重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.     

2万t重载列车制动与起动条件下轮轨动力特性试验研究

为探明长编组、大轴重运输条件下车辆和轨道的动力相互作用问题,基于现场试验方法,研究了2万t重载列车制动与起动条件下的轮轨动力特性,初步掌握了大轴重重载列车制动与起动条件下轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度的响应特征和变化规律,揭示了重载列车制动与起动状态对轮轨性能影响的差异。研究结果表明:列车制动对轮轨垂向力和轨道结构振动加速度的影响较大,其影响随制动时间的增加而逐渐减小;列车起动过程中轮轨垂向力和轨道结构振动加速度随起动时间的增加而增大;列车制动和起动对轮轨横向力及轨道结构位移的影响不大;由于列车制动加速度大于起动加速度,列车制动时的轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度均比起动时要大。     

高速铁路路桥过渡段轮轨力分析

通过武广客运专线某路桥过渡段的现场车检数据分析,对高速铁路路桥过渡段轮轨力随列车速度的变化规律进行研究.结果表明,动车通过路桥过渡段时轮轨垂向力明显增大,且当车速达300 km·h-1及以上时增幅更加明显;在200～340km· h-1车速范围内,轮轨垂向力的变化范围为31.1～100.46kN,最大轮轨垂向力是过渡段内轮轨垂向力有效值的125％～147％;各速度级下的轮轨垂向力均符合正态分布,其平均值基本在50～60 kN范围内,但动车速度越大,轮轨垂向力值越离散;置信概率为99.4％时预测的过渡段上最大轮轨垂向力值在71～90 kN范围内.     

重载铁路典型波磨区段轮轨力仿真分析

钢轨波磨是重载铁路上常见的一种病害，且波磨波长范围较广，为研究列车经过不同波长的波磨区段时轮轨垂向力变化情况，利用ABAQUS软件建立有限元模型，仿真计算不同工况条件下的重载线路轮轨垂向力响应。首先，结合重载铁路轴箱加速度的分析和现场复核，归纳钢轨波磨区段主要参数特征；接着，根据归纳的波磨特征建立有限元仿真模型并利用既有实测数据验证仿真结果的正确性；然后，利用控制变量法计算轮轨动力学在不同车辆轴重、运行速度、扣件刚度和弹簧阻尼参数下的影响特性。最后，通过比较不同波长下的轮轨垂向力发现，相同工况下，重载铁路短波长波磨区段能引起轮轨垂向力更大范围的幅值波动。因此，重载铁路产生钢轨波磨初期，为避免异常的轮轨力，要及时打磨。     

重载铁路桥梁动力响应的随机性分析及最大值估计

为评估现有桥梁通行大轴重列车的可行性,基于某重载铁路桥梁的现场试验数据,对不同轴重列车以不同运行速度通过桥梁时桥梁动力响应的随机性进行分析,并且结合3倍标准差原理进行动力响应最大值估计。结果表明:在60~80km·h~(-1)的速度范围内,列车速度对桥梁的竖向挠度和横向振幅影响不大;随着列车速度的提高,桥梁的竖向振幅缓慢增加,而且桥梁跨中的横、竖向强振频率和振动加速度也呈逐渐增大趋势;随着货车轴重的增加,桥梁的竖向挠度呈近似线性增加趋势,振幅和振动加速度也不断增大;25t轴重运营列车引起的桥梁动力响应的概率密度离散程度较大,而试验列车的离散程度较小;在相同列车速度条件下,跨中的横向响应比竖向响应的随机性大,振幅和振动加速度的随机性相当,竖向挠度的随机性最小;对1座孔跨布置为2-24m的低高度预应力混凝土T型简支梁桥的动力响应最大值估计的结果表明,该桥能够通行75km·h~(-1)速度以下的30t轴重列车。     

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。     

土质路基上板式无砟轨道结构的动力学性能仿真研究

依据系统工程理论的思想,基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,建立机车车辆和板式无砟轨道结构的力学模型,采用ABAQUS软件实现滚动接触过程的轮轨接触的模拟,对铁路客运专线土质路基板式无砟轨道结构在高速行车条件下的动力学性能进行仿真分析研究。结果表明：板式无砟轨道结构的平顺性很好;动车组轮轨垂向力、轮重减载率、轮轨垂向力动载系数和各轮脱轨系数的最大值及其离散性均随着列车速度的提高而增大,整个动车组所有车轮的轮轨横向力最大值以及各轴的轮轴横向力均远小于安全控制值;板式无砟轨道结构各部分的振动加速度和主要振动频带范围随着列车速度的增大而增大;板式无砟轨道结构的振动衰减情况良好。     

重载机车垂向振动特性分析

随着重载列车运行速度和轴重的增加,列车对轮轨激扰的敏感性增强,深入研究重载机车振动特性及频率分布规律对确保重载列车的安全运行具有重要意义。基于重载机车双机牵引万吨列车线路试验,获得重载机车轴箱、构架以及车体的垂向振动加速度,分析重载机车在实际运行中各关键部件振动加速度峰值、振动频率分布和振动传递规律。研究结果表明:轨枕间距引起的垂向振动在轮对、构架和车体振动中均有明显体现;从轮轴、构架到车体的传递过程中,高频振动衰减明显。     

钢轨焊接接头激励下的轮轨垂向力特性

为研究车辆高速运行条件下钢轨焊接接头不平顺引起的轮轨动态响应规律,利用ABAQUS软件建立轮轨有限元接触模型,引入不同形状的焊接接头不平顺作为轨道子模型边界条件,并利用一高速铁路焊接接头不平顺及轮轨垂向力实测数据验证了模型的可靠性;利用模型仿真计算不同车辆运行速度和焊接接头不平顺幅值条件下的轮轨垂向力,并分析轮轨垂向力等势线分布特征。研究结果表明:轮轨垂向力受焊接接头不平顺幅值的影响程度随车辆运行速度的增加而增大;为使钢轨焊接接头不平顺引起的轮轨垂向力不大于170 kN,不同速度等级的线路应该限定相应的焊接接头不平顺幅值管理值;对于300～350 km/h速度等级的线路,凸型焊接接头不平顺幅值不应超过0.27 mm,凹型焊接接头短波不平顺幅值不应超过0.30 mm.     

CRH3高速列车多边形磨耗车轮通过钢轨波磨区段的轮轨力研究

车轮多边形磨耗和钢轨波磨磨耗普遍存在于服役列车和典型线路上,针对这2种磨耗形式下的轮轨力学特性开展研究.建立柔性轮对的CRH3型高速列车刚柔耦合模型,构建车轮多边形与钢轨波磨的数学模型,分析200～350 km/h速度级下,波深、幅值均为0.01～0.04 mm,20～24阶车轮多边形磨耗与120～150 mm波长的钢轨波磨磨耗下对轮轨力的影响.研究结果表明:不同速度级下,车轮多边形阶次为20阶时,轮轨垂向力随着速度的增加而增大;改变车轮多边形的阶数、幅值,轮轨垂向力的大小随着多边形的阶次、幅值增大而增大;在考虑通过钢轨波磨区段的车轮多边形磨耗影响下,轮轨垂向力会出现明显的拍振现象,并且出现2个主频;当多边形阶次增加,轮轨垂向力的大小有所增大,但随着钢轨波磨波长的增加呈减小的趋势;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形幅值达到0.04 mm,车轮多边形阶数大于20阶,需要及时对车轮或钢轨进行镟修打磨工作,建议车轮多边形阶数为22阶、23阶、24阶分别对应钢轨波磨波深限值为0.04,0.03和0.024 mm.     

重载铁路路基动荷载特征

通过朔黄铁路30 t轴重列车试验,分析重载铁路路基基床动荷载幅值和分布特征,研究重载列车与普通列车作用下路基动荷载的区别。研究结果表明:重载铁路路基动荷载与轴重基本呈线性关系,30 t轴重下平均值为59 kPa,最大值达到123 kPa,轴重从25 t提高至30 t,路基动荷载增大约20%;动荷载的影响分析须考虑前后车厢相邻转向架叠加的影响,重载列车邻轴距小,相邻转向架的四轴之间相互融合,路基动荷载纵向剖面基本上呈"矩形波"形态分布,普通车邻轴距较大,相邻转向架之间的叠加不明显。重载铁路路基动荷载特征的分析为重载铁路路基基床结构的设计和评估提供了重要技术支撑。     

轮轨内部剪切应力及其影响因素的研究

文中计算了在垂向力、摩擦力以及垂向力和摩擦力联合作用下轮轨内部剪切应力的分布，研究了轴重、车轮踏面外形、车轮直径以及轮轨间摩擦系数对轮轨内部剪切应力的影响。并指出，降低轴重、采用磨耗形踏面，增大车轮直径都可以降低轮轨内部的剪切应力，以及随着轮轨间摩擦系数的增加，轮轨内部剪切应力不仅其值在增大，而且其位置也逐渐移向表面。     

路基基床动应力响应特征的数值模拟研究

以朔黄重载铁路为工程背景,运用ABAQUS软件建立车辆-轨道-路基相互作用有限元模型,分析重载列车运行下基床的动力响应特性,引入典型轨道谱分析轨道高低不平顺对基床动力响应的影响。结果表明:随着深度的增加,基床表面以下动应力横向分布由双峰型逐渐转变为单峰型;相邻车厢转向架通过时,基床表面处动应力存在明显的叠加效应;基床不同位置处动应力峰值基本随列车轴重的增加线性增大;既有重载铁路基床厚度设计标准(2.5m)尚难以适应运行轴重30t及以上重载列车;轨道高低不平顺使路基内动力响应加剧,不同位置处路基面动应力差异增大。根据三倍标准差原理,用正态分布函数估算重载列车和轨道高低不平顺共同作用下路基面处的最大动应力。研究结果可为重载铁路路基设计及既有线扩能改造提供参考。     

既有万吨重载铁路提速条件下轮轨动态相互作用特性北大核心

为研究我国某万吨重载铁路既有线提速的可行性,开展列车通过不同线路条件时轮轨动态相互作用特性的仿真和试验研究。建立万吨重载货车在线路上运行的动力学分析模型,计算分析其空载、满载以及直线、曲线通过等多种工况下,不同运行速度对轮轨动态相互作用的影响;对万吨重载列车开展了提速动力学试验,测试重载列车提速通过时的轮轨动态相互作用特性。结果表明:万吨重载列车的轮轨动态相互作用均随车辆运行速度的增加而增大,曲线线路区段产生的轮轨相互作用更加剧烈,但均小于安全标准限值且有一定的安全余量。     

局部平顶型不平顺激扰下的轮轨动力分析

通过MATLAB软件模拟平顶型不平顺,作为机车模型的外部激扰输入,根据机车动力学理论,以机车轮轨动力指标为依据,运用SIMPACK多体动力学仿真软件,分析了小跨度桥的局部平顶型不平顺的幅值A、与不平顺波长相关的系数K和平顶长度L对轮轨系统动力性能的影响,给出了80~160 km/h速度下,轮轨垂向力、轮重减载率等重要指标,确定出危险速度。仿真结果表明,平顶型不平顺的幅值A和不平顺的系数K的增大,对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值都有不同程度的影响;但平顶长度L对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值几乎没有影响。     

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。     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

高速铁路有砟轨道轮轨附加动荷载取值研究

为提出符合我国高速铁路有砟轨道线路质量状态的轮轨垂向附加动荷载取值,运用ANSYSLS-DYNA软件建立车辆-轨道耦合动力学模型,结合统计学理论,分析轮轨力统计特征值随车速、扣件刚度、簧上簧下质量与轨道质量状态等参数的变化规律。利用线路质量指数TQI管理标准作为表征线路质量状态的依据,仿真计算不同轨道质量状态下轮轨力随车速变化规律,进而提出高速铁路有砟轨道轮轨附加动荷载建议计算公式。研究结果表明:不同工况下轮轨力平均值与车辆静轮重基本相同;轮轨力标准差随车速、扣件刚度、簧上质量、簧下质量增大而增大,随轨道质量劣化而增大;当列车速度等于330 km/h且轨道质量状态较差时仿真得到的动力系数为1.99,速度大于330 km/h后大于无缝线路设计规范取值。     

高速铁路轮轨垂向力与轨道高低不平顺关联特性

采用ABAQUS商业软件建立三维轮轨接触有限元模型,以中国高速铁路线路和典型服役车辆参数作为模型仿真参数,分别将中国高速铁路无砟轨道高低不平顺谱和余弦型轨道高低不平顺作为模型输入,仿真分析轨道高低不平顺幅值、波长与轮轨垂向力响应之间在时频域上振幅、相位的关联特性,并拟合不同车速下附加轮轨垂向力与轨道高低不平顺特征参数之间的函数表达式。结果表明:附加轮轨垂向力的波动范围随轨道高低不平顺波长的增加而非线性减小;轨道不平顺及轮轨垂向力之间的延迟相位随激振频率的增加而增加,整体处于0.02π～0.10π之间;轨道高低不平顺波长大于30 m时,附加轮轨垂向力与轨道变化率呈近似线性关系,二者之间的比例系数在车速300和350 km·h~(-1)时分别为13.14和19.19。     

重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.