高速铁路动车组异常振动与钢轨打磨研究

针对高速铁路在运营中出现的动车组构架横向加速度超限和车体异常抖动现象,采取跟踪调查、轨道状态测试、台架试验和悬挂参数对比等方法研究得出,轮轨匹配关系不良是出现该现象的主要原因。通过理论分析和现场试验证明,采取钢轨打磨和车轮镟修等措施可改善轮轨匹配关系,有效缓解动车组异常振动现象。本文重点介绍了钢轨打磨的作用和方法,指出应按60N廓形或设计廓形打磨钢轨,使轮轨匹配具有合理的等效锥度,并对钢轨打磨的时机、周期、作业要求及验收提出了具体建议。     

我国高速铁路钢轨和道岔打磨技术应用与实践

针对我国高速铁路早期由于轮轨匹配不良出现的高铁动车组构架横向加速度报警、抖车、晃车和波磨等现象,提出用钢轨打磨方法解决轮轨匹配不良问题,进行廓形打磨技术研究与实践,改善和优化我国高速铁路轮轨型面匹配关系,从工务方面解决了高铁动车组构架横向加速度报警等问题。通过大量现场调研及实践,提出钢轨和道岔打磨工艺规范及标准,形成了我国高速铁路钢轨和道岔打磨成套技术。     

高速铁路轮轨关系典型案例研究

针对高速铁路运营过程中出现的高速道岔直尖轨裂纹、弹条断裂、动车组构架横向加速度报警等典型案例进行研究,分析案例产生的原因,介绍采取的相应对策,阐明研究高速铁路轮轨关系的重要性。研究得出:应通过采取加强钢轨状态检查、加强钢轨养护以保持钢轨良好廓形;大力推广应用钢轨打磨新廓形;积极推广使用60N钢轨等措施改善高速铁路轮轨关系。该研究对进一步加强我国高速铁路轮轨关系维护、确保轮轨关系匹配良好,具有指导意义。     

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。     

CRH5型动车组车体异常抖动原因分析及对策

针对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线CRH5型动车组车体异常抖动的情况,调查了异常抖动的车辆状态和抖车区段的线路情况,计算分析了轮轨匹配等效锥度和轮轨接触几何关系。结果表明:随着车辆运行里程增加,车轮踏面凹形磨耗越来越严重,加之钢轨廓形打磨不到位使得轨距角凸出,致使轮轨匹配等效锥度达0.3以上,轮轨接触几何关系不良,车体出现6～8 Hz的高频振动。通过车轮镟修和钢轨打磨可有效降低轮轨匹配等效锥度,改善轮轨接触几何关系,解决动车组异常抖动的问题。     

我国铁路钢轨型面优化研究

针对我国铁路轮轨匹配存在的问题,研发了钢轨打磨设计廓形60D和新轨头廓形钢轨60N。优化后的轨头廓形与LM、S1002CN和LMA型面车轮接触时的光带基本居中,轮轨接触应力显著降低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,提高车辆运行稳定性。高速铁路按廓形60D打磨到位,钢轨打磨周期可延长至4~5年,且不易出现动车组构架报警和车体晃车。60N钢轨在普速铁路上的铺设使用结果表明,在直线上运行轮轨接触光带居中,在曲线上运行可有效避免或抑制钢轨使用初期轨距角剥离掉块及疲劳核伤;在高速铁路试验段的铺设使用结果表明,采用1遍预打磨后钢轨服役近5年,光带保持在30mm左右,从未出现动车组构架报警和车体晃车,可有效改善轮轨匹配关系,大幅降低轮轨维修养护成本。建议加快新轨头廓形钢轨系列化,以尽快在我国铁路形成统一的钢轨轨头廓形。     

海南环岛高速铁路动车组晃车原因分析及整治措施

针对海南环岛高速铁路东段CRH1型动车组晃车的情况,分析了晃车严重区段的轨道几何尺寸、焊接接头平直度、钢轨光带及轨头廓形。研究结果表明:钢轨轨头廓形异常(内侧工作边R80和R13圆弧处明显凹陷)和等效锥度过小(仅为0. 075)将造成轮轨匹配关系不良,表现为钢轨光带不居中,偏向轨距角侧,直线地段出现左右股钢轨光带周期性交替侧磨;车轮与钢轨非正常接触是导致CRH1型动车组晃车的主要原因。据此提出了钢轨打磨整治措施,并制定了详细的钢轨打磨方案以修正轨头廓形,使等效锥度由0. 075提高到0. 115,达到轮轨匹配等效锥度的合理范围0. 08～0. 35,改善了轮轨接触关系,解决了动车组晃车的问题。     

基于轮轨接触关系的高速道岔转辙器钢轨廓形打磨方案北大核心

为提升车辆通过高速道岔时的运行平稳性,基于迹线法建立车轮与道岔钢轨接触几何计算模型,分析车辆通过道岔转辙器时的轮轨接触点对分布特性,发现轮轨接触位置不集中和突变是降低车辆运行平稳性的主要因素。以降低接触突变幅度为原则提出转辙器钢轨廓形打磨方案,并基于轮轨接触几何模型和车辆-道岔多刚体动力学模型,对道岔钢轨打磨的效果进行研究。结果表明:钢轨廓形打磨能有效降低道岔区轮轨接触不平顺和等效锥度,利于提升车辆的运行平稳性;打磨后轮轨横向力、车体横向加速度、脱轨系数的最大值分别降低了39.5%、7.4%、41.7%,该廓形打磨方案对提升道岔服役性能效果明显。     

成贵客专动车组异常抖动原因分析及治理

针对成贵客专某型动车组出现的异常抖动问题,现场对动车组异常抖动区段的轨面状态、钢轨廓形进行调查,结合轨面状态、实测车轮踏面及实测发生抖车工况的动车组车体加速度测试结果,从轮轨关系角度分析动车组发生异常抖动的原因。成贵客专动车组出现异常抖动主要发生在车站道岔区段,原始廓形为60轨,长期未进行廓形修整导致钢轨廓形不良、轨头扁平,与实测磨耗车轮匹配时锥度过大,引起轮轨关系恶化,蛇行运动能量急剧增大。通过廓形打磨,钢轨廓形得到有效修复,钢轨光带分布合理,轮轨关系得到有效改善,动车组异常抖动问题得到有效解决。     

钢轨打磨对动车组运行性能的影响

在广深线部分大半径曲线区段和直线区段,钢轨内侧存在明显的侧磨,且动车组水平加速度频繁超限。通过对钢轨侧磨区段发生异常晃动车体的前后端、左右侧加速度进行测试,结合侧磨区段钢轨廓形的测量结果,可以判断出在该型动车组频繁水平加速度超限区段存在不良轮轨接触关系。采用SIMPACK动力学分析软件建立该型动车组单轮对、转向架、整车的动力学模型,分析了自由轮对仿真模型和弹性定位、完全刚性定位转向架仿真模型采用广深线打磨前后实测钢轨踏面时蛇行频率与车体固有频率的仿真结果。分析结果表明:当动车组以160 km/h左右速度运行在打磨前实测廓形区段时,转向架蛇行频率与车体横向固有频率相同,造成车体平稳性和舒适性严重恶化;钢轨廓形打磨以后,改善了轮轨匹配关系,车载仪超限数量、添乘仪报警个数、轨检指标较打磨前均得到明显改善。     

钢轨廓形打磨在线路提速改造中的应用

宁启线改造提速前,调边轨、再用轨区段钢轨廓形差异大、光带不良、动力学性能较差。首先从轮轨几何接触关系、等效锥度的角度对线路调边轨、再用轨区段轮轨关系进行静态分析;然后运用Simpack动力学软件进行动力学仿真分析,初步判断调边轨、再用轨区段光带不良、动力学性能差是由轮轨关系不良引起的;最后,针对宁启线轮轨关系不良进行个性化钢轨廓形设计。通过实施钢轨廓形打磨,修正钢轨廓形,改善轮轨接触关系,降低加速度超限数量,提高了线路质量。     

钢轨廓形对动车组车体低频横向晃动影响研究

研究目的:国内部分高速动车组在服役过程中出现不同程度的车体低频横向晃动(以下简称"晃车")问题,影响旅客乘坐舒适性。本文通过调研出现动车组晃车的线路,结合动力学仿真,从钢轨廓形这一方面对高速动车组晃车现象成因进行分析,并提出针对性的打磨措施。研究结论:(1)部分地段左右股钢轨工作边侧廓形与设计廓形60D相比负偏差量过大导致轮轨等效锥度过小,或左右股钢轨廓形不对称度过大导致轮轨等效锥度过小及左右轮径差变大,是造成动车组晃车的重要原因;(2)钢轨打磨可有效治理高速动车组低频横向晃动,车轮镟修对其改善效果有限;(3)车轮凹磨可增大轮轨等效锥度,可一定程度上抑制晃车的产生;(4)对晃车现象应早发现早治理,治理时应详细调查晃车区段的钢轨廓形,制定针对性的打磨方案并采用合理的打磨方式;(5)本研究成果可为铁路工务部门治理高速动车组晃车提供理论依据。     

我国高速铁路道岔尖轨廓形研究

对我国高速铁路道岔区钢轨运营现状进行总结分析,得出2种道岔区典型尖轨廓形。建立轮轨接触和动力学模型,分析尖轨廓形对应力分布特征和动力学性能的影响规律。分析结果表明:尖轨轨肩较低时将导致接触区域集中分布于非工作边侧,形成较高的应力水平,大幅增加产生接触伤损的风险,而采用设计廓形的尖轨应力水平较低,接触区域分布合理。尖轨廓形对道岔区动力学性能的影响较小,道岔区基本轨采用60N廓形可在一定程度上改善道岔区动力学性能。建议高速铁路道岔区尖轨、心轨机加工段廓形仍沿用现有尺寸参数,轨件非加工段采用60N廓形。     

预防非工作边表面裂纹的直尖轨倒圆弧半径取值研究

针对高速道岔直尖轨非工作边表面出现纵向裂纹的问题,通过建立车辆道岔多体动力学模型和三维弹塑性轮轨接触有限元模型,分析倒圆弧半径对直尖轨等效应力及其作用位置的影响。结果表明:尖轨顶宽30mm到顶宽40mm断面间易发生非工作边表面裂纹,其中顶宽35mm断面的受力状态最为不利;倒圆弧半径取值越大,对尖轨降低值的影响越大,为降低对车辆轨道动力性能的影响,在相同条件下,应尽可能选择较小半径的倒圆弧;直尖轨倒圆弧能够有效降低内部的等效应力,并能增大应力作用位置到非工作边的距离;综合考虑直尖轨降低值和受力状态,倒圆弧半径取3mm时优于其他半径取值。     

基于车体低频横向晃动分析的60N钢轨打磨限值研究

为解决国内部分服役动车组在运营过程中产生车体低频横向晃动问题(以下简称“晃车”),提高车体平稳性和旅客乘坐的舒适性，基于对部分晃车区段(打磨目标为60N钢轨的高速铁路干线)开展跟踪调研与测试的基础上，对比工务系统打磨后左右轨对称情况下，不同偏差值的钢轨廓形对应车体低频横向晃动的差异；并结合动力学仿真软件研究不同偏差值的钢轨廓形对于晃车现象的影响，找出打磨目标为60N钢轨的合理打磨限值并提出相应的打磨措施与建议。结果表明：晃车区段左右股钢轨工作边相较于打磨目标廓形60N钢轨存在过打磨导致等效锥度过小，是造成动车组晃车的重要原因；以车体横向振动加速度、车体横向晃动主频和轮轨匹配等效锥度等值为主要依据，提出60N钢轨在横坐标15 mm处的负偏差为0.1 mm时，会出现晃车现象，建议工务系统以60N钢轨为目标廓形时，按照正偏差打磨，打磨值宜按+0.1 mm控制。     

高速铁路道岔受限区钢轨打磨对列车动力学性能的影响北大核心

对打磨前后的高速铁路道岔打磨受限区特征断面钢轨廓形进行测量,建立车辆-道岔耦合动力学模型仿真模拟列车通过打磨前后道岔打磨受限区的动力学特性,并对车辆动力学性能进行现场实测。结果表明:廓形打磨后,道岔打磨受限区内侧工作边明显低于打磨前,且降低值得到明显优化,全新车轮及磨耗车轮与打磨后的道岔受限区特征断面接触时的等效锥度均得到明显改善且均在理想范围内;在不同运行速度下,全新车轮及磨耗车轮与打磨后的道岔受限区特征断面接触时,构架及车体横向加速度均减小,列车轮轨接触关系得到优化,列车运行横向稳定性得以提升。现场实测结果进一步验证了廓形打磨对列车运行横向稳定性的改善作用。     

钢轨打磨对动车组运行性能的影响

广深线部分大半径曲线和直线区段钢轨内侧存在明显的侧磨和动车组频繁水平加速度超限。通过对侧磨区段发生异常晃动车体的前后端、左右端加速度进行测试,结合侧磨区段钢轨廓型的测量结果,可以判断出现该型动车组频繁异常水平加速度超限区段存在不良轮轨接触关系。通过SIMPACK动力学分析软件中建立该型动车组单轮对、转向架、整车的动力学模型,分析了自由轮对仿真模型、弹性定位、完全刚性定位转向架仿真模型采用广深线打磨前后实测钢轨踏面时蛇行频率与车体固有频率的仿真结果。仿真结果表明当动车组以160km/h左右速度运行在打磨前实测廓形区段时,转向架蛇行频率与车体横向固有频率重合,造成车体平稳性和舒适性严重恶化。钢轨廓型打磨以后,改善了轮轨匹配关系,车载仪超限数量、添乘仪报警个数、轨检指标较打磨前均得到明显改善。     

钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究

为解决动车组车辆在运行中出现的晃车及加速度异常情况,对磨耗后钢轨型面进行打磨,并通过仿真分析以及跟踪测量对打磨效果进行评估。分析结果表明,打磨后轮轨接触点对分布较打磨前更窄,分布于滚动圆附近,轮对发生横移时滚动圆半径变化较小,但由于其较小的接触面积导致接触应力较大,易产生较大的垂磨;打磨后钢轨匹配时由于等效锥度较小,对车辆运行稳定性及车体振动起到改善作用;打磨后钢轨的磨耗位置居中,磨耗面积小但垂直磨耗大,在运行一段时间后,轮轨接触光带会缓慢增大。因此,钢轨打磨缓解了车辆运行过程中构架横向加速度异常的情况,虽其滚动圆处垂磨较大,但其总磨耗量较打磨前小,且降低了对钢轨的损伤,有利于延长钢轨的寿命。     

基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究

在对京沪高铁开展轮轨型面跟踪测试的基础上,分析LM_A和LM_B车轮型面分别与60D钢轨型面匹配时的轮轨磨耗特征;利用数值仿真手段,研究磨耗后不同轮轨型面匹配组合下的轮轨接触范围与钢轨光带宽度和等效锥度的关联性;通过分析钢轨光带宽度与等效锥度的关联性,结合名义等效锥度限值,研究避免高速动车组运行过程中出现典型异常振动问题的钢轨接触光带合理范围。结果表明:高速铁路的钢轨磨耗远小于车轮磨耗;直线区段钢轨磨耗主要分布于钢轨顶弧中心附近,轮轨接触宽度与钢轨光带宽度相对应;钢轨光带宽度与轮轨匹配名义等效锥度正相关,钢轨光带宽度小于20 mm时易出现动车组车体晃车、大于45 mm时易出现动车组转向架横向振动加速度报警。     

高速动车组服役性能与钢轨廓形匹配适应性研究

动车组在高速铁路不同线路区段上经常出现异常振动问题，为研究动车组服役性能与钢轨廓形匹配的适应性，在不同高速铁路直线及大曲线区段选择200多个典型钢轨断面进行钢轨廓形跟踪测试，得到钢轨廓形偏差分布规律；分析不同偏差钢轨廓形分别与新轮、磨耗车轮匹配时的等效锥度、动车组动力学性能及轮对、构架、车体时频振动特性。结果表明：偏差在-0.2～0.3 mm范围的钢轨廓形占比约34%;与LMa新轮匹配，等效锥度基本保持在0.03,动车组各项动力学性能指标优良；与磨耗车轮匹配，随着钢轨廓形偏差由-0.4 mm增加到0.8 mm,名义等效锥度逐渐由小于0.01增加到0.3,当钢轨廓形偏差大于0.6 mm时，构架横向振动加速度等指标明显增大，动车组动力学性能和运行品质劣化，动车组对于线路的适应性下降。