车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响分析

为了研究车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响,基于多体动力学理论和滚动接触简化理论,建立考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆动力学模型,分析车轮扁疤参数变化对高速列车轮轨力和蠕滑力等特性的影响,并结合轮重减载率和轮轨垂向力指标得到车轮扁疤长度的安全限值。结果表明:考虑轮对柔性能更好地反映轮轨接触状态;在轮轨滚动接触过程中,车轮扁疤过长会导致轮对发生跳轨现象,严重时导致车辆脱轨,应及时根据扁疤长度限值镟修轮对;结合轮重减载率和轮轨垂向力制定车轮扁疤长度安全限值为27 mm,该限值可以更有效地保障高速列车安全运行。     

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.     

变摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,在轮轨间使用与滑动速度相关的变摩擦系数定义切向接触属性,改变轮对角速度定义轮轨接触不同工况。在轮轨蠕滑工况下,通过对比取常系数摩擦系数和变摩擦系数的计算结果发现:变摩擦系数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响较小;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和蠕滑力影响较大,特别是对最大纵向切应力和蠕滑力影响幅度近20%;对轮轨滚动接触蠕滑力矢量分布的影响也应值得注意。不同工况时轮轨蠕滑率不同,变摩擦系数条件下的轮轨蠕滑力和剪切应力随蠕滑率增大而增大,当轮轨间出现完全滑动时,轮轨蠕滑力达到极限。     

独立旋转车轮轮轨接触蠕滑特性分析

分析了独立旋转车轮轮轨接触蠕滑率的计算方法,定义了车轮滚动系数,对车轮横移、摇头、曲线半径及车轮滚动系数对轮轨滚动接触蠕滑率的影响进行了详细的研究。研究结果表明:车轮蠕滑率对其横移比较敏感,同常规轮对相比,独立旋转车轮的踏面型状对其蠕滑率影响显著;车轮摇头对横向蠕滑率影响较大,但对纵向蠕滑率和自旋蠕滑率影响甚微;车轮滚动系数对纵向蠕滑率影响比较明显,对横向蠕滑率和自旋蠕滑率略有影响;曲线半径仅对独立旋转车轮的自旋蠕滑率有较大影响,对纵向蠕滑率和横向蠕滑率则影响甚微。最后,利用独立旋转车轮转向架车辆的动力学模型,验证了文中给出的蠕滑率计算方法的正确性。     

轮轨磨耗机理与轮轨润滑

从轮轨接触应力和轮轨间的蠕滑率研究了轮轨磨耗的机理，并对轮轨润滑除减少磨耗外还可以降低轮轨内部剪切应力，这有利于减轻轮轨表面的接触疲劳损伤以及降低车轮脱轨系数，这有利于提高车辆运动安全性。     

轮轨干摩擦下的轮对横向自激振动机理

从轮轨间干燥接触情况出发,建立具有2个自由度的轮轨干摩擦下弹性定位轮对横向自激振动模型,并采用摩擦系数—蠕滑速度经验公式描述轮轨之间干摩擦力与蠕滑率的关系,进而从能量的角度研究轮对横向自激振动的形成机理。研究表明:轮轨系统中由蠕滑速度主导的反馈机制是产生轮对横向自激振动必不可少的条件;引发轮对横向自激振动的能量来自列车向前运动的一部分能量,并由摩擦力中的刚度力通过轮轨纵、横向蠕滑率的调节作用被输入到轮对中;轮对横向自激振动的稳定性取决于轮轨系统等效阻尼耗散的能量和摩擦力中刚度力输入的能量,轮轨摩擦力做功的正负将影响轮轨系统的稳定性。     

实测轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响分析

由于铁路系统的开放性，轮轨界面难以避免遭受第三介质(如水、油、雪等)的侵袭，轮轨蠕滑特性将因此改变。为研究轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响，首先，基于最小二乘法原理获得适用于Polach接触模型的参数，以模拟水介质条件下40～400 km/h行车速度范围内的实测轮轨蠕滑曲线；随后，采用SIMPACK多体动力学仿真软件建立车辆-轨道动力学模型，利用FASTSIM算法和Polach模型分别模拟理想条件与实测轮轨蠕滑曲线，以300 km/h运行速度为例，详细对比这两种蠕滑曲线条件下车辆-轨道动态相互作用的差异，并进一步分析运行速度的影响。研究表明：车辆运行速度为300 km/h时，实测轮轨蠕滑曲线对应的轮对横移量和轮对摇头角分别为干态工况结果的1.375倍和3.2倍，进而导致纵/横向蠕滑率明显大于干态工况结果；速度所致轮轨蠕滑曲线的差异对轮轨蠕滑力、脱轨系数以及磨耗指数影响较大，速度为160 km/h时尤为显著。因此，在进行车辆-轨道耦合动力学仿真分析时，有必要考虑实测的轮轨蠕滑曲线。     

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.     

地震作用下铁路货车运行安全性研究

为研究地震作用下铁路货车运行安全性,建立车辆-轨道耦合动力学模型,将地震波简化为周期性的横向正弦波,以外部激励的形式施加于轨枕,并分析地震条件下钢轨廓形、轮轨摩擦系数对车辆动态响应和运行安全性的影响。计算结果表明:地震波频率与车体侧滚频率接近时易引起车体共振,严重影响车辆运行平稳性;相同地震条件下,车辆在60kg/m钢轨上运行的脱轨系数、轮轴横向力、轮重减载率、车轮抬升量以及轮轨相对横移均较60N轨大;同时,轮轨摩擦系数越小,车辆脱轨危险性越大。     

车轮谐波磨耗对高速车辆运行安全性的影响分析

为研究车轮谐波磨耗对车辆运行安全性的影响,首先建立钢轨及路基振动的车辆-轨道-路基耦合大系统仿真模型,然后根据最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗阶数以及波深0.1 mm、0.3 mm的6种典型谐波磨耗对轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标的影响进行仿真分析研究,并依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比分析。结果表明:车辆计算的最大脱轨系数处于安全限度内,不会发生脱轨;而最大轮重减载率超过评定限值0.8,存在安全风险,同时最大轮轨横向力值也接近国际安全极限值,有安全隐患。本研究有利于评估车轮谐波磨耗对高速行驶车辆的安全影响,为车辆安全运行提供理论依据。     

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。     

轮对稳态脱轨准则的研究

通过进行轮对的受力分析，导出了轮对临界脱轨的两个准则，一个为假设轮轨间出现摩擦滑动的经典脱轨表达式，另一个为考虑轮轨间蠕滑力效应的近似解析表达式。实例计算表明，经典方法的计算结果比近似解析方法保守，采用本文提出的解析表达式进行脱轨的判断更为合理。通过计算还得知，减小轮轨摩擦系数、增大轮缘角和减小轮对冲角有利于防止脱轨的发生。     

轮对稳定脱轨准则的研究

通过进行轮对的受力分析，导出了轮对临界脱轨的两个准则，一个为假设轮轨间出现摩擦滑动的经典脱轨表达式，另一个为考虑轮轨间蠕滑力效应的近似解析表达式。实例计算表明，经典方法的计算结果比近似解析方法保守，采用本文提出的解析表达式进行脱轨的判断更为合理。通过计算还得知，减小轮轨摩擦系数、增大轮缘角和减小轮对冲角有利于防止脱轨的发生。     

独立旋转车轮轮轨蠕滑率研究

通常情况下轮轨之间的接触有两种可能：一点接触或两点接触，而独立旋转车轮应尽量避免两点接触，为此用一种有别于相关文献的独立车辆蠕滑率公式推导方法，导出了独立旋转车轮一点接触蠕滑率计算公式，定义了车轮滚动系数，指出该参数对独立旋转车轮以及蠕滑控制轮对的研究有重要的意义，并分析了轮对运动（横向和摇头）和车轮滚动系数对滚动接触蠕滑率的影响，通过分析得知，车轮踏面外形对蠕滑率影响对运动（横向和摇头）和车轮滚动系数对滚动蠕滑率的影响，通过分析得知：车轮踏面外形对蠕滑率影响十分敏感，应谨慎选择独立旋转车轮的踏面；车轮滚动系数对纵向蠕滑率影响比较明显，对横向蠕滑率和自旋蠕滑率的影响很小，用已经建立的带独立旋转车轮的车辆模型，对目前分析使用较多的两类形式的独立旋转车轮蠕滑率公式通过阶跃响应进行了比较，结果表明两者之间的差异很小，对动力性能的计算都能达到工程要求。     

影响轮轨粘滑振动的主要参数分析

轨道交通轮轨间的粘滑振动是小半径曲线轨道上发生波磨的主要原因。通过建立具有扭转和弯曲自由度的单轮对仿真模型来研究轮轨间两个主要参数对于抑制粘滑振动、减缓波磨形成的影响。降低Kalker系数后,线路圆曲线段没有出现粘滑振动,蠕滑力-蠕滑率关系曲线的饱和点也移向更高的蠕滑率值;内外轮轨摩擦系数同时降低后,抑制了粘滑振动,但轮轨间仍处于滑动状态,当内外轨摩擦系数降低值不一致时,线路曲线段的粘滑振动仍然存在,但峰峰值将有所减小。     

机车牵引状态下曲线通过导向特性研究

考虑车轮与钢轨的运动特性及轮周牵引力,推导出机车在牵引状态下通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并对曲线通过时的轮轨横向动态相互作用特性进行仿真计算与分析;同时研究牵引力大小对转向架导向性能的影响,对比分析了机车牵引与惰行状态下的导向性能。理论仿真分析结果表明:牵引力可以改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向,与惰行工况相比,牵引状态下的轮对导向力矩有所减小,轮对的自导向能力减弱,不利于曲线通过;提高牵引力,总轮轨蠕滑率将很快达到饱和状态,牵引力越大,轮轨纵向蠕滑力越大,两侧纵向蠕滑力差值越小,机车轮对自导向能力越差,轮对冲角增大,而轮轨横向蠕滑力越小;当牵引力增加到一定程度时,总轮轨蠕滑率超过极限状态,曲线通过时两侧轮径差太小而出现打滑和空转的现象。     

独立旋转车轮转向架曲线通过性能研究

独立旋转车轮能够消除轮轨间的纵向蠕滑，理论上不存在蛇行运动，故在直线上可以获得较高的临界,基曲线上可使因纵向蠕滑而产生的轮轨噪音消失。与传统轮对相比，独立旋转车轮缺乏由纵向蠕滑力而产生的导向力矩，故在曲线上无自导向功能，基本上只能靠轮缘导向。曲线通过性能是车辆动力学研究领域中的重要课题之一。车辆由直线进入曲线，特别是通过缓和曲线时，由于受到线路的各种激扰，轮轨间将产生复杂的作用力，对车辆的曲线通过性能产生极大的影响。本文建立独立旋转车轮转向架车辆的动力学计算模型，模拟实际线路，利用数值模拟方法对车辆通过曲线的全过程进行动态仿真计算，得出独立旋转车轮转向架和传统轮对转向架曲线通过的动力学响应值。通过对两种转向架曲线通过时的轮轨横向力，脱轨稳定性及轮轨磨耗等动力学性能进行分析比较，提出了独立旋转车轮转向架曲线通过时所存在的问题。     

小比例环形轮轨接触试验台可行性仿真研究

针对由轮轨接触饱和蠕滑率引起的高频振动造成钢轨损伤问题，提出了一种小比例环形轮轨接触试验台动态模拟方法。其采用环形轨道模拟轮轨持续接触运行工况，结合转向架与受电弓组成的试验车辆模拟轮轨接触振动耦合作用，通过两套牵引系统模拟轮轨接触运行中的纵向接触蠕滑、加速及制动等工况。通过计算确定了环形钢轨的最小曲线半径为7.00 m,经SIMPACK软件仿真分析获得的最大脱轨系数为0.668,符合安全运行要求。     

水介质条件下轮轨黏着特性试验研究

在JD—1轮轨模拟试验机上进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明:在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的黏着系数较干态时的黏着系数降低了50%~60%;在水介质条件下,不论是最大黏着值还是稳定黏着值(机车实际运行黏着区),受车轮速度影响较大,黏着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对黏着系数的影响较小;黏着系数在达到最大值(饱和值)之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大黏着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。     

连续测量轮轨接触位置装置的开发

对车辆脱轨安全性进行的评价一般依据脱轨系数进行,但难以作出确切的评价.针对这一问题,本文介绍了能够对轮轨接触位置等参数进行连续测量的装置.该装置不仅可以测量轮轨的接触角和横向蠕滑力,还能修正轮轨横向力,得到的数据具有较高的可靠性.