车轮多边形对车辆动力学的影响分析及在线诊断方法研究

建立了车轮多边形化的车辆轨道刚柔耦合动力学模型,为了研究车轮多边形化对车辆动力学的影响,通过提取轮轨垂向力和轴箱垂向加速度动力学指标,发现车轮高阶多边形会在轮轨接触表面产生高频冲击载荷导致轮轨作用加剧,同时还会激发出轮对和轴箱的一些振动频率而使轴箱振动加强。根据轮轨垂向力限值标准,得到了不同速度下多边形的深度阈值。针对高速列车车轮多边形化的动态特征结合大量的跟踪监测,文中提出了车轮多边形在线诊断方法:通过轴箱垂向加速度频谱在线辨别多边形阶数,定义多边形车轮轴箱垂向加速度系数λ辨识多边形深度。在线诊断的车轮多边形结果与入库检测车轮多边形结果对比,验证了该方法的有效性。     

高速列车车轮多边形动力学试验与仿真研究

国内某列动车组的车轮存在18阶和19阶的车轮多边形,为研究车轮多边形对车辆振动行为的影响,对该车进行了线路跟踪试验,对关键部件的振动加速度进行了测量和分析.以线路跟踪试验条件为基础,采用SIMPACK建立动力学仿真模型,输入实测数据,从时域和频域方面对比线路试验与动力学仿真获得的各个关键部件的振动数据,并比对结果差异,分析产生的原因.结果 表明:构架垂向加速度的线路试验数据略大于仿真数据,轴箱垂向加速度总体差距较小;仿真和线路试验构架振动能量均集中在540 Hz左右,仿真试验轴箱振动能量集中在527 Hz左右,线路试验轴箱振动能量集中在542 Hz左右,均接近由19阶车轮多边形引起的振动频率(547.81 Hz),且两者振动能量起伏趋势大体相似.说明仿真试验基本可以还原线路试验,且能较为准确地反映车轮多边形对车辆振动行为的影响.     

柔性轮对及车轮多边形对高速铁路轮轨系统动力响应的影响

基于刚柔耦合动力学理论建立柔性轮对车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，结合现场实测轴箱加速度验证了模型的可靠性。采用谐波叠加法模拟车轮多边形，对比了有无车轮多边形对轮对振动加速度的影响。在此基础上，分析了车轮多边形参数（如多边形阶次、幅值变化）对轮轨系统振动的影响。结果表明，车轮多边形将导致柔性轮对垂向加速度显著增大；与刚性轮对模型相比，柔性轮对及转向架的垂向加速度显著增大，此时多边形激振频率（674 Hz）成为影响其垂向振动的主要因素；轮对垂向加速度随多边形阶次的增加先增大再减小，当车轮多边形阶次为20阶时，轮对垂向加速度达到最大值；钢轨垂向加速度随多边形阶次的增加而增大；轮对垂向加速度、钢轨垂向加速度随多边形幅值的增大而增大。     

轮轨非均匀磨耗对地铁车辆振动的影响研究

对存在明显钢轨波磨和车轮多边形线路的地铁车辆振动行为进行了试验研究。结果表明,钢轨波磨处的振动加速度主频通常为一个固定频率;由车轮多边形引起的振动加速度的主频为车轮多边形的通过频率;在车辆加速或减速段轴箱振动加速度的主频随车速呈线性变化;由车轮多边形引起的振动明显高于钢轨波磨引起的振动。     

车轮多边形对动力学性能影响研究

为了研究动车组车轮多边形对车辆系统动力学性能的影响,选取服役的CHR_3型车作为研究对象,且车轮存在高阶多边形,通过旋修前后车辆的动力学性能的变化,探究300km/h时同一线路上车轮多边形对列车关键部件以及主要动力学指标的影响状况。结果表明:当车轮存在高阶多边形时列车轴箱部位受到的冲击影响比较大,旋修后轴箱振动过大问题明显改善,车轮是否存在多边形对车体的平稳性指标基本无影响。     

高速动车组车轮多边形影响因素及抑制措施研究

在总结国内外车轮多边形研究的基础上,调查了高速动车组车轮多边形情况,并对测试车轮的多边形数据进行统计分析,从车轮多边形与运行速度、运行线路条件、车辆结构等角度进行系统研究,查找容易产生车轮多边形的影响因素。研究车轮多边形对车辆振动的影响,选择存在车轮多边形车组进行镟修前后的对比测试发现,当车轮存在多边形时前后轮对容易形成拍振,造成轴箱振动加剧;研究降低车轮多边形对乘坐舒适性、转向架可靠性造成的影响,对比不同多边形幅值与车辆振动的对应关系;从抑制多边形角度进行了镟修工艺优化,通过控制驱动轮径跳、增加顶镐装置、实施双刀镟修等手段消除运营过程中出现的多边形;研究调整车轮材料、车轮实施滚压等方式,增加车轮强度,降低车轮磨耗,延缓多边形发展;研制了踏面研磨装置,在运营过程中施加以消除多边形,并改善踏面凹形磨耗;针对车轮多边形的成因较多无法彻底消除车轮非圆化的现状,可利用轨道检测装置检测车辆车轮状态,在车轮多边形影响车辆振动之前及时进行维护。     

车轮多边形磨耗对车桥耦合振动响应的影响

为探究车轮多边形磨耗对车桥耦合系统振动响应的影响规律,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真方法,以国内某高速列车和铁路简支梁桥为原型,建立车桥耦合振动分析模型,把轨道不平顺和车轮多边形磨耗作为系统的输入激励,对车桥耦合系统的振动特性展开研究。结果表明：车轮多边形磨耗对车桥耦合系统的振动响应影响显著;3阶车轮多边形磨耗使轮重减载率增大67.7%,严重降低了列车行驶的安全性,也使桥梁跨中横、竖向加速度分别增大2.74倍和2.27倍;车桥耦合振动响应随着车轮多边形磨耗幅值、阶数的增大而增大,当车轮多边形磨耗幅值由0.02 mm增大至0.08 mm时,列车轮重减载率、桥梁跨中横向和竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加76.5%、174%和127%、47.3%和83.1%;当车轮多边形磨耗阶数由1阶增大至4阶时,列车轮重减载率、桥梁跨中竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加116%、389%、82.0%和170%。特别地,列车以200 km/h速度运行时,3阶车轮多边形磨耗引发桥梁横向共振使得桥梁跨中横向加速度显著增大,是4阶车轮多边形磨耗作用时的2.74倍。     

基于柔性轮轨模型的车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动影响的仿真研究

采用ANSYS有限元软件结合SIMPACK动力学软件建立基于Timoshenko梁的柔性轨和柔性轮模型的车辆—轨道耦合动力学模型,以典型的高阶车轮谐波磨耗(阶次为18~21阶,幅值为0.01~0.04mm)激扰作为系统的输入激励,对比分析在柔性轮柔性轨模型与刚性轮轨、柔性轮刚性轨和柔性轨刚性轮模型下高阶车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动响应的影响。结果表明:当车轮谐波磨耗激扰激发轮对固有模态引起共振时,基于柔性体模型计算出的振动响应幅值大于基于刚性体模型计算的结果,而当激扰频率远离共振模态频率时,基于刚性体模型计算的振动幅值大于基于柔性体模型计算的结果;总体上,轮轨垂向力、钢轨及轴箱振动加速度随着车轮谐波磨耗幅值、阶次及列车运行速度的增大而增大;在车辆速度300km·h-1、车轮多边形阶次为20时,车轮多边形幅值0.04mm激起的钢轨及轴箱振动加速度峰值约为幅值0.01mm下的2.5倍;当车轮多边形幅值固定、阶次由18阶增至21阶时,激起的钢轨振动加速度仅增大约1.6倍、轴箱振动加速度级增大约5.7dB,相较于多边形幅值而言,多边形阶次对轮轨系统振动响应的影响较小。     

我国高速铁路轮轨关系相关技术探讨

结合我国高速铁路车辆运用实践及试验数据,探讨高速铁路轮轨关系发展中的相关技术。研究高速铁路晃车、横向加速度报警的影响因素,指出车辆晃车与横向加速度报警具有对立统一性,并提出轮轨匹配等效锥度是诱发车辆横向加速度报警的主要原因;阐述高速铁路钢轨波磨及动车组车轮多边形发展的特点及影响因素,初步指出造成钢轨波磨与动车组车轮多边形的原因是轮轨系统不良而诱发的耦合振动,二者具有明显的相生相伴特征;针对目前轮轨关系存在的技术问题,建议开展线路条件下的轮轨关系服役技术研究;为维持良好的轮轨关系,应充分结合动车组运用状态、线路运用状态以及动车组运营组织特点,制定合理的车轮镟修及线路打磨策略。     

一种波长固定的车轮多边形在线故障检测方法

针对多边形磨耗对列车安全性和舒适性的影响提出一种适用于列车车轮多边形不圆故障在线检测的方法。该算法的核心是:根据轨道及车辆的几何参数定位车轮多边形故障的感兴趣阶次,根据定位后的感兴趣阶数,计算轨枕通过频率。联合列车轴箱垂向、横向振动加速度信号,提出时域、频域相结合的多特征参数表征车轮多边形故障的方法。这种与车轮周长以及轨枕跨距相关的车轮多边形检测方法称为波长固定的车轮多边形检测方法。对我国某型高速列车在线监测车轮多边形数据应用该算法验证其有效性,结果表明:该方法实时性好,准确性高,具有良好工程适应性。     

车轮多边形化对高速列车齿轮箱体动态响应的影响

为了研究高速列车齿轮箱体在受多边形车轮激扰下的动态响应,建立了包含齿轮传动系统和齿轮箱体有限元模型的整车动力学模型。进行了线路实测试验和箱体模态分析。对齿轮箱体上裂纹易于萌生处进行了加速度和动应力分析。结果表明:20阶多边形车轮容易引起齿轮箱体的一阶共振,导致振动加速度和应力显著提高,故障工况下的加速度和应力相比正常工况增加了4.6倍和45倍;车轮多边形化对齿轮箱体的影响是局部的,其危险区域为油位观察孔附近和散热筋附近;齿轮箱体发生异常振动时易发生疲劳破坏,箱体的服役寿命随着多边形波深增大而显著降低,应该在运维决策中对破坏危险点进行重点关注。     

从车轮磨耗谈动车组异常振动

介绍车轮踏面等效锥度,车轮多边形的计算方法,并通过理论分析说明二者对车辆稳定性的影响。基于理论分析的结论,测试某动车组车轮的等效锥度,车轮多边形情况以及车体的平稳性,分析其异常振动的原因。     

镟修工艺对动车组车轮多边形磨耗产生和发展的影响

为研究车轮镟修工艺对动车组车轮多边形的影响,对落轮镟床和不落轮镟床2种车轮镟修方式进行对比分析。其中不落轮镟床采用2个摩擦驱动轮的V形定位,因此当镟修过程中驱动轮径跳过大或车轮存在严重多边形时,镟修后可能无法完全消除车轮多边形,出现镟后车轮保留多边形形态的现象,并导致车轮多边形继续发展。通过分析不落轮镟床的工作原理、定位方式及镟修工艺等,提出控制驱动轮径跳、两刀镟修和轴箱体下部支撑镟修的优化措施,经验证,可有效提高车轮多边形的镟修质量,改善镟后车轮圆度状态。     

高速动车组车轮硬度与车轮多边形形成关系及解决措施研究

为研究高速动车组车轮多边形产生机理,对我国CRH_3型动车组进行了大量现场的测试,从车轮材质、热处理、组装工艺、硬度等方面开展调查,发现车轮硬度是多边形产生和发展的重要影响因素。为深入研究车轮硬度对多边形形成的影响,现场测试了115列动车组所有车轮踏面的硬度,并在实验室内进行轮辋切片和硬度检测,发现磨耗后的小轮径车轮硬度相对标准车轮有所降低,并且部分车轮在圆周方向硬度分布不均,两者共同作用加剧了车轮多边形产生和发展。结合我国轮轨硬度匹配情况,提出通过滚压强化提高车轮硬度以抑制多边形产生。通过20万km的运行考核试验,验证了提高车轮硬度可以抑制车轮多边形产生这一重要结论。     

高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治

针对某高速铁路动车组车体抖动问题,采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形,研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响,研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。同时,采用实际线路及动车组车辆参数,基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。研究结果表明:该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内,体现为垂向和横向的综合异常振动;随车轮踏面磨耗增加,实测车体振动加速度逐渐增大,轮轨接触关系逐渐恶化,与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显;钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大,有效改善轮轨接触关系。车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度,有效整治高速铁路动车组车体抖动。     

HXD1型电力机车脚蹬断裂问题分析与试验

阐述了电力机车脚蹬断裂原因调查的过程及结果。一台振动异常的机车被选来做试验,在试验过程中机车运行状态与正常运行一致。车轮镟修前、后,均对机车的车轮不圆度以及关键零部件包括脚蹬、轴箱和构架的振动进行了测试。试验结果表明,车轮存在12~19阶多边形,1/3倍频程中心波长为200 mm。镟轮不能完全消除车轮的多边形特征,在镟轮后车轮仍然存在16~19边形特征。振动测试显示,镟轮前脚蹬、轴箱和构架存在相同的振动主频,频率与多边形通过频率接近。脚蹬纵向在70~90 Hz范围内存在固有振动,车速在50~80 km/h范围内时,车轮多边形的通过频率与脚蹬70~90 Hz的固有频率一致,引起脚蹬共振,是导致脚蹬断裂的主要原因。     

高速客车车轮不圆对车辆振动影响的分析

针对高速车辆轮对不圆的状况,对车轮的不圆度水平和车辆系统的振动进行了测试,并分析了车轮不圆水平与车辆部件振动之间的关系。研究表明,车轮高阶不圆对走行部的振动存在明显的影响,18阶、19阶多边形的冲击振动频率在轴箱和电机处存在明显的频谱特征。     

车轮踏面擦伤的冲击振动特性及其在车轮擦伤检测中的应用

在单轮对1∶1滚动试验台上,试验研究了0~200 km/h速度下车轮踏面擦伤引起的冲击振动特性。试验中同时测量了轮对每个轴箱的垂向振动加速度并对其进行了时域和频域分析。试验结果发现,低速时车轮擦伤引起的冲击振动特征明显,但随着速度的增大,擦伤振动信号的信噪比会逐步降低。在一侧的车轮擦伤会影响另一侧轴箱的振动,车轮擦伤振动信号具有丰富的频率成分,可以用来进行车轮擦伤信号的检测。     

动车组车轮多边形磨耗形成与发展过程仿真研究

针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,基于车辆-轨道耦合动力学模型、轮轨接触模型、Archard磨耗模型和循环迭代模型,建立车轮多边形磨耗长期磨损迭代模型;模拟我国某型高速动车组20阶车轮多边形的发展过程,结果与实际情况吻合,证实模型的准确性。基于长期磨损迭代模型,研究车辆运行速度、轮轨模态振动特性和轨道参数对车轮多边形发展的影响。结果表明:随着车辆运行速度增大,最终形成的车轮多边形主导阶次逐渐减小,但产生的激励频率始终在550~600 Hz之间,验证了“频率固定”机理的可靠性;对比分析柔性轮轨、刚性轮柔性轨、柔性轮刚性轨、刚性轮轨4种工况下车轮多边形的发展过程,发现钢轨模态的振动特性对于高阶车轮多边形的产生具有一定的促进作用;增大扣件的刚度可抑制高阶车轮多边形的产生和发展,而增大扣件阻尼则可抑制车轮多边形整体的发展速度。     

车轮多边形对车辆动力学性能影响分析

为了研究车轮多边形对车辆动力学性能的影响,基于多体动力学理论和轮轨滚动接触简化理论,结合CRH2型动车组的动力学参数,建立考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆动力学模型。分析车轮多边形阶数和幅值的变化对轮对振动特性、非线性临界速度和轮轨力等车辆动力学性能的影响。结果表明:当多边形激励频率与轮对某阶模态振型的固有频率相近或者相等时,将引发轮对共振,使车辆的动力学性能发生改变;非线性临界速度会随车轮多边形阶数和幅值的增大而降低;脱轨系数随车轮多边形阶数的增加略有增大,随幅值的增大呈线性增大趋势;轮重减载率和轮轨垂向力随阶数的增加波动增大,随幅值的增加显著增大;车轮多边形对运行平稳性的影响甚微,主要是因为一系减振器和二系减振器的减振作用。为保证列车运行安全,根据轮重减载率限值0.6制定出车轮多边形在160～240 km/h速度工况下2～20阶的幅值限值。