一系纵向定位间隙对磁流变耦合轮对车辆横向动力学性能的影响

为了合理控制车辆轮对定位间隙, 提高磁流变耦合轮对车辆在高速时的横向动力学性能, 建立该车辆的空间动力学模型, 分析了轮对纵向定位间隙对车辆临界速度和曲线通过性能的影响。得出了纵向定位间隙的增大能使磁流变耦合轮对车辆的临界速度急剧下降, 轮对横移量和冲角、轮轨横向力和车体横移加速度快速增大; 只有在小间隙的条件下, 车辆在高速铁路上才具有较高的临界速度和较好的曲线通过性能。     

车轮型面位置偏移对车辆动力学性能的影响

为了分析LMA车轮型面位置偏移对车辆动力学性能的影响,设计不同型面位置偏移量的车轮,通过轮轨接触分析和车辆动力学计算,分析了车轮型面位置偏移对轮轨几何接触特性、车辆临界速度和曲线通过性能的影响.结果表明,较小的偏移量对临界速度影响不大,当偏移量达到1.75 mm后临界速度急剧下降.以均衡速度通过曲线时,型面偏移量的增大对轮轨横向力的影响不大,但会使轮对横移量的最大值显著增大.与反相偏移相比,同相偏移对车辆在直线上的临界速度及曲线上的横移量影响更大.因此,车轮型面位置偏移对车辆动力学性能有较大影响,应当避免发生,LMA车轮型面偏移量最大不得超过1.75 mm.     

地铁车辆轮轨型面匹配分析

为了分析地铁车辆常用的LM型踏面、内侧距1 358 mm和1 360 mm的S1002型车轮踏面分别与60 kg/m钢轨匹配特性.进行了轮轨接触几何、非赫兹滚动接触、车辆轨道耦合动力学计算.轮轨接触分析表明,LM轮轨接触点能够均匀分布于钢轨型面,轮对等效锥度随轮对横移呈增大关系,接触斑面积偏小、最大等效接触应力偏大、磨...     

高速列车轮轨参数对车轮踏面磨耗的影响

建立了高速列车多体动力学仿真模型和车轮踏面磨耗计算模型, 通过动力学模拟计算了轮轨接触关系和接触力, 用FASTSIM重新计算轮轨接触斑内的滑动速度、轮轨切向力和摩擦功率的分布, 采用基于摩擦功的轮轨磨耗模型计算了车轮滚过一圈时踏面上一个接触斑的磨耗质量, 再通过累积得到运行一定距离后的踏面磨耗深度。采用数值仿真方法研究了不同车轮踏面外形、轮对内侧距、轨底坡和车速对踏面磨耗深度和磨耗分布的影响。计算结果表明: LMA和S1002踏面的磨耗分布比较均匀, LM踏面的磨耗深度最大, LM和XP55踏面的磨耗区域更靠近轮缘; 在LMA踏面标准轮轨匹配参数下, 轮对内侧距增加会增加磨耗, 磨耗深度随着轨底坡减小而增大; 高速列车车轮踏面磨耗与等效锥度密切相关, 较小的等效锥度会减小磨耗, 但等效锥度的选择需要兼顾动力学性能的其他方面。     

车轮型面磨耗对车辆服役性能的影响

针对动车组的1节车辆, 利用WP-D 车轮外形测量仪定期实测每个车轮的外形与轮径, 得到5组车轮型面磨耗工况, 并结合所选车辆的结构参数和运行线路特点, 利用多体动力学软件进行了车辆动力学仿真,分析了车辆在不同磨耗工况下的动力学特性. 仿真结果表明: 为保证车辆400 km/h 以上的临界速度, 车轮等效锥度应不大于0.4; 磨耗车轮的型面下凹深度超过2 mm 时, 车辆运行安全性和曲线通过性能将显著下降, 在最恶劣工况时,平稳性指标增幅达54%, 轮轴横向力增大了100%.     

地铁列车车轮踏面磨耗规律探讨

为了研究地铁车辆踏面磨耗的变化规律,持续跟踪测试了某线路地铁列车车轮踏面磨耗数据,并统计分析了运用工况下车轮踏面磨耗的数据特征.与CN60KG钢轨匹配,对比分析了踏面磨耗对诸如等效锥度和接触点等轮轨匹配参数的影响趋势.轮轨匹配特性分析表明:踏面磨耗将造成等效锥度增大.特别是右侧车轮踏面磨耗偏大,且呈现了轻微的轮对偏磨现象.根据地铁线路条件,有必要考虑地铁列车转调运用以合理延长镟轮修程.     

改善轮轨接触状态的车轮型面几何设计方法

改进了车轮型面设计方法, 给出了设计方法的解析数学表达式, 将轮对等效锥度与轮轨型面接触状态联系起来, 对设计实例进行了轮轨几何接触、非赫兹滚动接触和车辆动力学性能分析。研究结果表明: 轮轨接触点能够均匀分散分布; 由于接触斑面积增大约23%, 最大接触压力降低约21%, 使轮轨滚动接触应力降低了约20%;装备实例型面的车辆临界速度与LMA型面几乎相同, 由于轮对等效锥度略有提高使其曲线通过性能略好于后者。可见, 该方法可以改善轮轨接触状态, 有利于轮轨型面均匀磨耗及缓解轮轨滚动接触疲劳。     

基于电机架悬的转向架稳定性与控制策略

实时调整架悬电机参数,以提高转向架的蛇行运动稳定性;建立了电机架悬转向架动力学模型,包含2个轮对、1个构架和2个电机,轮对和构架间考虑了一系悬挂装置,构架和车体间的二系悬挂装置考虑了空气弹簧和抗蛇行减振器,将2个电机考虑为一个整体并与构架弹性连接;基于高速转向架系统模型的最小阻尼比来寻找电机最优横移频率,分析了转向架参数对电机最优横移频率的影响,并针对该型转向架提出了一种能够提升蛇行运动稳定性的电机主动架悬反馈控制策略;通过开展电机主动架悬的高维车辆SIMPACK/SIMULINK联合仿真,对电机架悬控制策略进行了验证。研究结果表明：电机最优横移频率会随轮轨等效锥度的增大而增大,当轮轨等效锥度由0.3增大至0.6时,电机最优横移频率会由4.5 Hz增大到7.0 Hz;不同的等效锥度、电机质量和一系纵向刚度下,电机最优横移频率和转向架蛇行频率的差值均为1.0～1.5 Hz,因此,可通过检测转向架的蛇行频率再减去1.0～1.5 Hz获得电机最优横移频率,用电机和构架的相对位移和速度作为反馈信号,使电机能够实时获得最优架悬参数,成为理想的动力吸振器;高维数值仿真显示,电机主动架悬相比电机被动...     

轮轨匹配对高速动车组动力学性能的影响

基于阿尔斯通公司和长春轨道客车股份有限公司提供的CRH5动车组CA250转向架及车体模型、基本结构参数及仿真报告,利用多体动力学仿真软件ADAMS(RAIL/VIEW模块)建立转向架及整车动力学仿真模型.首先对中国车轮踏面LM和LMA、欧洲车轮踏面S1002、应用在TGVA和KTX(韩国TGV)上的特殊车轮踏面XP55与UIC60 kg轨面匹配分别进行等效锥度计算和对比,然后根据线性及非线性临界速度分析方法对拖车(满载)进行横向稳定性仿真分析,最后进行了不同轮轨匹配状况下的曲线通过性能仿真.重点分析不同匹配参数及轮对定位方式对整车动力学性能的影响.     

轮对磨耗对地铁车辆稳定性的影响

使用车辆动力学软件SIMPACK建立了广州某地铁车的辆车辆动力学模型,通过对地铁轮对磨耗规律的分析,使用AUTO CAD制作了轮缘厚度为30的少量磨耗的轮对和轮缘厚度为28的大量磨耗的轮对,然后导入到车辆动力学模型中。分析了车轮磨耗对轮轨接触的蠕滑力/率的影响,发现随着磨耗程度的增加,蠕滑力/率均增大。通过SIMPACK软件的仿真计算得出地铁在不同磨耗下的非线性临界速度,仿真结果是:非线性临界速度随磨耗程度的增加逐渐减少,所以地铁运行的稳定性也是逐渐减小。     

高速动车组柔性转向架蛇行运动频谱分析

为分析高速动车组在不同运行速度下的转向架蛇行运动频谱,推导了自由轮对蛇行运动模型,建立了与纵向、横向速度和摇头角速度相关的3个一阶微分方程;建立了柔性转向架蛇行运动模型,给出了与轮对和构架的横移和摇头自由度相关的9自由度蛇行运动方程;结合车辆悬挂和实测轮轨接触关系等参数,联立自由轮对蛇行运动方程,求解不同轮对初始横移下的构架蛇行波长和频率;以某型动车组一个车轮镟修周期内实测的车轮踏面廓形为例,分析不同车轮镟后里程下的构架蛇行波长及频率的变化规律。分析结果表明：部分测点出现明显的2.9、14.9和33.6Hz振动频率,且这些频率随着车速的增加呈线性增长趋势;33.6 Hz来源于车辆通过CRTS Ⅱ型轨道板时频率;14.9 Hz来源于350 km·h^-1运行时的车轮转动频率;当轮对初始横移为3 mm的等效锥度为0.14时计算的构架蛇行频率为3.0 Hz,与实测构架横向振动频率2.9 Hz接近,从而验证了微分方程的准确性;随着车轮镟后里程的增加,相同轮对横移下的等效锥度不断增大,构架蛇行波长不断减小,蛇行频率也随之增高;车轮镟修后20.6万公里,轮对横移1 mm时蛇行频率最大接近8 Hz。     

基于能量法的轮对蛇行运动稳定性

为了分析轮对蛇行运动的形成机理与能量传递机制, 基于车辆系统动力学理论推导了轮对蛇行运动的能量表达式; 借助轮对运动参数的相位关系和能量表达式, 确定了轮对蛇行运动过程中各部分所做的功及其对应的能量传递路线; 通过数值仿真计算不同参数条件下的输入能量, 对比了踏面等效锥度、轮对质量、一系悬挂刚度与重力刚度等参数对轮对稳定性的影响规律。研究结果表明: 蠕滑力和锥形踏面的协同作用是轮对产生蛇行运动的根本原因, 蠕滑力中的刚度项通过调节纵、横向蠕滑率向轮对系统横向运动输入能量, 蠕滑力中的阻尼项耗散轮对系统的能量; 当输入能量大于耗散能量时, 轮对蛇行运动发散, 当输入能量小于耗散能量时, 蛇行运动收敛, 当输入能量等于耗散能量时, 轮对做等幅周期运动; 增大轮对质量和车轮踏面等效锥度不利于轮对的稳定性, 增大一系悬挂纵、横向刚度对轮对稳定性有利; 踏面等效锥度对轮对稳定性的影响最大, 当锥度由0.15增大到0.20时, 输入能量增大了约9.5倍; 一系悬挂刚度的影响次之, 刚度由75kN·m^-1增大到100kN·m^-1时, 输入能量减小了约60%;轮对质量影响最小, 轮对质量由1 000kg增大到2 100kg时, 输入能量增长了约1.1倍; 在锥形踏面下, 重力刚度对轮对稳定性的影响可以忽略。     

钢弹簧故障状态的车辆动力学性能

考虑了车辆导向轮对一侧轴箱钢簧出现失效的四种工况: 钢簧内外圈均断裂、外圈断裂、内圈断裂和钢簧“冻死”, 建立了钢簧失效工况下的车辆系统动力学模型, 分析了钢簧失效对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明: 钢簧失效后, 轮对的平衡位置偏离轨道中心线, 全断裂工况下偏离最大, 约为3mm; 车辆的临界速度降低, 全断裂工况下降低最大, 约为30km·h^-1;失效弹簧所在轮对的轮载差变化较大, 全断裂工况下轮载差最大, 约为50kN; 转向架断裂弹簧处及其斜对角轴箱悬挂垂向力将减小, 另一对角处的轴箱悬挂垂向力将增大, 从而使转向架承受较大的扭曲载荷; 钢簧失效很容易使脱轨系数和轮重减载率等安全性指标超过限定值, 增加了车辆运行安全的隐患, 在直线上200~300km·h^-1速度范围内和曲线(半径为7 000m)上100~300km·h^-1速度范围内, 全断裂工况下的减载率都超过0.8;钢簧失效对车辆横向平稳性影响不大, 但钢簧“冻死”会使垂向平稳性变差, 相对于正常工况, 在300km·h^-1时增加约0.1。     

铁路重载货车轮对弹性振动及其动态影响

为研究轮对弹性振动特性及其对重载货车动力学性能的影响，以30 t轴重重载货车为研究对象，对轮对刚、柔建模时的整车运动稳定性、曲线通过性能等进行了对比研究. 首先，给出了多体动力学中弹性体的数学建模方法；其次，建立轮对柔性体有限元模型，分析了轮对的弹性振动模态，进一步将其集成于多刚体系统中，形成重载货车刚柔耦合动力学分析模型；最后，针对货车多刚体和刚柔耦合两类建模方法，以干线不平顺叠加短波不平顺作为系统激励源，对比分析了重载货车的轮对振动响应、蛇行运动稳定性以及动态曲线通过性能的差异. 研究结果表明:相对刚性轮对而言，柔性轮对的变形能够缓和轮轨刚性冲击，同时弱化轮轨间的刚性约束能力，导致其振动幅度降低，使得车辆非线性临界速度下降约9%，通过小半径曲线时，轮轨横向力也降低了约13.7%，轮对弹性振动对重载货车动态性能的影响同样不容忽视.      

基于仿真的铁路车轮不圆度安全限值研究

为了研究高速列车车轮踏面不圆度的安全限值,基于车辆轨道垂横向耦合动力学理论,采用车辆动力学仿真分析软件ADAMS/Rail,建立了考虑车轮非圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型。分析计算高速运行状态下常见车轮踏面不圆顺问题所导致的车辆轨道系统轮轨冲击振动特征,及其随列车运行速度的变化规律,给出了车速200～350 km/h 时轮轨作用力响应峰值与车轮不圆度之间的关系,确定了高速行车条件下车轮不圆度的临界范围。该研究可为基于轮轨作用力监测的车轮不圆顺状态识别提供理论指导。     

小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法

为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形,对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导;以钢轨廓形几何参数作为设计变量,以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数,考虑钢轨打磨约束条件,提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型;基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序,并选择合理的计算参数求解了优化模型;根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性,并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明：提出的优化方法具有较快的计算速度,优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形;非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度,将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm,且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性,有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差,降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率,提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能;虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力,但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见,该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。