轮对摇头角的临界脱轨判别的二维准则与考虑轮对摇头角和轮轨蠕滑率效应的三维脱轨判别准则,给出了轮轴脱轨系数的定义,采用轮轴脱轨系数和轮重减载率进行脱轨的判别。仿真计算结果表明:二维脱轨判别准则与三维准则相比偏于保守;摇头角越小甚至变负,越有利于防止脱轨,摇头角越大,三维准则的临界脱轨曲线越接近于二维准则的;减小轮轨摩擦系数与增大轮缘角均有利于防止脱轨的发生。     

机车车辆轨道耦合几何结构基于面向对象的建模分析研究

将可视化、三维建模等技术引入机车车辆轨道耦合动力学仿真中 ,从系统工程的观点 ,在机车车辆—轨道耦合动力学计算核心模块的基础上 ,提出了基于面向对象的机车车辆—轨道耦合动力学的计算机仿真方法及相应的模型解释和标识机制 ,成功地形成了一个以三维可视输入输出 ,并与核心模块有机结合的机车车辆轨道动力学分析综合仿真平台。     

车辆冲击数值模拟研究

为了研究车辆冲击对车辆运行安全性的影响,依据缓冲器计算理论,利用Simulink软件建立了货车缓冲器动力学修正模型;根据车辆系统动力学理论及车钩计算模型,利用UM软件建立了装用K6转向架的C80货车完整自由度车辆模型.将上述模型联合仿真,实现了车辆冲击的数值模拟.计算结果表明:两组车之间的冲击比一辆车与一组车间的冲击危害更大;车钩和从板质量使车辆产生高频小幅的车钩力;悬挂因素导致完整自由度车辆冲击模型的车钩力比单自由度车辆冲击模型小21.7%;车辆在纵向、横向和垂向存在耦合关系,轮轨垂向力随着冲击质量以及重心高度的增加而增大,轮轨横向力随着车端纵向压力的增加和曲线半径的减小而增大.