动车组高频异常振动成因轮轨耦合试验分析

我国高速铁路出现多次因高频异常振动引起的零部件裂纹等现象,经分析车轮多边形和钢轨波磨是引起轮轨高频异常振动的主要原因,通过对轮轨系统模态测试和耦合振动测试,发现车轮、构架、钢轨、轨道板等存在与车轮多边形或钢轨波磨频率相对应的固有频率成分,轮轨系统固有频率是车轮多边形和钢轨波磨产生的重要原因。     

基于钢轨模态振动的车轮高阶多边形研究

基于线路动力学试验数据,分析了具有高阶规则车轮多边形磨耗车辆转向架各部件振动水平及振动传递关系,给出车轮多边形磨耗引起转向架异常振动典型的频率特征和多边形振动对相邻车轮的影响。基于铁木辛柯梁理论及传递矩阵法,推导转向架对钢轨作用时两轮对范围内钢轨模态振动方程,分析了钢轨模态振动特性,讨论了边界条件与温度对钢轨模态振动的影响。分析了引起车轮多边形化的振动频率的来源,利用哈大线、武广线的枕跨距离计算得到钢轨第三阶垂向弯曲主频分别与各自车轮多边形振动频率重合,为车轮多边形机理分析提供支撑。     

车轮多边形磨耗机理的有限元研究

在车辆稳态通过小半径曲线和直线的条件下,建立由轮对一钢轨一轨枕弹簧组成的系统有限元弹性振动模型.在模型中,假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦系数的乘积.钢轨和车轮在饱和蠕滑力作用下产生动力学耦合,当耦合关系比较强时,轮轨系统会出现弹性黏一滑振动.应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,发现在一些条件下轮轨系统存在严重的频率不大于150Hz的黏一滑弹性振动.振动模态显示,在轮轨发生黏一滑振动时,车轮相对钢轨发生横向滑动,而轮轨系统的低频黏一滑振动是引起车轮多边形磨耗的原因之一.应用本文方法可预测在小半径曲线和直线线路运行的车轮的多边形磨耗.计算结果发现,当正确选择轨枕支撑弹簧刚度或当控制轮轨摩擦系数不大于0.27时,可抑制甚至消除车轮多边形磨耗.     

基于钢轨模态振动的车轮高阶多边形频率特性研究

基于线路动力学试验数据,分析具有高阶规则车轮多边形磨耗车辆转向架各部件振动水平及振动传递关系,给出车轮多边形磨耗引起转向架异常振动典型的频率特征,分析车轮多边形磨耗对车辆动力学性能的影响。基于铁木辛柯梁理论及传递矩阵法,推导转向架作用下两轮对范围内钢轨模态振动方程,分析其模态振动特性,为探寻车轮多边形磨耗产生机理提供支撑。讨论支承刚度对钢轨模态振动主频的影响,为工务部门维护轨道规避特定频率提供参考及依据。     

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30～100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1 000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。     

某型动车组制动盘异常振动分析及缓解措施研究

某型动车组在线路运行时制动盘出现异常振动现象,使得螺栓松动、裂纹,影响车辆运营安全。对制动盘进行线路振动测试和模态测试后发现频率存在耦合现象,随后对轮轨几何状态进行了测试和分析,结果显示车轮多边形和钢轨波磨在列车运营速度级下产生的激扰频率与制动盘固有频率相似从而产生耦合使得螺栓松动或裂纹。通过消除激扰频率和破坏轮轨系统耦合可明显降低振动幅值,从而消除高频异常振动。     

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。     

转向架非主体结构件模态频率规划与设计验证

针对转向架非主体结构件进行模态频率规划及试验、仿真的方法以解决共振疲劳问题。首先梳理了车轮多边形、钢轨波磨、轨枕通过、P2共振等轮轨激振频率作为频率优化的边界条件并与IEC 61373中的试验频率范围进行了差异对比，给出了构架上设备大于100 Hz和轮对上设备大于250 Hz的模态频率一般建议，并建议基于线路主激振频率按1.414或1.19作为频率间隔参考系数进行模态频率优化。另外对比了某转向架天线梁实测振动量级高于IEC 61373的功能振动试验，说明了车轮多边形对振动量级的影响很大，建议优先采用实测振动量级进行试验并给出了试验方法，并针对缺少实测数据的情况给出了一种基于IEC 61373标准放大的试验量级。最后给出了采用Workbench进行仿真计算的方法，结合转向架管夹座优化示例，通过模态频率计算、随机振动仿真对比分析了结构优化方案的选择，从而实现提高结构寿命的目标。     

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。     

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。     

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。     

轮轨材料硬度匹配对车轮多边形磨耗影响的试验研究

为研究轮轨材料硬度匹配对车轮多边形磨耗的影响和寻找避免出现车轮多边形磨耗的轮轨材料硬度匹配关系,利用轮轮滚动接触磨损的小比例试验台,开展低、中、高硬度轮轨材料在9种硬度匹配时干燥条件下的车轮试样多边形磨耗试验。结果表明:轮轨材料硬度比小于1.05时,车轮试样产生明显的16阶多边形磨耗,且与轨道试样耦合振动频率为53.3Hz,车轮试样多边形磨耗的径跳随轮轨材料硬度比的提高逐渐降低;当轮轨材料硬度比大于1.36时,车轮材料试样几乎不发生多边形磨耗;在9种硬度比下,钢轨试样均未出现明显的多边形磨耗。     

武广高铁车轮多边形综合整治研究

近几年动车组车轮多边形问题增多,造成了轴箱端盖螺栓松脱、轮轨异常噪声等故障,影响运行安全。以武广高铁CRH3型系列动车组车轮多边形为研究对象,通过长期跟踪测试得到了车轮多边形的特征,通过线路试验研究了车轮多边形对轴箱、构架振动加速度的影响。研究发现车轮多边形形成的高频激扰显著加大了转向架部件的振动加速度,且随着车轮多边形幅值的增加,其影响呈指数级增加。文中提出了五项工程控制措施,显著降低了车轮多边形的故障率与影响。     

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。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨垂向力的影响

列车车轮多边形磨耗会引起轮轨间作用力明显增大,对车辆和轨道部件产生恶劣的影响,严重时将会威胁到行车安全。本文以某城际高速列车在运行过程中发生转向架部件损坏事故为例,建立高速车辆-轨道耦合动力学模型和车轮多边形不平顺输入模型,计算分析列车运行速度、车轮多边形幅值及其阶数(或边数)等因素对轮轨垂向力的影响规律。结合现场高速车轮径跳的镟修期限统计和经验,以轮轨垂向动载荷限值为依据,考虑在不同速度下1~23阶车轮多边形幅值的影响,初步建立高速车轮多边形状态下的安全镟修限值。并通过分析安全限值曲线发现,当列车运行速度越快和车轮多边形阶次越高时,即使很小的车轮非圆化磨耗幅值也能导致轮轨力超出限值要求。本文结果可为高速列车车轮镟修维修工作提供参考和指导。     

车轮多边形对米轨机车动力学性能影响的研究

为研究米轨机车车轮多边形化对机车系统动力学性能的影响,建立米轨机车动力学模型,研究车轮多边形的谐波阶数和波深幅值对动力学性能的影响,并计算不同谐波阶数下车轮多边形的波深限值,最后对车轮多边形和轨道激励共同作用下轮轨垂向力的变化趋势进行分析。结果表明:由于米轨机车运行速度较低,车轮多边形化会导致低频振动,使得车体振动响应增大;车轮多边形化会极大地增加轮轨垂向力,但对脱轨系数影响不大;波深限值与机车运行速度及车轮多边形谐波阶数成反比;轨道激励不仅不会掩盖多边形的作用趋势,而且会极大地增加轮轨垂向力。机车在线路上运行时应经常检测车轮不圆度,并及时镟修或者更换车轮,防止出现轮轨垂向力过大或跳轨现象。     

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。     

车轮多边形磨耗对车辆-轨道动态相互作用的影响

为确保时速400 km下列车安全平稳运行，车辆部件正常使用，以车辆-轨道耦合动力学为理论基础，将车轮多边形磨耗考虑为轨道不平顺激励，针对单阶主导的车轮多边形形式，分析了车轮多边形阶数、幅值对车辆-轨道动态相互作用的影响规律；基于轮轨垂向力170 kN的限值要求，给出了时速400 km行车条件下车轮多边形阶数、幅值组合的安全限值。结果表明：随着车轮多边形阶数增加，轮轨垂向力逐渐出现高频波动，且阶数越高，波动频次越高，波动幅值越大；车轮多边形幅值越大，对轮轨动态相互作用的影响越明显；相比无多边形的正常车轮工况，轮对垂向振动加速度增幅总体上随车轮多边形阶数增大而增大；车轮多边形对车体和构架影响不大。     

城市轨道交通车辆轮轨系统噪声辐射分析

采用轮轨噪声预测软件(TWINS模型),研究了某城市轨道交通车辆轮轨系统的振动与声辐射特性,分析了引起系统振动和声辐射的主要原因。研究结果表明:R模态为轴向模态,会导致车轮沿轴向的大幅振动;车轮和钢轨的辐射声功率随着速度的增加而增加,钢轨辐射声功率显著大于车轮的声辐射功率;隧道状态下的声学相应显著大于自由场状态下声学相应,底架区域自由场和隧道状态下的声学相应差异不大。     

基于柔性旋转轮对的车轮多边形磨耗对轮轨力的影响分析

为研究考虑柔性轮对旋转效应时车轮多边形磨耗对轮轨力的影响,结合有限元法和多体动力学理论,建立了带有车轮多边形磨耗的车辆轨道刚柔耦合动力学模型,编写了车辆轨道耦合动力学程序及欧拉坐标系下的柔性轮对计算程序,并在此基础上计算了刚性轮对、忽略旋转效应的柔性轮对和考虑旋转效应的柔性轮对存在多边形磨耗时的轮轨力,分析了多边形阶数、磨耗程度对轮轨力的影响。研究表明:在考虑柔性轮对旋转效应的车轮多边形磨耗影响下,轮轨力响应存在主频分离现象,对轮轨力的波动影响较明显;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形阶数为24～28阶时,轮轨垂向力出现了拍振现象且波动较大,相对于轨枕位置存在约0. 5π的相位超前;当多边形磨耗严重时,高阶多边形引起的2倍频能量上升,对轮轨力的波动幅值影响较大。