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。     

准静态下轮对脱轨安全限值研究

基于准静态下的三维轮对脱轨分析模型,推导轮对脱轨临界状态下的力学平衡方程,建立同时考虑轮轴脱轨系数和轮重减载率的轮对稳态脱轨评价方法。采用Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕滑理论充分考虑轮轨蠕滑力对轮对脱轨安全限值的影响。结果表明自旋蠕滑率对轮对脱轨安全限值与安全域影响明显,若忽略自旋蠕滑率的影响,计算得到的轮对脱轨安全限值则偏大,使脱轨安全性评价标准变宽松,对车辆脱轨的评价产生不利影响。研究摩擦系数对轮对脱轨安全限值的影响,结果表明降低轮轨间的摩擦系数对车辆脱轨安全性有利有弊,轮轨间过低的摩擦系数也可能引发车辆脱轨,在确定合理的轮轨摩擦系数时应注意权衡车轮爬轨脱轨与滑轨脱轨。     

曲线几何参数对货车转向架曲线通过性能的影响

利用SIMPACK仿真软件建立副构架径向转向架和交叉支撑转向架的动力学模型，并对其动力学性能进行仿真计算，分析比较曲线半径、超高等曲线几何参数对2种转向架曲线通过性能的影响。结果表明：曲线半径和欠超高对径向转向架和交叉支撑转向架的脱轨系数、轮重减载率影响比较接近；曲线半径在400-1200m范围内，自导向径向转向架能有效提高通过性能，明显降低轮对冲角，减缓轮轨磨耗；欠超高对2种转向架轮对冲角的影响近似成线性关系，且其影响程度仅和转向架本身属性相关，与曲线半径无关。指出采用磨耗功率评价欠超高对曲线轮轨磨耗的影响更为合理，因为不仅能反映出磨耗与欠超高的关系，还能反映出曲线外轨超高设置不同时轮轨磨耗的变化特点，这与工程实际中减小外轨超高、设置欠超高有利于降低轮轨磨耗是一致的。     

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.     

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：车辆通过曲线区段时，轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著；轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力，致使脱轨系数增大，尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大；通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数，同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数，提高车辆横向运行安全性；内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定，且随曲线半径增大而减小。     

利用“抗脱轨转向架”改善运行性能

经考查,车辆爬轨脱轨是由于轮重减载变大或轮轨横向力变大而引起的。因此,在技术上通过抑制轮重减小或降低轮轨横向力的途径,均可起到抗爬脱轨的作用。通过这两种技术的组合,也就是在可抑制轮重减小的转向架上加装辅助导向系统,进而开发出兼具抑制轮重减小及降低轮轨横向力两项功能的"抗脱轨转向架"。介绍日本铁道综合技术研究所基于上述思路而研发的"抗脱轨转向架"概况以及性能确认试验的结果。     

冲角对换轨机器人准静态脱轨判别研究

针对换轨机器人脱轨系数具有保守性,轮重减载率作为辅助判别指标却没有统一标准的问题,提出以冲角判别换轨机器人脱轨的判别方法。结合脱轨系数与轮重减载率的定义,引入列车准静态脱轨判别准则,建立轮对力矩准静态模型,构建换轨机器人多参数耦合的脱轨判别式,探究不同摩擦因数、不同轮缘角下冲角与脱轨系数的函数关系以及冲角与脱轨判别式的映射关系式。研究结果验证了理论的正确性,增大轮缘角、降低轮轨间摩擦因数有利于降低脱轨危险性,合理解释了脱轨系数达到脱轨标准时,换轨机器人没有发生脱轨的现象,为换轨机器人准静态脱轨的进一步研究奠定理论基础。     

道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响

为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响，结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法，构建道岔区轮轨多点接触几何模型，并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性；在测试长期服役过程中真实车轮型面和道岔变截面钢轨廓形的基础上，研究不同服役阶段下轮轨廓形演变对接触点分布、滚动圆半径差和侧滚角的影响，进而分析轮轨接触几何关系和轮轨力过渡特性。结果表明：随着道岔通过总重的增加，轮轨接触点从基本轨提前迁移至尖轨；磨耗会导致轮轨接触点发生跳跃、分布不连续，从而显著增加轮轨间动态相互作用；随着磨耗进一步加剧，轮对侧滚角最大值从0.04 mrad逐渐减小至0 mrad并最终出现负值；轮轨垂向力和车体加速度从86.643 kN和0.032 m·s^-2分别升至101.466 kN和0.038 m·s^-2后，脱轨系数和轮重减载率对应从0.433和0.215分别升至0.505和0.247，显著降低了列车行车平稳性和安全性。     

横风对货车通过高墩桥梁行车安全性的影响分析

在对国内外研究成果进行简要介绍和分析的基础上,本文按一系悬挂和变摩擦阻尼建立货车的动力计算模型;轮轨作用力采用Kalker的线性接触理论并按Vermeulen-Jnhnson的非线性理论对其进行修正的方法;作为车桥系统外部激励的抖振力的时域随机风荷载按Shinozuka理论进行模拟。以某高墩连续梁刚构桥为对象,对考虑横风作用时货车的行车安全性进行了对比分析。计算结果表明：在横风作用时,背风侧的脱轨系数和轮轨作用力增加,轮重减载率减小,迎风侧的脱轨系数和轮轨作用力有所减小,轮重减载率增加;与无风时相比,横风的作用将导致车辆的行车安全性较为不利,这一结论与文献[2]的试验结果基本一致。     

30t轴重重载列车轮轨法向接触应力分析

轮轨接触应力对轮轨磨耗和滚动接触疲劳影响较大,因此精确计算轮轨接触点与接触应力非常重要。本文基于重载铁路轮轨标准型面,利用改进的轮对轴向切片投影法,准确找到轮轨多点接触。引入弹性压缩量,找到接触斑,利用一种精确计算轮轨接触应力的方法求得轮轨法向接触应力,并考虑轮轨摇头角和侧滚角的影响。结果表明:该方法在寻找轮轨多点接触与计算轮轨接触应力时结果较为准确、直接和全面;轮轨接触斑随着轮对横移和摇头角变化,呈现非椭圆形状;一侧车轮轮缘和轨距角处接触,曲率半径较小,轮轨法向接触应力最大值可达3 400MPa,而另一侧轮轨的法向接触应力均小于2 000MPa。在轮对横移量为0~3mm时,摇头角的增加使右轮轨接触斑面积减小,相应的接触应力增大;在轮对横移量为4~9mm时,摇头角的增加使右轮轨接触斑面积增大,相应的接触应力减小;摇头角的增加对左轮轨接触状态有利,但影响不明显。     

具有独立轮轻轨列车的脱轨问题及轮缘侧面磨耗研究

针对目前具有独立轮转向架的低地板面轻轨列车所发生的脱轨问题和轮缘严重磨耗问题，从轮轨系统的基本关系出发，分析了传统刚性轮对与独立轮对的导向机理和特点，建立了具有独立轮特点的计算机仿真模型，采用MATLAB／SIMULINK仿真工具计算模拟了实际脱轨现象，并对各种可能导致脱轨和轮缘磨耗的因素进行了分析。对可以控制的因素，如踏面外形、轮轨润滑、运行速度、护轨间隙等进行了综合治理，使轮轨磨耗大为降低，抑制了脱轨事故，获得良好的经济和社会效益。在设计、运用和维护3个方面，提出了如何提高脱轨安全性和轮缘减磨的系统性建议。     

径向转向架机车动力学特性分析

通过理论分析与动力学建模仿真相结合的方法,计算分析了传统机车转向架和径向转向架牵引与导向性能及直线运行稳定性。认为减小轮轨冲角是提高机车曲线通过性能的最有效途径,径向转向架牵引与导向功能达到了良好的协调有利于冲角的减小。同时发现轮对纵向定位刚度只在一定范围内对轮轨冲角影响较大,牵引力作用下较无牵引力作用下轮轨冲角大。     

基于轮对模型的铁道车辆脱轨安全性评估

考虑轮对摇头和侧滚运动,推导轮对的三维爬轨脱轨准则,采用轮轴脱轨系数和轮重减载率的联合安全域进行脱轨安全性评估。建立轮对横向和侧滚运动方程,推导轮轴横向力和轮轨垂向力的计算公式。提出一种轮轨力间接测量方法,利用轴箱加速度、一系悬挂相对位移以及转臂应变等测试量,进行轮轨力的反演识别。通过轴箱转臂标定试验,获得转臂定位节点横向力和转臂应变之间的关系。针对某高速客车进行环线线路试验,对比分析测力轮对和间接测量方法获得的轮轨力。结果表明:间接测量方法得到的轮轴横向力和轮轨垂向力与测力轮对波形吻合,峰值误差分别为11.2%和4.3%。直线段的轮轴脱轨系数和轮重减载率均较低,曲线段二者均显著增大,缓和曲线段的轮重减载率逐渐增大而轮轴脱轨系数变化平缓。     

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.     

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。     

通过轮轨界面摩擦管理降低轨道横向力

作为探讨轮轨相互作用系列文章中的第二篇,分析了列车通过曲线时作用在轮轨接触面上的横向作用力和垂向作用力及其对轮对导向性能、轮轨磨耗和车辆运行安全性的影响。结合国内外客、货运铁路的实际应用经验,探讨如何通过轮轨界面摩擦管理降低轮对横向力,达到降低列车脱轨风险、减缓轨道结构伤损和减小钢轨与车轮磨耗的目的。     

高速动力车曲线走行性能的模拟分析

本文准确描述了高速动力车各部件间的结构关系及曲线轨道的结构特征，建立了完整的动态曲线通过模型，对高速动力车通过曲线时的轮对冲角、轮对横向力，脱轨系数及轮重减载率进行了计算分析，分析表明我国高速动力车的曲线走行性能优良。     

三轴径向转向架机车曲线通过性能的提高

ＧＭ公司的电气动力部承担了一项六轴机车径向转向架的综合研究与发展计划。这些转向架上装有使轮间冲角减小的导向机构以减小曲线上轮轨磨耗。该研究计划中包括了对常规北美转向架和径向转向架两者进行的广泛的数学建模，给出了这些转向架的曲线通过性能的比较。比较用的参数有净横向力，冲角，轮轨磨耗指数。     

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。     

一种通用的轮轨两点弹性接触的计算方法

介绍了一种通过查三维弹性模型数表来求解轮轨接触问题的方法,该方法可以考虑两点接触对车辆运行性能的影响,包括轮对冲角的影响。通过算例,对比分析了三维两点接触模型和二维模型对磨耗数和脱轨系数的影响情况,并对求解轮轨接触问题的查表法和在线计算法的优缺点进行了研究。