高速道岔车辆动力学指标研究与过岔计算

高速道岔是高速线路中的重要组成设备,拥有比区间线路更加复杂的结构,岔区结构不平顺使车辆过岔时存在较大的轮轨冲击,威胁车辆过岔安全。为选取合理的评价指标对车辆过岔性能进行评价,总结了国内外动力学标准对车辆过岔指标的相关规定,从平稳性、稳定性和安全性三方面对车辆过岔动力学评价指标进行对比分析。选取适用于岔区的动力学评价指标,以高速动车组直向和侧向通过18号道岔时动力学性能为例进行计算分析,计算结果表明:车辆过岔动力学性能均在道岔动力学评价指标内,车辆过岔性能满足动力学指标要求。在进一步的道岔动力学仿真研究中,应理论与试验相结合,制定更为完善的岔区动力学评价指标。     

动车组侧向通过9号道岔动力特性仿真研究

采用铁路轮轨动力学仿真计算软件建立车辆—道岔耦合动力学模型,仿真分析CRH5型动车组侧向通过50kg·m-1钢轨9号道岔的行车安全性和磨耗情况,研究并提出改善高速动车组侧向通过小号码道岔安全性、轮轨磨耗的技术措施。结果表明:在不考虑现场随机不平顺的情况下,CRH5型动车组侧向通过9号道岔时脱轨系数、轮轴横向力的峰值分别达到0.52和28kN,均维持在较高的水平,而且轮轨侧面磨耗功也较大,整体上已经超过了轮轨垂直磨耗功,说明动车组通过岔区时侧磨是轮轨磨耗的主因,建议加强道岔区的养护维修工作,及时消除轨道几何超限现象;另外,通过增大车辆一系悬挂横向刚度或采用60kg·m-1钢轨9号道岔,可以有效地减少轮轨的垂直磨耗和侧面磨耗,起到减缓轮轨磨耗的效果,且后者还可以大幅度提升动车组侧向过岔的安全性。     

无砟道岔结构横移影响分析及病害整治

无砟道岔结构横移是高速铁路轨道出现的典型病害之一,导致了多处列车限速运行。本文以客运专线18号可动心轨道岔为例,运用多体动力学软件建立车辆-道岔耦合动力学模型,分析了无砟道岔结构横移量对车辆动力特性的影响,并对横移病害整治方法进行了研究。结果表明:无砟道岔结构横移会产生方向不平顺,导致轮轨横向力、脱轨系数及车体横向振动加速度大幅增加;直、逆向过岔时,辙叉区横移对车辆动力特性的影响大于转辙器部分,而转辙器部分横移会持续影响车体通过辙叉区的横向加速度;采用抬升推移法对岔区无砟轨道结构进行调整时,底座板与基床表层之间的黏结力对顶推力的影响大于轨道结构刚度。     

轮径差对道岔区轮轨接触几何和车辆过岔走行性能的影响

高速列车车轮磨耗或加工误差引起不同车轮名义滚动圆半径偏差,在道岔区固有结构不平顺作用下,轮径差加剧轮轨系统动力性能。为揭示轮径差对高速道岔区车辆走行性能的影响,以某型高速动车组和客运专线12号道岔为主要研究对象,在综合考虑不同轮径差对岔区轮轨接触几何关系影响的基础上,建立了高速车辆-道岔耦合动力学模型,系统分析了高速车辆存在不同类型和幅值轮径差时通过道岔的稳定性、安全性和平稳性。结果表明,轮径差使轮载过渡位置提前;小轮径车轮位于尖轨侧时,轮对侧滚角增大,道岔固有横向结构不平顺变化剧烈。等值同相轮径差显著恶化车辆过岔走行性能,等值同相轮径差达2mm时,轮轨横向力和脱轨系数快速增大,车辆过岔易发生失稳,平稳性指标达到峰值。建议将同相分布同轴轮径差2 mm或反相分布同轴轮径差3mm作为运用限度,将同轴轮径差1.5mm作为一、二级检修限度。     

基于随机抽样算法的道岔容许通过速度研究

研究目的:道岔侧向通过速度是影响地铁线路运输能力的重要因素,为探明地铁道岔侧向最大通过速度,以某地铁12号道岔为例,基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,结合拉丁超立方随机抽样方法,生成关键动力学参数随机样本,研究标准车轮与标准钢轨和磨耗车轮与实测钢轨匹配的轮轨接触几何特性和车辆-道岔系统动力响应,以及长期运营条件下道岔侧向容许速度。研究结论:(1)轮轨关系演变后,轮载过渡延后;(2)实测轮轨匹配下,道岔侧逆向容许通过速度比轮轨为标准设计状态时低2 km/h;(3)结合长期运营条件下轮轨实际状态,考虑车辆动力学参数的随机性,所分析的12号道岔侧向容许通过速度为55 km/h;(4)针对不同的地铁道岔,均可以通过实测轮轨型面,以及考虑车辆动力学参数的随机性的方法,探明既有道岔的侧向最大通过速度,提升地铁线路的运输能力。     

高速列车型面不同磨耗状态下的过岔性能研究分析

基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,以国内某型号动车组和客运专线18号道岔为对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,分别计算与分析高速列车车轮磨耗状态下轮岔作用及对车辆过岔动力学性能相关问题。模型中考虑了车辆悬挂力元非线性、轮轨接触几何非线性特性等非线性因素,采用更贴合实际的轮轨非椭圆多点接触算法研究高速列车不同运营里程下的型面磨耗对列车通过道岔区间的动力学性能影响。结果表明:型面磨耗会导致轮轨垂向力增大,横向力减小;对车体、构架和轮对垂向振动特性影响大于横向振动特性;对脱轨系数影响较小,对磨耗功率和轮重减载率影响较大;对道岔钢轨振动特性影响横向大于垂向。     

道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响

研究磨耗车轮通过道岔辙叉区的轮轨相互作用特性及控制摩擦因数减缓轮轨磨耗的措施,以CRH2型动车组和18号高速道岔辙叉区为研究对象,基于迹线法原理,计算不同运行里程的磨耗车轮与辙叉区钢轨特征截面的接触点分布。采用UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski的轮轨接触算法,计算不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗特性。研究结果表明：随着车轮磨耗加剧,岔区轮轨匹配趋向不良,接触点跳跃更为复杂、剧烈,跳跃宽度增大;车轮磨耗初期,轮轨动力学特性有所改善,车轮磨耗对横向力的影响较大;相对于标准新轮,运行里程为20.3万km的磨耗车轮通过辙叉区的轮载过渡位置延后0.134 m;减小轮轨摩擦因数会降低列车通过辙叉区的安全性和平稳性,但有利于减缓轮轨磨耗;当车轮运行里程达到20.3万km时,摩擦因数由0.55分别降低至0.45,0.35,0.25和0.15,钢轨磨耗指数分别下降6.3%,15.5%,34.0%和49.8%,钢轨润滑有利于减缓辙叉区钢轨磨耗,提高道岔区钢轨的使用寿命。     

250km/h客运专线无砟道岔的合理轨道刚度

研究目的:我国正在进行大规模的客运专线建设,其中时速250 km的客运专线占有相当大的比重.无砟道岔作为客运专线的重大基础设备,其轨道刚度影响动车组过岔时的安全性和平稳性,需进行合理设置.根据线路运营条件,运用理论分析,开展客运专线无砟道岔轨道刚度取值研究,为确定我国250 km/h客运专线无砟道岔的合理轨道刚度提供理论指导.研究结论:从列车运行品质、道岔应力状态、振动水平、变形大小和部件刚度匹配5个方面提出岔区合理轨道刚度的评判准则,并基于车辆一道岔空间耦合动力学理论和轨道变形分析建立岔区合理轨道刚度的确定方法,对我国时速250 km客运专线无砟道岔轨道的合理刚度进行了研究,结果表明:36～44 kN/mm的扣件系统刚度,290～330 kN/mm的轨下胶垫刚度,40～50 kN/mm的板下胶垫刚度最为合理.     

地铁列车在车辆段侧向过岔的安全性分析

研究目的:道岔是轨道线路的薄弱环节,是影响列车安全平稳通过的关键因素。道岔最主要的特征就是其横截面外形随长度方向的变化而变化,使得线路存在较大的横向不平顺和垂向不平顺。本文通过多体动力学软件UM建立地铁A型车-道岔耦合动力学模型,以7号右开道岔为例,建立地铁A型车辆模型和道岔变截面轨道模型,对侧向通过道岔动力学性能进行分析,并运用我国现行车辆运行安全性评定标准进行分析评估。研究结论:(1)当地铁A型车辆以50 km/h及以下速度侧向通过7号道岔时,所有行车安全性指标均满足相应的安全标准,可以保证列车运行安全,但轮对横向位移较大,车辆有横向晃车的趋势;(2)车辆速度越大,轮轨横向力最大值也越大;(3)该研究成果可用于铁路、地铁车辆段列车过岔安全性评估,具有一定的工程实用意义。     

遂渝线无碴道岔前后轨道刚度过渡段动力学设计

研究目的:本研究主要是为了弄清楚遂渝线无碴轨道综合试验段区间轨道刚度和岔区轨道刚度特性,为提高列车过岔的舒适性及延长轨道结构的使用寿命,本文提出了区间轨道与岔区轨道间轨道过渡段的设置及其设计。研究方法:本研究应用车辆-轨道耦合动力学模型与理论,分析了遂渝线区间及道岔区无碴轨道刚度的特性。研究结果:区间轨道与道岔区轨道间存在着较大刚度差,遂渝线无碴轨道综合试验段无碴道岔区的轨道刚度约是区间线路的2~3倍,应设置轨道刚度过渡段。研究结论:道岔前后轨道刚度差可采用分级过渡的方法,每一级刚度取18孔轨枕间距左右,将钢轨挠度变化率控制在0.3 mm/m以下,由此确定的过渡段结构动力学性能良好。     

高速车辆与桥上道岔动态相互作用规律初探

为揭示高速运营条件下车辆与桥上道岔的动态相互作用规律,建立考虑轮轨间动态接触关系的高速车辆-道岔-桥梁耦合振动模型,并编制相应计算程序CDAVTB。以时速350 km18号道岔布置于6×32 m连续梁上,轨下基础采用底座纵连式无砟轨道为例展开仿真分析,就铺设于我国客运专线桥梁上的引进技术与自主研发高速道岔的动力响应进行比较,并分析桥梁竖向刚度和岔桥相对位置对车岔桥系统动力响应的影响。结果表明:高速道岔铺设于桥上时,各项动力响应均有所增大,道岔结构参数对车岔桥系统动态相互作用的影响较大。随着桥梁竖向刚度的增大,系统各项动力响应呈减小趋势,32 m跨连续梁的ZK荷载挠跨比宜按不大于1/9 000进行设计。岔桥相对位置的变化将导致系统动力响应的较大差异,就32 m跨度连续梁而言,道岔辙叉部分布置于列车运行方向上距离桥墩1/8至1/4跨范围内时最优。     

高速动车组尾车横向晃动调查研究

某型号高速动车组运行过程中,尾车在新轮状态时出现持续晃动,但反向作头车运行时却不晃动.针对此问题,开展了不同线路表面状态下的车辆晃动特征测试,从悬挂系统振动传递特性、轮轨匹配状态,以及关键零部件性能检测等方面着手,确定了车体产生晃动的原因.结果 表明,尾车横向晃动始于车辆高速通过个别道岔时刻,晃动发生后只能通过降速消除...     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

重载道岔轨底坡设置研究

轨底坡作为道岔的主要参数,直接影响钢轨使用寿命,结合30 t轴重重载道岔研究需要,对轨底坡进行系统研究。针对重载线路道岔鱼鳞纹、掉块、肥边等病害,运用车辆轨道耦合动力学理论,对25 t轴重货车通过不同轨底坡道岔时的动力响应进行分析。结果表明:轨底坡增加,横向轮轨力、接触应力和安全指标,导曲线上股钢轨磨耗功都有不同程度的降低,长期观测结果显示,采用1∶20轨道坡的试验道岔,导曲线钢轨光带居中,未见伤损。     

现代有轨电车三开组合道岔技术的研究

国内首次自主研发的三开组合道岔结构复杂,制造加工难度大,可实现两条横向与两条纵向并行线路之间的分别连接及转向,是轨道交叉口迫切需求的一种道岔形式,其应用前景极其广泛。道岔整体平面布置依照轨道走向需求进行设计,相邻道岔中心的合理间距为6.05 m,在满足机车安全有效运行和道岔结构完整可靠的同时,使得道岔的整体长度达到最小,可最大限度地节省道岔占地空间,提高场地的利用率。道岔结构采用模块化设计,包含4组转辙器、16颗合金钢辙叉及多种零配件,分为第1转辙器区、第2转辙器区、复合辙叉区、中间菱形区、尾部菱形区等5部分。     

不足位移对高速道岔动力特性的影响

为揭示道岔不足位移对高速行车的影响,根据高速道岔、列车的结构特点、力学特性和相互作用关系,建立车辆-道岔耦合动力学模型,并以高速列车直向350km/h、侧向80km/h通过350km/h客运专线18号无砟道岔为例,分析不同不足位移情形下车辆和道岔的动力学特性。结果表明:尖轨、心轨不足位移对列车动轮载、钢轨动应力影响较小,对轮缘力、车体横向加速度、轮重减载率、脱轨系数影响较大;不足位移会严重影响高速列车直、侧向过岔的舒适性及安全性,影响高速道岔正常工作状态;牵引转换设计时,应严格控制道岔尖轨、心轨不足位移。     

高速客车轮对动力学性能的比较

为了比较不同车轮踏面及轮对内侧距对高速客车动力学性能的影响,首先采用改进轮轨接触几何关系算法分析了不同情况下的静态轮轨几何接触关系,然后通过车辆/轨道耦合动力学模型,对高速客车蛇行临界速度、运行平稳性和曲线通过性能进行了动态仿真计算。数值计算中,主要考察了LM、LMA、S1002和XP55等4种车轮踏面和轮对内侧距由1350 mm到1360 mm变化的情况。结果表明,车轮踏面形状和轮对内侧距对高速客车动力学性能有重要的影响,且LMA型车轮踏面与1353 mm的轮对内侧距匹配具有较好的动力学性能。要确定合适的车轮踏面和轮对内侧距,须从轮轨接触关系的变化出发,综合评估车辆动力学性能。     

时速250km级18号道岔设计理论与试验研究

为确保客运专线建设成功,铁道部组织进行了客运专线道岔的自主研发。本文以系统集成设计方法,建立了250km/h客运专线道岔动力强度、无缝道岔设计理论、转换计算理论、轨道刚度设计理论等设计理论体系,优化了道岔平面线型,研发了新型扣件系统及心轨一动处工电结构,实现了岔区轨道刚度的合理设置与均匀化。对所研制的250km/h客运专线有砟轨道18号道岔在胶济线进行试铺和动测试验,CRH动车组、提速客车及货车直、侧向过岔时的动力测试结果表明,该道岔具有较高的安全性和列车运行平稳性,证明了客运专线道岔设计理论体系的科学性及道岔结构设计的合理性。     

有砟高速道岔铺设新技术

研究目的:高速道岔铺设是客运专线轨道工程施工的重点和难点,传统施工方法难以满足高速道岔铺设的标准和要求,必须研究有砟高速道岔施工的新技术,以提高道岔的铺设质量和铺设效率。研究结论:结合甬台温客运专线铁路轨道工程高速道岔施工情况,国内首次研制了有砟高速道岔基地组装平台,开发出高速道岔平台预组装、整组运输及铺设成套技术,实现了高速道岔铺设基地工厂化、机械化、专业化施工,完全符合铁道部关于高速道岔施工技术的要求。该成套施工新技术先进合理,有效提高了高速道岔的铺设质量和铺设效率,极大地缩短了施工工期,节约了施工成本,为高速道岔铺设提供了参考。     

时速160 km的国外低地板铰接动车组严重晃动问题测试研究

针对国外某型号低地板铰接动车组存在的车体严重晃动、平稳性指标超标以及由此导致的限速运营问题,开展了轮轨接触关系和悬挂系统振动传递情况的线路测试。采用实车线路运行视频监测方法,对车体的运行姿态、悬挂系统振动传递、结构模态及轮对振动等进行了综合分析。结果发现,轮对低频蛇行通过悬挂系统传递给车体,激发出车体的刚体摇头和结构菱形模态耦合振动,从而导致平稳性指标超标。车载视频监测方法发现轮对确实存在1 Hz低频大幅值蛇行运动,空簧变位显著,即视觉上捕捉到了轮对蛇行与车体摇头的关系。经过分析和测试验证,改进的踏面镟修廓形可以改善轮轨接触关系,控制轮对蛇行运动,避免车体异常晃动,保证车辆运行的平稳性。