高铁联调联试车辆动力学响应轮轨垂向力评判方法研究

随着我国高速铁路的快速发展,车辆运营速度越来越高,利用轮轨作用力检测技术评价轨道状态成为一种新兴的技术手段。轮轨垂向力检测在发现轨道缺陷、降低轮轨疲劳伤损、延长车辆和轨道相关部件服役寿命等方面具有重要意义。通过高速铁路联调联试轮轨垂向力检测典型案例研究和大量数据统计分析,并参考借鉴国内外相关标准,提出高速铁路联调联试车辆动力学响应轮轨垂向力评判方法,该评判方法在高速铁路联调联试中的应用效果表明,轮轨垂向力相关评价指标能够准确检测轨道缺陷,更科学地指导线路养护维修。     

重载铁路典型波磨区段轮轨力仿真分析

钢轨波磨是重载铁路上常见的一种病害，且波磨波长范围较广，为研究列车经过不同波长的波磨区段时轮轨垂向力变化情况，利用ABAQUS软件建立有限元模型，仿真计算不同工况条件下的重载线路轮轨垂向力响应。首先，结合重载铁路轴箱加速度的分析和现场复核，归纳钢轨波磨区段主要参数特征；接着，根据归纳的波磨特征建立有限元仿真模型并利用既有实测数据验证仿真结果的正确性；然后，利用控制变量法计算轮轨动力学在不同车辆轴重、运行速度、扣件刚度和弹簧阻尼参数下的影响特性。最后，通过比较不同波长下的轮轨垂向力发现，相同工况下，重载铁路短波长波磨区段能引起轮轨垂向力更大范围的幅值波动。因此，重载铁路产生钢轨波磨初期，为避免异常的轮轨力，要及时打磨。     

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。     

不同轴重重载列车作用下轮轨垂向力试验研究

依托重载铁路30 t轴重实车综合试验,获得大量轮轨垂向力实测数据,运用数理统计分析,揭示不同轴重重载列车作用下轮轨垂向力分布特征以及变化规律,提出轮轨垂向力概率密度分布函数,以及轮轨垂向力平均值、标准差与轴重和速度的联合关系式。研究结果表明:轮轨垂向力平均值和最大值随着轴重增加线性增大,标准差随轴重增加呈负指数函数式减小;轮轨垂向力平均值随速度呈指数式增长,最大值、标准差以及变异系数均随着车速增大线性增长;不同轴重重载列车轮轨垂向力均服从正态分布;根据轮轨垂向力与轴重、速度的联合关系式可对不同轴重列车以不同速度运行时轮轨垂向力平均和标准差做出预测。研究成果对于重载铁路工程结构设计和养护维修具有指导意义。     

钢轨焊接接头激励下的轮轨垂向力特性

为研究车辆高速运行条件下钢轨焊接接头不平顺引起的轮轨动态响应规律,利用ABAQUS软件建立轮轨有限元接触模型,引入不同形状的焊接接头不平顺作为轨道子模型边界条件,并利用一高速铁路焊接接头不平顺及轮轨垂向力实测数据验证了模型的可靠性;利用模型仿真计算不同车辆运行速度和焊接接头不平顺幅值条件下的轮轨垂向力,并分析轮轨垂向力等势线分布特征。研究结果表明:轮轨垂向力受焊接接头不平顺幅值的影响程度随车辆运行速度的增加而增大;为使钢轨焊接接头不平顺引起的轮轨垂向力不大于170 kN,不同速度等级的线路应该限定相应的焊接接头不平顺幅值管理值;对于300～350 km/h速度等级的线路,凸型焊接接头不平顺幅值不应超过0.27 mm,凹型焊接接头短波不平顺幅值不应超过0.30 mm.     

货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案(续完)——轮轨垂向力及车钩力的评定标准

为了满足我国铁路货物运输重载化发展应用需要，提出在《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中增加轮轨垂向力及车钩力评定标准的建议，并具体给出了轮轨垂向力和车钩力评定标准的建议方案，实施细则说明其增加依据。     

基于轴箱垂向加速度中高频轮轨垂向力软测量模型

利用谱方法和相干函数分析轴箱垂向加速度与轮轨垂向力的频率特性.根据轴箱垂向加速度与轮轨垂向力在波形上具有相似性的特点,采用H1传递函数估计方法和傅立叶变换及傅立叶逆变换,导出轴箱垂向加速度与中高频轮轨垂向力关联的传递函数,建立用于预测中高频轮轨垂向力的软测量模型,并根据相干系数确定了轮轨垂向力软测量模型的适用频率范围为55～90 Hz.利用实测的轴箱垂向加速度和轮轨垂向力数据对轮轨垂向力软测量模型进行验证的结果表明,基于轴箱垂向加速度的中高频轮轨垂向力软测量模型具有较高的预测精度,而且简单实用,为诊断和控制轮轨垂向力大值提供了新的分析手段.     

基于钢轨支点压力的动车组轮轨垂向力测量方法

在现有运营线路上实时检测车轮踏面擦伤或车轮不圆的铁道车辆运行品质轨旁动态监测系统（Truck Performance Detection System,TPDS）的基础上，基于车辆轨道耦合动力学理论建立刚柔耦合模型，计算得出支点垂向力对各车轮的分配系数，利用钢轨支点处压力传感器的实测数据反算得到车轮的轮轨垂向力，实现了无剪力分区条件下轮轨垂向力的连续检测。选取一高速铁路上TPDS压力传感器测量数据，用本文方法计算轮轨垂向力，并与现有TPDS系统计算方法得到的轮轨垂向力进行比较。结果表明：二者得出的轮轨垂向力具有很好的一致性，相关系数在0.8以上。     

重载铁路轮轨力测试及传输系统研究

为检测重载铁路轮轨垂向力和轮轨横向力,对轮轨力测试及传输系统进行研究,并在大秦重载铁路进行了样机试验.试验结果表明,本文提出的重载铁路轮轨力测试及传输系统的构建方案是切实可行的.     

轨检车轮轨力检测系统研制与应用

轮轨力作为车轮与钢轨的直接作用结果,在车辆系统固定情况下能准确发现识别轨道线路的病害。介绍装备于轨检车的我国自主研发的轮轨力检测系统,主要包括系统构成、工作原理、工作流程、数据分析及轨检评价标准等,并分析不同轨道病害作用下的轮轨力变化规律和特征。采用轮轨力检测系统进行轨道线路质量检查和评判的新方法具有独特的技术优势,更适合于检测识别轨道线路短波不平顺,与传统几何轨检技术相结合能够对我国铁路线路进行全面综合的质量评估,保障铁路运输的安全性与经济性。     

高速铁路路桥过渡段轮轨力分析

通过武广客运专线某路桥过渡段的现场车检数据分析,对高速铁路路桥过渡段轮轨力随列车速度的变化规律进行研究.结果表明,动车通过路桥过渡段时轮轨垂向力明显增大,且当车速达300 km·h-1及以上时增幅更加明显;在200～340km· h-1车速范围内,轮轨垂向力的变化范围为31.1～100.46kN,最大轮轨垂向力是过渡段内轮轨垂向力有效值的125％～147％;各速度级下的轮轨垂向力均符合正态分布,其平均值基本在50～60 kN范围内,但动车速度越大,轮轨垂向力值越离散;置信概率为99.4％时预测的过渡段上最大轮轨垂向力值在71～90 kN范围内.     

现代有轨电车无砟轨道列车荷载取值研究

为确定现代有轨电车无砟轨道的设计轮载和常用轮载的具体取值,根据轮轨相互作用原理,建立现代有轨电车-无砟轨道垂向耦合动力学计算模型。详细分析不同行车速度下车轮扁疤和美国6级线路不平顺谱对轮轨垂向力的影响,并比较上凸型和下凹型钢轨焊缝不平顺所引起的轮轨接触力变化规律的不同之处,同时也对轮轨垂向力数据进行统计分析,从而得到设计轮载和常用轮载的取值。研究结果表明:在车轮扁疤激励下,轮轨垂向力和动载系数随着行车速度的增加,呈现先增大后减小的趋势;下凹型钢轨焊缝不平顺对轮轨相互作用力的影响较大,而上凸型钢轨焊缝不平顺对轮重减载率的影响较显著;与钢轨焊缝不平顺相比,车轮扁疤对轮轨相互作用力的影响更大,因此在有轨电车车辆的日常养护维修过程中应及时对车轮扁疤进行维修;建议现代有轨电车无砟轨道的设计轮载和常用轮载分别取为静轮载的1.45倍和1.25倍。     

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。     

高速铁路轮轨垂向力与轨道高低不平顺关联特性

采用ABAQUS商业软件建立三维轮轨接触有限元模型,以中国高速铁路线路和典型服役车辆参数作为模型仿真参数,分别将中国高速铁路无砟轨道高低不平顺谱和余弦型轨道高低不平顺作为模型输入,仿真分析轨道高低不平顺幅值、波长与轮轨垂向力响应之间在时频域上振幅、相位的关联特性,并拟合不同车速下附加轮轨垂向力与轨道高低不平顺特征参数之间的函数表达式。结果表明:附加轮轨垂向力的波动范围随轨道高低不平顺波长的增加而非线性减小;轨道不平顺及轮轨垂向力之间的延迟相位随激振频率的增加而增加,整体处于0.02π～0.10π之间;轨道高低不平顺波长大于30 m时,附加轮轨垂向力与轨道变化率呈近似线性关系,二者之间的比例系数在车速300和350 km·h~(-1)时分别为13.14和19.19。     

轮轨垂向力地面连续测量的线性状态方法

为分析不同轨枕约束下钢轨应变的变化规律、实现轮轨垂向力地面连续测量,建立了6.0 m长、由10根轨枕支撑的轮轨垂向力测量有限元模型,通过周期延拓模拟轮对在钢轨上的滚动过程。计算结果表明:采用剪切法和压缩法等传统方法虽可以有效得到轮对通过钢轨跨中附近的轮轨垂向力,但无法稳定地得到轨枕上方的轮轨垂向力;对于任意轨枕约束状态下钢轨中和轴上的某些应变(剪切应变差、沿纵向对称分布的压缩应变和等),可以通过线性插值由标准刚度和0刚度2个基准轨枕约束状态下的钢轨中和轴应变得到(线性状态特性)。根据线性状态特性,构造轨枕约束状态与轮轨垂向力的二元方程组,并且优选特定系数下剪切应变差与压缩应变和的组合来消除轨枕约束状态对轮轨垂向力地面测量的影响,提出基于钢轨应变的轮轨垂向力地面连续测量的线性状态方法。经有砟及板式轨道上的试验,验证了该方法的有效性,并给出了单独采用该方法以及该方法与剪力法组合使用时的具体实现方案。     

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。     

动态综合检测技术在北京大兴机场线工程中的应用

为了保障北京大兴机场线高速运行条件下车-线-网匹配良好及行车安全,达到国务院、交通部关于新建轨道交通线路运营初期安全评估要求,提高运营品质和舒适性,大兴机场线工程在动车调试和试运行阶段引入了动态综合检测技术,针对与行车密切相关的轮轨、弓网、通信信号、路基、桥梁、电磁兼容等联动系统开展动态检测与调试工作,为北京大兴机场线提速研判与验收提供了数据支撑。文章从宏观角度对动态综合检测技术在北京大兴机场线工程中的应用进行阐述,重点对动态综合检测技术及其作用与建设单位组织管理方法进行介绍,以期为同行提供借鉴与参考。     

局部平顶型不平顺激扰下的轮轨动力分析

通过MATLAB软件模拟平顶型不平顺,作为机车模型的外部激扰输入,根据机车动力学理论,以机车轮轨动力指标为依据,运用SIMPACK多体动力学仿真软件,分析了小跨度桥的局部平顶型不平顺的幅值A、与不平顺波长相关的系数K和平顶长度L对轮轨系统动力性能的影响,给出了80~160 km/h速度下,轮轨垂向力、轮重减载率等重要指标,确定出危险速度。仿真结果表明,平顶型不平顺的幅值A和不平顺的系数K的增大,对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值都有不同程度的影响;但平顶长度L对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值几乎没有影响。     

城市轨道交通轨面不平顺对轨道结构动力响应影响的试验分析

在某城市轨道交通线路上对钢轨打磨前后轨面不平顺、轮轨力及轨道结构振动进行测试,根据测试数据分析轨面不平顺对轮轨力和钢轨振动加速度的影响。结果表明,钢轨打磨后,轨面不平顺幅值从打磨前的0.966 mm降低为0.686 mm,轮轨垂向力可降低18%~19%,钢轨垂向振动加速度降低了2.33倍。     

重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.