曲线钢轨磨耗演变预测及对车辆动力学影响研究

为研究轨道磨损演变及对车辆动力学性能的影响,基于SIMPACK多体动力学软件建立车辆-轨道系统动力学模型,利用FASTSIM算法和Lewis磨损模型,计算通过总重10～50Mt对钢轨造成的磨损,并比较和分析钢轨磨损对车辆动态性能的影响,分析结果表明:车辆通过小半径曲线时60 N轨上股侧磨量较大,但随通过总重的增加,60轨的侧磨速率增长较快;60N轨下股轨具有较大的顶垂磨量和较快的垂磨速率,整体垂磨速率随通过总重的增大而降低;钢轨磨耗对轮重减载率和轮轨垂向力影响很小,但对60轨的脱轨系数和轮轨横向力影响较大;钢轨侧磨导致轮对横移量增大,并对60轨的轮轨冲角产生较大的影响。     

适应槽型轨的有轨电车踏面优化研究

基于轮轨接触角曲线反推法,文章设计了适应Ri60R2槽型轨的有轨电车优化踏面,介绍了踏面优化过程,并从轮轨接触应力和曲线通过性能、运行平稳性等角度验证优化后踏面的性能,为有轨电车发展提供工程实例。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

曲线半径对车辆轨道耦合接触系统垂向振动的影响分析

为探明曲线半径对车辆、轨道及轮轨接触的影响,以轮轨非线性接触为研究对象,建立车辆-轨道耦合的整体有限元模型,采用扩展拉格朗日接触算法,在钢轨高低不平顺的激励下,以80 km/h的车速模拟不同曲线半径对车辆-轨道耦合系统的垂向振动影响。研究结果表明:小曲线半径对车体舒适和构架振动不利;曲线半径几乎不影响轨道的垂向振动,但在曲线轨道设计时应考虑内外轨横向加固措施。从轮轨非线性接触的角度探讨了轮轨脱离甚至爬轨的原因。     

基于槽型轨的低地板有轨电车车轮磨耗及优化研究

低地板有轨电车因在城市中运行,道路工况复杂、小曲线半径较多,轮轨磨耗较为严重。又因轨道基本都使用槽型轨,在一定情况下槽型轨轨槽会与轮背发生接触,同样会发生磨耗。为研究车轮磨耗规律,以国内自主研发的新型70%低地板有轨电车为研究对象,建立其动力学模型,基于Archard磨耗模型及轮轨多点非椭圆接触理论对磨耗演变过程进行模拟,研究不同轮背内侧距下的车轮磨耗问题。结果表明,轮背内侧距对直线和曲线工况磨耗问题的影响是相互矛盾的,在一定范围内轮背内侧距越小对直线工况越有利,而对曲线工况不利。通过对实际运行线路的磨耗情况研究发现,车轮磨损主要发生在曲线行驶中,对车辆在整条线路上的磨耗问题进行优化,综合考虑直线与曲线所占比例,当轮背内侧距为1 376 mm时磨耗问题得到最优,对于使用槽型轨的车辆设计时轮背内侧距应当与车辆悬挂参数相匹配。     

轨下支承失效对轨道结构动力性能的影响

通过建立车辆轨道耦合动力学模型,分析了普通整体道床、弹性支承块与浮置板三种轨道结构轨下支承失效后的动力响应。结果表明:轨下支承失效对列车通过时轮轨系统动态响应的影响较大;随着轨下支承失效个数的增加与列车运行速度的提高,轨道结构的位移、支座反力、轮轨力的动力响应都将显著增加。     

无砟轨道垂向高频振动响应分析

为了分析不平顺条件下无砟轨道的高频振动特性及声辐射特性,建立了高速铁路无砟轨道车辆-轨道垂向耦合动力学模型,在轮轨表面粗糙度激励下考虑接触滤波,模拟出了轮轨垂向高频振动相互作用力,并将此力作用在按我国实际轨道结构建立的三维实体有限元模型上,仿真模拟轨道系统在随机荷载作用下的高频振动特性,得到了钢轨轨头、轨腰、轨底3处的...     

地铁曲线段非对称轨底坡对轮轨匹配特性的影响

基于轮轨接触几何关系和轮轨非赫兹滚动接触理论,分析地铁曲线段存在的非对称轨底坡对不同车轮型面下轮轨接触几何特性和接触力学特性的影响;采用SIMPACK软件,建立某B型地铁车辆动力学模型,基于USFD磨耗函数建立车轮磨耗预测模型,研究非对称轨底坡对3种车轮型面下车辆曲线通过性能和车轮磨耗的影响。结果表明:外轨轨底坡固定为1/40时,内轨轨底坡的增大使内轨侧轮轨接触点分布偏向名义滚动圆外侧,从而增大了滚动圆半径差,改善了车辆曲线通过性能,但对不同型面车轮的改善程度不同;内轨轨底坡的增大对外轨侧轮轨接触力学特性无明显影响,但对S1002和DIN5573型面车轮的内轨侧法向压应力有增大作用,且内轨轨底坡增至1/10时LM型面车轮的内轨侧法向压应力才明显增大;对于LM型面,外轨轨底坡为1/40、内轨轨底坡为1/20或1/10时可明显减缓轮缘磨耗,内轨轨底坡设置在1/20附近较合适;对于S1002和DIN5573型面,非对称轨底坡对轮缘磨耗的影响较小。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

WJ-8型小阻力扣件轨下橡胶垫板滑出动力学研究

基于轨下胶垫滑出后扣件支撑刚度减小和轮轨系统动力学基本原理,建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,计算分析轨下胶垫滑出对车辆与轨道结构的动力学性能的影响,得出以下结论:(1)随着轨下胶垫滑出量的增加,车辆与轨道结构的振动加速度、钢轨与道床板的垂向位移、最大轮轨力、减载率均有增大趋势;最小轮轨力有减小趋势;且随着轨下胶垫滑出量的增加,车辆以及轨道结构的动力学指标的变化趋势逐渐增大。(2)基于车辆以及轨道结构的动力学指标,轨下胶垫滑出量不宜大于120 mm。     

普通轨与槽型轨对现代有轨电车小半径曲线通过能力的影响

为研究不同类型钢轨上有轨电车的小半径曲线通过能力,基于多体动力学理论,建立了四模块低地板现代有轨电车仿真模型。在模型中考虑CHN60钢轨与60R2槽型轨的影响,并依据规范设置了3条小半径曲线线路,最后以车辆脱轨系数和轮重减载率为评价指标,对有轨电车小半径曲线通过能力进行评价分析。结果表明:两种钢轨上的有轨电车非线性临界速度均能满足车辆运行要求,且运行在CHN60轨上的车辆具有更好的非线性运动稳定性;在小半径曲线线路上运行时,60R2槽型轨上的车辆具有更好的稳定性,且槽型轨断面具有一定的护轨功能,因而在有轨电车钢轨选型上,建议使用槽型钢轨。     

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。     

直线电机地铁车辆轮轨外形匹配选型分析

车辆的动力学性能关系到车辆运行的安全性和舒适度,轮轨接触几何是影响车辆动力学性能的重要因素。现基于某直线电机地铁车辆,建立车辆的动力学分析模型,分析LM/CHN60与LMa/CHN60两种匹配的轮轨接触几何以及在3种典型曲线工况下车辆的平稳性、稳定性和曲线通过能力,通过比较二者性能的差异,为车辆踏面的选型提供理论和仿真依据。结果表明该直线电机地铁车辆采用LMa踏面能获得更好的综合动力学性能。     

地铁小半径曲线钢轨波磨影响因素分析

针对地铁线路普遍存在的钢轨磨耗现象,从轮轨蠕滑力和磨耗功率的角度研究地铁小半径曲线钢轨波磨问题,并利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆-轨道动力学耦合模型对地铁曲线地段上车辆运行速度和曲线半径对轮轨磨耗的影响进行动力仿真计算和分析。分析计算结果表明:车辆运营速度不宜过低,为降低轮轨磨耗、保证行车安全及运力需求,最高运营速度定为60～70 km/h为宜;曲线半径对钢轨磨耗功率影响较大,在符合城市规划等决定因素的要求下地铁线路曲线半径尽量大于500 m,可以实现良好的运行效果。     

采用新型钢轨焊缝保护装置后钢轨焊缝处的轮轨动力学特性

根据轮轨相互作用机理,建立安装新型钢轨焊缝保护装置后钢轨焊缝处的车辆—轨道耦合动力学模型,对此处的轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率等轮轨动力学指标进行仿真计算,并分别与采用鼓包鱼尾板和没有焊缝保护装置时进行对比,研究采用新型钢轨焊缝保护装置时焊缝处的轮轨动力学特性。对比分析结果表明:采用新型钢轨焊缝保护装置后,轮轨垂向力降幅分别为1.28%和4.63%,脱轨系数降幅分别为1.49%和2.94%,轮重减载率降幅分别为3.41%和7.68%;新型钢轨焊缝保护装置在各速度条件下均能够有效地减小焊缝振动和动态受力。由此可见,采用新型钢轨焊缝保护装置,可消除打螺栓孔带来的安全隐患,有效减小焊缝处的动力响应,加强焊缝处的轨道结构整体性。现场动态测试结果进一步验证了新型钢轨焊缝保护装置结构的合理性。     

高速铁路60N廓形钢轨适应性研究

针对60N廓形钢轨在高速铁路的适应性问题,对铺设60N廓形钢轨的高速铁路线路开展长期跟踪测试,分析60N廓形钢轨服役性能及养护维修情况;利用仿真手段,采用基于层次分析法的轮轨型面匹配综合评价方法,评价铺设60N廓形钢轨线路的标准及实测轮轨型面匹配状态。结果表明:铺设60N廓形钢轨的高速铁路钢轨服役状态良好,钢轨磨耗较小,加工硬化轻微,未出现接触疲劳伤损;1个车轮镟修周期内,兰新、西成及宝兰客专等高速铁路轮轨型面匹配状态均为优秀,且不同阶段轮轨匹配指数波动较小;综合钢轨服役性能、轮轨型面匹配状态、钢轨维修养护经济性及推广应用情况等几方面,可知60N廓形钢轨在高速铁路具备良好的适应性。     

轨下垫板刚度的时变特性及其影响研究

以WJ7-A型轨下垫板为对象,测试轨下胶垫刚度随服役时间的变化,分析垫板刚度的时变特性;然后以此为基础,建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型,研究轨下胶垫时变特性对轮轨随机振动响应的影响规律。研究结果表明:随着服役时间的增长,轨下橡胶垫板的刚度将增大,2年后垫板刚度的增幅为13.91%;随着运营时间的增长,车体振动加速度变化微弱;轮轨力及扣件力的第二主频幅值增大并向高频移动,且扣件力变化更显著,线路运营2年时间后,扣件力第二主频向高频移动7.4 Hz,幅值增幅达到53.80%。建议定期抽样测试轨下胶垫刚度并及时更换性能老化垫板,降低轮轨垂向力和扣件力。     

60 kg/m钢轨和60N钢轨轮轨接触几何关系对比分析

为揭示我国新研究设计的60N钢轨的轮轨接触几何关系,运用常用的迹线法,以LM型和LMA型车轮踏面为例,对60 kg/m钢轨(简称60钢轨)和60N钢轨轮轨接触几何关系及其对轨底坡和轮对摇头的适应性进行详细研究。结果表明:相比60钢轨,60N钢轨与LM型和LMA型踏面匹配时,轮轨接触点在钢轨上位于钢轨中心位置附近,同时不会在钢轨轨距角附近出现轮轨接触,且在发生轮缘接触前,60N钢轨相比60钢轨对应的等效锥度随着轮对横移量变化很小,说明60N钢轨有效的改善了轮轨接触几何关系;同60钢轨,60N钢轨对于LM型车轮踏面,当轨底坡为1/20时匹配更佳,对于LMA型车轮踏面,当轨底坡为1/40时匹配更佳,而摇头角对60钢轨和60N钢轨的影响基本一致。     

基于轮轨蠕滑最小化的钢轨打磨研究

根据对轮轨蠕滑形成机理的研究,指出轮轨接触的滚动半径差是影响轮轨蠕滑的重要参数;利用车辆动力学软件NUCARS和选用不同钢轨廓形,仿真计算滚动半径差对轮轨关系的影响,据此提出应通过钢轨打磨,消除或减弱轮轨蠕滑,从而实现轮轨关系的改善,达到延长钢轨使用寿命的目的.理论计算和现场钢轨打磨试验表明,在大秦重载铁路实施钢轨打磨后,滚动半径差减小,钢轨的廓面形状与车轮形成贴合型接触,降低了轮轨蠕滑力和横向力以及轮轨滚动阻力,改善了轮轴转向特性,使钢轨的平均侧磨减少了将近50％,钢轨的通过总重从9×108 t增加到15×108 t以上.     

高架轨道轮轨噪声预测分析

随着我国城市轨道交通的快速发展,高架轨道作为一种经济、实用、安全、快速的交通模式,在城市轨道交通建设中得到越来越广泛的运用,但由此带来的振动噪声对周围环境的影响也变得十分突出。通过建立轮轨噪声预测模型,运用有限元法分析箱型梁、U型梁阻抗,对高架轨道轮轨噪声进行预测分析。讨论了桥梁截面型式、行车速度、轨道扣件刚度、桥梁结构阻尼、桥梁支座刚度对高架轨道轮轨噪声的影响。分析结果表明,行车速度和扣件刚度对轮轨噪声有较大影响,在200 Hz以下,轮轨噪声总体上随着扣件刚度的增大而增大;在200~800 Hz范围内,轮轨噪声随着扣件刚度的增大反而减小;在800 Hz以上,扣件刚度对轮轨噪声无明显影响。桥梁截面型式仅在低频部分对轮轨噪声有较大影响,而桥梁结构阻尼、桥梁支座刚度则对高架轨道轮轨噪声影响甚微。