冲角对换轨机器人准静态脱轨判别研究

针对换轨机器人脱轨系数具有保守性,轮重减载率作为辅助判别指标却没有统一标准的问题,提出以冲角判别换轨机器人脱轨的判别方法。结合脱轨系数与轮重减载率的定义,引入列车准静态脱轨判别准则,建立轮对力矩准静态模型,构建换轨机器人多参数耦合的脱轨判别式,探究不同摩擦因数、不同轮缘角下冲角与脱轨系数的函数关系以及冲角与脱轨判别式的映射关系式。研究结果验证了理论的正确性,增大轮缘角、降低轮轨间摩擦因数有利于降低脱轨危险性,合理解释了脱轨系数达到脱轨标准时,换轨机器人没有发生脱轨的现象,为换轨机器人准静态脱轨的进一步研究奠定理论基础。     

大风灾害引起的货物列车脱轨全过程分析

针对货物列车在大风灾害下的安全运行问题,基于列车-轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析理论,提出大风灾害下列车脱轨全过程计算方法。以我国常见的大风灾害为对象,计算运营速度下货物列车在8~10级大风环境中的脱轨全过程,对脱轨机理、轮轨几何接触状态及轮轨相对位置进行分析。研究结果表明:大风灾害引起的列车-轨道系统输入能量的增加是导致货物列车脱轨的主要原因;随着风速及车速的增大,系统输入能量随之增加,转向架与钢轨的横向相对位移增大明显,但转向架摇头角变化较小;另外,曲线线路上列车横向振动更加剧烈,其中转向架与钢轨横向相对位移及转向架摇头角均大于直线上的相应值,其最大分别为87.3 mm和4.59°。上述机理及数据可为列车车轮脱轨掉道检测装置提供参考,确保列车在脱轨瞬间及时停车。     

考虑冲角影响的改进脱轨准则

根据轮对的准静态平衡方程确定车轮脱轨的临界条件.定义横向蠕滑力与法向力之比为等效摩擦系数,研究冲角和摩擦系数对脱轨临界状态时等效摩擦系数的影响规律.结果表明:轮缘接触侧和踏面接触侧的等效摩擦系数均与冲角呈现明显的反曲函数特征.通过以Boltzmann反曲函数拟和等效摩擦系数与冲角及摩擦系数的关系,提出了考虑冲角、摩擦系数及轮缘角影响的改进脱轨系数判别公式和轮重减载率公式.改进的脱轨系数判别公式不失Nadal脱轨准则的简洁性,改进的轮重减载率公式能够考虑作用于轮对上的横向力和垂向力的影响.改进公式的准确度受轮缘角和摩擦系数的影响不大,对不同的轮轨踏面配合及不同摩擦系数均可提供满意的脱轨判别限值.     

带径向机构的铰接式单轴转向架独立轮对导向特点分析

研究了带径向机构的铰接式单轴转向架独立轮对导向特点。理论上分析了传统轮对和独立轮对的导向原理,在SIMPACK中建立了5节编组的Talgo列车动力学模型。结合Talgo列车三角拖动式结构研究了独立轮对的对中性能。对比了带径向机构的独立轮对、不带径向机构的独立轮对以及传统轮对在曲线通过时的轮对冲角、磨耗指数、脱轨系数和车轮横向力,指出径向机构可以有效降低轮对冲角和车轮磨耗,并分析了不同轮对脱轨系数差异较大的原因。     

曲线上轨道缺陷对高速列车安全性的影响

应用多刚体动力学软件建立列车-轨道耦合动力学模型,研究8辆编组的CRH380B型高速列车通过有轨道缺陷存在的S形曲线时的安全性。分析工况为在缓和曲线区段、圆曲线区段和夹直线区段设置轨距突变、三角坑以及两者组合缺陷。研究结果表明:轨道缺陷的类型及其所在的位置对高速列车通过曲线时的安全性有影响;缓和曲线和圆曲线区段的轨距突变和三角坑缺陷幅值为5 mm时,高速列车以最高限速通过轨道缺陷位置时,脱轨系数和轮重减载率均超限。     

金温线横向振幅超限桥梁的列车走行性分析

金温线部分桥梁横向振幅超过<检规>规定的行车安全限值,运营部门担心存在脱轨危险,急需对这些桥梁列车走行性进行评估,以便采取适当的处理措施.建立列车-桥梁系统振动计算模型,运用列车脱轨能量随机分析理论,分析了金温线4座预应力混凝土梁桥的列车走行性.分析结果表明:在现行行车条件下,武义江桥、岭下桥与好溪桥列车走行安全性、平...     

高速铁道车辆蛇行脱轨安全性评判方法研究

通过建立轮轨三维几何接触模型、整车动力学分析模型和轮轨碰撞模型,分析高速铁道车辆蛇行失稳后的蛇行脱轨过程及其影响因素.高速铁道车辆的蛇行脱轨过程是一个爬轨和跳轨并存的复杂过程,轮对的名义冲角和有效冲角分别对准静态的爬轨和动态的跳轨起着重要影响作用;随着轮对横移速度的增大、轮轨摩擦系数以及车轮垂向载荷的减小,车轮的跳轨高度越大;横向蠕滑力在整个蠕滑力中所占比例以及轮对横向运动能量越大,车辆越容易脱轨.因此高速铁道车辆的蛇行脱轨安全性应根据轮对横移速度限值并考虑车辆的横向运行稳定性进行评判.当高速铁道车辆分别表现为“超临界”和“亚临界”的蛇行失稳极限环分岔形式时,可分别采用转向架横向加速度移动均方根值方法和转向架横向加速度限值对其横向运行稳定性进行评判.     

客运专线变坡点对普速客车运行安全性的影响

应用多体动力学软件UM建立了20辆编组的25T型普速客车三维耦合列车系统动力学仿真模型,考虑了车钩缓冲装置及车端摩擦阻尼,通过线路试验数据对仿真模型进行验证。应用铁科院自主研制的列车纵向动力学仿真软件建立25T型普速客车的纵向动力学仿真模型。通过列车纵向动力学仿真模型和三维耦合列车系统动力学仿真模型的联合求解计算,分析列车通过客运专线相邻坡段坡度差较大的变坡点时车钩力、车辆动力学响应的变化。研究结果表明:凸形变坡的纵向拉钩力大,凹形变坡的纵向压钩力大。对于凹形变坡线路,下坡制动产生较大的纵向压钩力对车辆动力学响应影响较大。对于坡度差30‰的凹形变坡线路,列车以160 km/h通过变坡点时的动力学性能指标明显增大,乘坐舒适性较差;当运行速度减小到120 km/h时,车辆的脱轨系数、轮重减载率、车体横向振动加速度和垂向振动加速度均减小约25%。     

考虑风向角影响的风-车-桥耦合振动研究

研究目的:气流流经列车时,由于大气来流、线下结构和地形条件等影响,列车所受风荷载不一定为横风情况(90°风向角)。针对不同风向角下,风荷载作用下的列车通过典型铁路桥梁的动力问题,本文以20跨32 m高速铁路简支梁桥为背景,对不同风向角下桥上列车的气动特性进行风洞试验研究,并通过建立的基于刚柔耦合法的风-车-桥系统模型进行动力响应分析。研究结论:(1)随着风向角的减小,车辆的阻力系数逐渐减小;(2)随着风向角的减小,车辆的轮轴横向力、轮重减载率、脱轨系数和横向加速度动力响应值呈减小趋势;竖向加速度无明显变化规律,但在风向角为90°时竖向加速度最大;(3)横风情况时车辆的各动力响应值最大,行车最为不利;(4)本研究成果可为考虑复杂来流情况的风-车-桥耦合振动分析提供参考。     

轻重车辆混编对列车脱轨安全性的影响分析

应用列车-轨道时变系统空间振动随机分析理论[1-4],详细计算分析了不同的轻重车辆混编对脱轨系数及轮重减载率的影响,尝试用改善轻重车辆编组的方法提高列车脱轨安全性的可行性.     

基于突变理论的岩溶区路基顶板安全厚度分析

对岩溶区溶洞顶板稳定性常用计算方法进行分析.在此基础上,根据岩溶区路基溶洞顶板工程特点及溶洞顶板受力特性,建立岩溶区路基的力学模型.并引进突变理论,通过建立相应能量势函数和分叉集方程,导出岩溶区路基承载力及其下伏溶洞顶板安全厚度确定的尖点突变模型,结合岩溶区路基下伏溶洞顶板失稳破坏条件,由此提出了岩溶区路基下伏溶洞顶板安全厚度的确定方法.通过工程实例对本文方法进行验证.结果表明,该方法能满足工程要求,具有一定的理论价值与工程实用价值.     

地道桥上列车脱轨系数试验研究

运用试验的方法对列车通过地道桥时的脱轨系数进行了研究。根据实测的列车过桥时的轨道力，分别分析了客车与货车过桥时脱轨系数的变化规律，并统计出脱轨系数与车速关系的经验式，利用经验式对提速列车的脱轨系数进行了估计。     

地道桥上列车脱轨系数试验研究

运用试验的方法对列车通过地道桥时的脱轨系数进行了研究，根据实没蝗列车过桥时的轨道力，分别分析了客车与货车过桥时脱轨系数的变化规律，并统计出脱轨系数与车速关系的经验式，利用经验式对提速列车的脱轨系数进行了估计。     

风向角对CRH2列车气动特性的影响研究

为研究不同风向角下高速铁路列车气动力特性,分析流线型列车周围流场结构差异对列车气动力影响,以高速铁路典型CRH2列车为研究背景,采用风洞试验和数值模拟相结合的研究手段对不同工况下列车气动力和流场结构进行分析。研究结果表明:测压和测力试验结果具有很好的一致性,数值模拟与风洞试验结果吻合良好,可用来分析风向角对列车气动特性的影响;分析得出头车和中车的风压分布和气动力变化规律显著不同,随着风向角的增大,头车侧力系数和升力系数先增大后减小,在风向角为60°左右达到最大值,中车侧力系数和升力系数一直增大,列车绕流状态具有明显的三维特性,不同风向角下气流绕列车呈不同绕流形式,在小于60°风向角下,列车绕流场主要呈流线型结构绕流特性,而大于60°风向角下,列车绕流场主要表现为钝体绕流特性,两种不同绕流状态导致列车气动力特性差异。     

市域快速轨道交通曲线超高研究

市域快速轨道交通是一种服务于市域范围内中长距离客运的轨道交通类型。本文采用多体动力学软件,建立车-线耦合系统动力学仿真模型,对运营在曲线地段处于欠超高状态下的列车进行动力响应分析。计算结果表明:当车辆运行于曲线地段时,内、外轨的轮轨横向力均有所增大;外轨的轮轨竖向力明显增大,内轨的轮轨竖向力明显减小;内、外轨的脱轨系数基本相同。在车辆处于欠超高状态下,随着实设超高的增大,内、外轨横向力均呈现出减小的趋势;内轨竖向力呈现出增大的趋势,而外轨竖向力呈现出减小的趋势;内外轨的脱轨系数均呈现出减小的趋势,并且减小量基本相同。     

不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性

为研究不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性,基于撞击动力学以及混凝土塑性损伤理论,建立列车—隧道—围岩的非线性接触动力有限元模型,分析120,200,300 km·h-1这3种列车脱轨速度下,列车撞击盾构隧道时的撞击力特征以及隧道衬砌的损伤演化和分布规律。结果表明:3种速度列车脱轨时的撞击力变化规律一致;随着列车脱轨速度的增加,撞击力分量峰值均呈非线性增大;将撞击过程分为初始撞击、撞击耗能和稳定撞击3个阶段,隧道衬砌管片拉、压损伤值均在初始撞击阶段达到峰值,之后损伤的发展主要表现为损伤面积的不断扩大;衬砌管片外表面的损伤发展略滞后于内表面;压缩损伤的分布基本呈现出沿隧道轴向大于环向的"梭形"形态,而拉伸损伤的分布则更加广泛,损伤较大值(大于0.9)产生区域也更加分散;与压缩损伤相比,拉伸损伤更易导致衬砌发生大范围破坏;在较低脱轨速度下隧道衬砌即会产生较为严重的损伤,而损伤面积则随着列车脱轨速度的增加显著增大。     

高速铁路邻近车站曲线最小半径研究

为了分析研究高速铁路邻近车站曲线最小半径对列车运行安全性与舒适性的影响,运用Simpack软件建立列车-线路动力学仿真模型。从动力学角度分析不同曲线半径对通过列车和停站列车的安全性和舒适性的影响。研究发现:通过列车经过车站邻近曲线时的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、列车平稳性指标大于停站车通过车站临近曲线时的相应指标;停站列车通过距离车站较远的圆缓点的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、平稳性指标能够满足运行安全性与舒适性需求,考虑富余量,停站列车速度采用通过曲中时的车速是合适的。     

惰行和制动工况下重载列车曲线通过数值模拟

为了研究重载列车在惰行和制动工况下通过曲线时的轮轨接触特性,采用数值方法建立单自由度车辆和全自由度车辆混合的列车动力学模型,对比分析了惰行和制动工况下列车曲线通过时的运行安全性、车轮磨耗分布特征、轮轨滚动阻力特性影响。结果表明:考虑车钩负载效应和闸瓦贴靠车轮作用的列车模型在曲线制动工况下的轮轨横向力和脱轨系数指标均比惰行工况时略差,但轮重减载率指标几乎相当;由于制动时闸瓦压力增大了轮对的摇头约束,导致通过曲线时导向车轮磨耗功率的动态分布区域比惰行时更靠近轮缘处;制动工况下的牵引比率随曲线曲度线性变化的范围比惰行工况时大,且随着制动强度的增大,牵引比率也逐渐增大。     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

车轮脱轨及其评价

在回顾了国内外关于车轮脱轨的基础研究之后，介绍了在单轮对滚动试验台上进行的实物车轮脱轨模拟模型，详细叙述了车轮的脱轨过程以及脱轨过程中累轨接触状况和车轮悬浮量的变化。研究了冲角，载荷，摩擦系数，速度等对车轮脱轨系数限界值的影响，详尽的数据和对试验结果的分析有利于研究车轮脱轨机理和深化认识车轮的脱轨过程，本文最后给出了目前国际上通用的对车轮脱轨安全性进行评价的方法。