直线工况轴重对轮轨磨损影响的试验研究

采用模拟试验方法,在试验室内模拟不同轴重货车运行于60kg/m直线PD－1钢轨情况,研究轴重对轮轨磨损的影响,试验结果表明,25吨轴重时,车轮和钢轨的磨损率均明显大于21t和23t轴重时的磨损率,因此,在我国现行铁路标准下,将货车轴重由21吨提高到25吨是不适宜的。     

货车采用不同轮径时轮轨接触应力分析

加大车辆轴重是提高铁路运输能力的重要方法，但这势必会引起轮轨接触应力的增加。本文从理论计算和实验分析两个方面，研究了加大车轮直径对改善轮轨接触应力的关系，计算及实验结果表明，将货车车轮直径由840mm加大至915mm是有利的。     

低轮轨力转向架车轮辐板形状优化的可行性研究

增加列车轴重是提高铁路货运能力的一种有效手段,但货车轴重的增加,必然引起一系列的强度问题。采取把车轮直径由840mm增大为915mm,可以保证强度要求,但也增加了轮对死重。本文探讨了一种在不增加轮径的前提下,仅通过对车轮辐板进行形状优化,就可使其在25t轴重下可靠工作的优化设计方法。结果表明,对车轮轮辐断面形状优化后,可较大幅度地降低其温度应力,有可能使840mm车轮在25t轴重下的应力接近甚至低于原结构在21t轴重下的应力水平。     

重载轨道曲线几何参数对轮轨耦合动力特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据中国最近研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架及C_80E型通用敞车的实际结构和重载铁路曲线轨道结构特点及其技术规范要求,建立了曲线轨道的重载铁路货车-轨道耦合动力学模型;基于新型快速数值积分方法、Hertz非线性弹性接触理论和Shen-Hedrick-Elkins非线性轮轨蠕滑理论,应用计算机仿真计算了不同工况下重载货车曲线通过时的轮轨耦合动力特性,分析了曲线半径、缓和曲线长度和外轨超高等曲线几何参数对重载货车轮轨动力作用的影响。分析结果表明:曲线半径在400~800 m范围内变化时对轮轨动力影响极为明显,而当曲线半径大于800 m后其影响逐渐弱化,重载铁路曲线半径一般不应小于800 m;增加缓和曲线长度能在一定程度上降低重载货车轮轨动力作用,但其作用效果存在长度拐点,拐点前效果明显,拐点后影响甚微,且曲线半径和运行速度都会影响拐点的具体位置,建议根据拐点位置来确定不同曲线半径线路的最小缓和曲线长度;过大的欠超高或过超高均会加剧重载货车曲线通过时的轮轨动力作用,但在欠超高为-20~0 mm时重载货车的综合轮轨动力响应相对较小,即保持货车以适当的欠超高(-20~0 mm)通过曲线有利于降低轮轨动力和磨耗,这与中国铁路工程运输实际设置的欠超高取值范围一致。      

重载铁路轨道结构受力特性仿真分析

重载铁路朝大轴重、高运量、高密度的方向发展,对轨道结构提出了更高的需求。轨道结构在列车荷载作用下的受力特性与轨道部件尺寸、材料参数等有关。在已有研究基础上,充分结合朔黄铁路现场实测数据,采用有限元方法建立重载铁路轨道结构仿真模型,计算分析了不同轴重及不同轨道参数下的重载铁路轨道结构的受力特性(包括钢轨、轨枕、道床、路基面的弯矩、应力、变形等)。研究结果表明:列车轴重对钢轨位移与应力影响最大;采用Ⅲ型轨枕、减小轨枕间距有利于减小轨道结构受力;道床弹性模量对钢轨位移影响较大,而道床厚度对受力特性影响较小。     

货运繁重公路的车辆荷载谱和疲劳车辆模型

为研究货运繁重公路的车辆荷载谱和疲劳车辆模型,基于佛山平胜大桥的动态称重系统采集的多时段车流数据,归类出了车辆荷载谱的10类代表车型,分析了代表车型的轴距、质量、轴重和超载数据,以及沿不同车道的车辆和轴重分布特性,提出了可用于钢桥疲劳评估的车辆荷载谱;以疲劳加载率最大的六轴车辆为原型,基于疲劳损伤等效原则分别提出了桥梁单向重载车道的疲劳车辆模型和简化疲劳车辆模型。计算结果表明:平胜大桥呈现货运繁重公路的典型特征,车辆日均通行总量达到了45 065veh,约为《AASHTO LRFD》定义的日均通行量20 000veh的2.3倍;疲劳车辆在全部交通流中的比例为51.6%,为《AASHTO LRFD》定义的20.0%的2.6倍;货车占疲劳车辆总数的45.2%,主要分布于重载车道,而且通行货车超载比例占到相应车型的30%~70%,最大超载货车达到了132.5t;两轴货车超载率为29.0%,等效质量达到17.5t,后轴等效轴重达到12.1t,因而不能忽略两轴货车的疲劳加载贡献。对比《AASHTO LRFD》五轴标准疲劳车辆模型(前轴轴重为2.6t,中间双联轴和后面双联轴的单轴轴重均为5.4t)和简化标准疲劳车辆模型(前轴为2.6t,中轴和后轴均为10.8t),提出的六轴单向疲劳车辆模型总质量为33.1t,前轴轴重为3.6t,中间双联轴和后面三联轴的单轴轴重均为5.9t;简化单向疲劳车辆模型的前轴轴重为3.6t,中轴和后轴分别为11.8、17.7t;针对重载车道提出的六轴疲劳车辆模型总质量达到了36.5t,前轴轴重为4.0t,联轴中的单轴轴重均为6.5t;对应的重载车道简化疲劳车模型的前轴轴重为4.0t,中轴和后轴轴重分别为13.0、19.5t。     

25t轴重货车的可行性研究

本文首先分析了带有传统三大件转向架货车的轴重由２１ｔ提高为２５ｔ后轮轨动力作用的变化情况。通过研究，提出改变我国传统转向架结构和优化参数的途径来降低轮轨的动力作用并探讨在既有线路上实现２５ｔ轴重的可行性。     

一系垂向悬挂对重载货车轮轨动力作用的影响

为了实现机车车辆低动力作用,基于车辆/轨道耦合动力学原理,应用车辆与线路最佳匹配设计方法和车辆/轨道空间耦合动力学模型,仿真分析了重载货车一系垂向悬挂对轮轨动力作用的影响,优化了一系悬挂参数,降低了重载货车轮轨动力的相互作用.研究结果表明:一系垂向刚度对车辆轮轨动力作用影响甚微,一系垂向阻尼在高量值范围增加阻尼值,减轻轨道结构的振动,加剧车辆本身振动;重载货车一系垂向阻尼取50～500 kN.s/m为宜.     

大秦线钢轨侧磨原因分析及减磨措施

简要叙述了钢轨侧磨的机理,重点分析了列车牵引重量、轴重和曲线半径对侧磨的影响,认为大秦线上钢轨减磨的对策应当是在加强轨道养护的基础上逐步配套强化轨道结构。      

长大列车通过弹性曲线轨道仿真求解方法研究

为解决长大列车与连续长弹性轨道的同步仿真问题,以列车通过曲线轨道为例,采用重载列车-轨道耦合动力学模型,分析了压钩力作用下轨道结构与30 t轴重列车的动态特性,提出了长大重载列车与轨道动态相互作用仿真时模型的简化求解方法.该方法将庞大的列车/轨道耦合振动系统以有限数目的三维车辆模型代替,并考虑其轨下基础结构弹性,从而极大缩减系统运动自由度.研究结果表明:列车可简化为单质点车辆模型和三维车辆模型混合的短编组列车,当模型中只包含一个三维车辆模型,且其前、后车辆均以单质点模拟时,计算结果偏低;列车承受2 200 kN压钩力并通过400 m半径曲线线路时,货车最大轮轨横向力和垂向力较多节三维货车编组模型的计算结果分别低估了24%和4%,钢轨横向、垂向位移则被低估了20%和8%;端部车辆采用单质点模型、中部采用三维车辆模型的车辆数至少为3时,才能较为准确地反映中间目标车辆处轮轨作用力和其下部轨道结构的动态特性.      

高速列车驱动车轴动态特性分析

将车轮和轴箱分别简化为集中质量和转动惯量,用连续弹性Timoshenko梁模拟变截面车轴,建立弹性轮对与轨道耦合垂向动力学模型,分析车轴动态刚度与轮轨作用力、车轴自身振动特性和车轴动应力的相互关系。发现:轮对的一阶和二阶固有频率分别由76.34Hz和130.03Hz降低到53.68Hz和100.02Hz,车轴的一阶模态振动加速度和弹性振动位移分别增加60.12%和92.21%,轮轨动作用力增加6.23%,车轴轮座内侧和轴颈危险截面的动应力分别增加39.30%和34.13%。分析结果表明:轮轨动作用力和车轴的动应力随着车轴动刚度的降低而增加,因此,提高轻量化轮对的固有频率和动态刚度能保证高速列车安全运行和提高车轴疲劳强度。     

基于有效路形的车辆振动模型

为了更加有效地分析车辆与路面突起的接触过程,将轮胎简化为刚性圆环,对现有有效路形的定义进行了改进,将有效路形从原有的轮心轨迹转换为轮胎最低点的轨迹,推导了有效路形的一般求解方程,建立了以有效路形作为路面激励输入的2自由度车辆振动模型,并进行了车辆平顺性仿真及试验验证。分析结果表明:以有效路形作为路面输入的仿真结果与实车道路试验结果有着良好的一致性,以有效路形为路面输入时,车轴加速度平均相对误差为5.17%,车身加速度平均相对误差为1.71%;以实际路形为路面输入时,车轴加速度平均相对误差为12.93%,车身加速度平均相对误差为28.48%。     

弹性支承块式无砟轨道冲击振动传递衰减特性试验

针对重载铁路弹性支承块式无砟轨道(LVT)在实际应用中出现的弹性部件变形过大、易损坏等问题, 优化设计了既有弹性支承块, 将支承块短侧边坡度由1∶17.00调整为1∶4.85, 取消了块下垫板, 并采用一体化弹性套靴; 为验证设计成果, 建立了传统型LVT和改进型LVT足尺模型, 采用质量为1 120 kg的重载货车轮对, 以20 mm的落高进行落轴冲击试验, 分别从时域和频域角度对比分析了冲击作用下竖向振动在钢轨、支承块、道床板、底座板及地面等结构部件沿线路纵、竖、横向的传递衰减特性。研究结果表明: 轮轨产生的高频振动能量沿钢轨纵向传递, 低频振动能量传递给下部其他轨道结构; 竖向冲击振动在纵、竖向传递的过程中不断衰减且衰减速率逐渐降低, 在支承块和道床板表面横向传递过程中, 向外侧边缘传递振动增大; 相比传统型LVT, 改进型LVT整体弹性系数减小21.1%, 而阻尼系数增大5.4%, 其振动周期、衰减时长、振动峰值分别比传统型LVT小37.0%、21.3%和3.4%, 各结构部位功率谱密度峰值比传统型LVT小30%以上; 改进型LVT轨道结构各部位Z振级比传统型LVT小, 在地面处减小了3.65 dB, 能更有效、迅速地衰减轮轨冲击力和轨道结构振动, 振动水平更低, 降低了冲击作用对环境的影响。研究结果对于开展LVT减振性能试验验证、优化与工程应用有参考价值。      

载重货车后桥疲劳寿命分析

以安凯车桥13t载重货车后桥桥壳为研究对象,以有限元静力学分析为基础,得出了零件的应力和变形分布图,并最终达到分析车桥疲劳寿命,预测车桥振动疲劳寿命,分析裂纹生成机理并分析裂纹延展趋势.与台架试验结果进行对比,仿真数据与试验结果基本一致,验证了所建立模型的合理性.为车桥的强度评价提供了相关数据.得到的结果满足汽车驱动桥台架试验评价指标,车桥疲劳强度满足使用要求.     

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响,分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析,通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型,分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响,并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验,在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验;对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验,论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明:在钢轨波长为120 mm,车轮多边形为20阶,钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下,当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m-1增加到200 MN·m-1时,钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变,在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下,轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响;随着疲劳试验次数的增加,轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降,退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变,芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹,开胶和裂纹深度不大于5 mm,橡胶本体均无裂纹,各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。      

浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究

为了提升浮置板轨道的减振效果,阻碍浮置板垂向振动能量向轨下基底的传播,提出了一种基于声子晶体局域共振机理的浮置板轨道隔振器. 运用有限元方法研究了声子晶体隔振器的局域共振带隙特性,并验证了带隙频率范围内声子晶体隔振器对振动的抑制作用;计算了声子晶体隔振器的垂向刚度,建立了三维声子晶体隔振器浮置板轨道有限元模型;计算了整体结构的力传递率与基础加速度响应,并与传统钢弹簧浮置板的计算结果进行了对比. 研究结果表明,声子晶体隔振器存在声子晶体局域共振带隙,对50～150 Hz频带内的振动有抑制作用;声子晶体隔振器与传统钢弹簧垂向静刚度相近,均为6.0 kN/mm;保留了钢弹簧浮置板轨道的低固有频率隔振性能,并且在50～120 Hz频带具有带隙抑制特性,在51 Hz附近力传递率可减小10 dB左右;基础加速度响应在51～150 Hz频带内明显小于普通钢弹簧浮置板轨道,其中51～60 Hz频带内基础加速度相比钢弹簧浮置板轨道减小30%左右. 因此声子晶体隔振器有助于提高浮置板轨道的减振性能.      

400 km·h-1变轨距动车组转向架关键技术综述

针对国内400 km·h-1变轨距动车组转向架的研发和设计问题,在借鉴国外成熟变轨距转向架技术的基础上,重点研究了国内高速变轨距动车组转向架的5个关键问题,即牵引电机布置方式、轮对驱动方式、轴箱轴承、变轨机构、基础制动及撒砂装置,对研究中发现的问题提出了相应的解决措施。研究结果表明:电机架悬和体悬都可以给制动盘的安装让出空间,但是电机与所驱动的车轴之间都会产生相对位移,需要采取运动补偿措施;为了满足400 km·h-1变轨距动车组车轴尺寸和转速要求,需研发新型轴箱轴承;变轨机构的存在会使转向架簧下质量增大,所以研制的变轨距转向架应尽量采用轻量化设计;考虑到制动效率和夹钳随动问题对变轨距转向架制动效果的影响,基础制动应优先采用轴盘制动,其次为轮盘制动;动车组转向架尽量不采用撒砂装置,若非用不可,考虑在砂箱和喷砂嘴之间采用软管连接,以适应变轨距时的运动补偿;在对变轨距转向架进行研发的同时,应注意地面变轨设施的广泛使用,使之达到简统化、标准化的要求;变轨距转向架的研制必须考虑不同轨距铁路的限界要求,轨距相差越大,对限界要求也就越高。所研发的动车组整车于西南交通大学滚振试验台上,在施加中国客运专线线路谱激扰的情况下,最高运行速度达到了602 km·h-1,并于2020年10月21日成功下线。      

铁路重载货车轮对弹性振动及其动态影响

为研究轮对弹性振动特性及其对重载货车动力学性能的影响，以30 t轴重重载货车为研究对象，对轮对刚、柔建模时的整车运动稳定性、曲线通过性能等进行了对比研究. 首先，给出了多体动力学中弹性体的数学建模方法；其次，建立轮对柔性体有限元模型，分析了轮对的弹性振动模态，进一步将其集成于多刚体系统中，形成重载货车刚柔耦合动力学分析模型；最后，针对货车多刚体和刚柔耦合两类建模方法，以干线不平顺叠加短波不平顺作为系统激励源，对比分析了重载货车的轮对振动响应、蛇行运动稳定性以及动态曲线通过性能的差异. 研究结果表明:相对刚性轮对而言，柔性轮对的变形能够缓和轮轨刚性冲击，同时弱化轮轨间的刚性约束能力，导致其振动幅度降低，使得车辆非线性临界速度下降约9%，通过小半径曲线时，轮轨横向力也降低了约13.7%，轮对弹性振动对重载货车动态性能的影响同样不容忽视.      

轨道动力学模型与数值方法研究进展

随着列车速度的提高和轴重的增加,车辆与轨道之间的相互作用更加激烈.深入开展轮轨动态作用机理研究,对高速重载铁路安全平稳运行具有重要意义.文章回顾了轨道动力学模型的研究进展,重点介绍了五种轨道动力学模型及算法,即车辆-轨道-路基非线性耦合系统交叉迭代算法,新型车辆单元和轨道单元模型,列车轨道系统动态分析的移动单元法,移动...     

钢轨轧制不平顺激扰下的动车组动力响应特性

以某有砟客运专线中出现波长为3.2 m的轨道周期性高低不平顺、继而引起“抖车”现象的线路区段为对象,基于同步压缩小波变换提取了轨道几何动、静态检测数据在大机捣固前后的时频分布特征,并结合钢轨轧制流程的梳理分析,明确了轨道周期性高低不平顺的成因,即可能由钢轨轧制过程中复合矫直工艺不良引起. 在此基础上,探究了钢轨轧制不平顺与车辆各部件振动加速度以及轮轨接触力的关联关系,获取了钢轨轧制不平顺对车辆动力响应的影响规律. 结果表明:轧制不平顺使得轴箱、转向架、车体垂向加速度的相干函数分别达到0.97、0.96和0.76,较正常区段分别增长了5%、25%和300%;轮轨垂向力相干函数增长42%,达到0.94,说明轧制不平顺与车辆各部件的振动响应和轮轨接触力密切相关;轧制不平顺将轴箱和车体垂向加速度均方根（root mean square,RMS）值分别放大1.00 m/s2和0.05 m/s2左右;轧制不平顺与轴箱垂向加速度和轮轨垂向力RMS值线性相关性最强,相关系数分别达到0.9和0.8.