新型独立车轮动车组导向机理的研究

由于简单的独立车轮结构不具备复位和导向功能，绝大多数独立车轮转向架模型没有投入实际工程使用，究其原因是对独立车轮导向机理认识不够，缺乏解决复位功能的有效办法，Talgo列车是成功应用独立车轮的唯一范例，本文以Talgo列车为原型，进行独立车轮转向架的导向机理研究，分析解决独立车轮复位和导向能力的措施，以独立车轮转向架的实际设计和应用提供理论基础，首先分析铁道车辆传统刚性连接轮对蛇行运动的产生机理，进而研究独立车轮轮对的复位和导向原理，参照Talgo列车的独立轮对导向结构，建立了新型独立轮对动车组的多体动力学数值计算模型，应用作者者研制的车辆多体系动力学程序，进而横向稳定性和稳定曲线通过性能的计算分析，结果表明该模型具有很好的稳定性和曲线通过能力，研究表明，为了使独立车轮具有复位和导向能力，关键措施有两点：一是采用合理的导向机构和相关参数以实现独立轮对的异向功能，二是采用大锥度轮对踏面以保证轮对的横移复位。     

轮径差对车辆动态曲线通过的影响

主要分析了轮径差对动态曲线通过的影响,并利用相关的动力学软件对其进行了仿真计算分析,理论推断出了不同种类的轮径差对动态曲线通过的影响规律。轮径差包括等值同相轮径差、等值反相轮径差、前轮对轮径差和后轮对轮径差。仿真结果表明:等值同相轮径差会影响铁道车辆的动态曲线通过性,轮径差越大影响越明显;等值反相轮径差和前轮对轮径差则是随着轮径差的增大反而有利于铁道车辆的动态曲线通过性;而后轮对轮径差对动态曲线通过的影响不明显,仿真出来的横向力和脱轨系数曲线的规律基本是一致的。     

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。     

高速车辆拖动式独立车轮轮对的研究

独立车轮转向架在高速车辆中有良好的发展前景，但由于缺乏直线复位和曲线转向能力，长期没有得到普及和推广。本文通过理论分析和动力学计算表明，采取适当措施使独立车轮轮对以施动的形式前进，可以解决独立车轮的导向问题。拖动式独立车轮轮对在直线上复位可靠，在曲线上借助径向调节装置能够近似地处于轨道的径向位置，与传统轮对比较，春横向动力学性能大为改善。     

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.     

弹性阻尼耦合轮对动力学特性分析

耦合轮对左右车轮间是通过耦合度可变的耦合器连接的,既不完全固结,也不可相对独立旋转,因此其动力学性能也有别于二者。现建立弹性阻尼耦合轮对(EDCW)车辆的动力学模型,系统地分析了其直线稳定性和曲线通过性能。研究发现,选择适当的耦合度时,全部轮对均为EDCW的车辆系统动力学性能居于传统轮对和独立旋转车轮车辆系统之间。在直线上的临界速度小于独立旋转车轮而大于传统轮对,在曲线上的导向性能劣于传统轮对而优于独立旋转车轮,其直线上临界速度的提高是以曲线上导向能力的下降为前提的。研制一种具有主动控制性能的耦合器,使其在高速时具有小耦合度,在低速和通过曲线时具有大耦合度,可以很好地满足当今铁路发展的需求。     

钢轨轨底坡对重载铁路轮轨关系影响的研究

为研究我国重载铁路钢轨轨底坡对轮轨关系的影响,计算分析不同轨底坡条件下,重型钢轨75kg/m(CHN75)与LM车轮踏面匹配时的静态轮轨接触参数.采用多体动力学软件SIMPACK建立我国重载货车模型,采用数值积分方法仿真计算两种轨底坡工况下车辆的曲线通过性能.分析结果表明,对于75 kg/m(CHN75)-LM接触副,与1/40轨底坡相比,采用1/20轨底坡时接触点的分布更为均匀、合理.当轨底坡由1/40增为1/20后,相同轮对横移量下的轮径差和接触角差均有所增大,改善了轮对重力刚度,提高了车辆的曲线通过能力;并使轮轨接触斑面积增大,降低了滚动接触疲劳发生的几率.为我国重载铁路轨底坡的取值提供参考.     

轮径差对车辆非线性临界速度的影响

运用多体动力学软件SIMPACK研究了轮对存在等值同相轮径差和等值反相轮径差条件下车辆的非线性临界速度,并和轮对无轮径差对应的结果进行了对比。计算结果表明:不同轮径差状态下,车辆的非线性临界速度变化不同,但临界速度的变化趋势相同。对等值反相轮径差条件下轮对的运动规律进行了仿真分析,结果表明,前后轮对单独出现轮径差的条件下,虽然轮径差相同,但轮对的运动规律并不是简单的反相对称关系,而是与轮径差所在的轮对位置密切相关。     

车轮耦合方式发展及其导向机理

详细分析了传统轮对、独立旋转车轮及耦合轮对等3种不同模式轮轨系统的导向机理,认为传统轮对虽然存在蛇行运动,但其自身却具有直线上的自动对中能力和曲线上的自动导向能力．应用也较广;独立旋转车轮虽然不存在蛇行运动．但在直线上的自动复原能力不如传统轮对．近年来在城市轨道车辆上被广泛采用;耦合轮对兼具前二者的优点．但其工程化尚有难度,相信不久的将来会成功地应用于铁道车辆中。     

磁流体耦合轮对转向架曲线通过性能的研究

建立了磁流体耦合对转向架车辆的动力学计算模型，利用数值模拟方法对比较恶劣的小半径曲线通过工况进行了动态仿真计算，找出了磁流体耦合轮对转向前后轮对的耦合度对曲线通过性通能的影响规律。通过对传统固定轮对转向架、独立车轮转向架、磁流体耦合轮对转向架曲线通过性能的比较，发现耦合轮对可以有效改善转向架的小半径曲线通过性能。     

高速车辆拖动式独立车轮轮对的研究(待续)

独立车轮转向架在高速车辆中有良好的发展前景,但由于缺乏直线复位和曲线转向能力,长期没有得到普及和推广.本文通过理论分析和动力学计算表明,采取适当措施使独立车轮轮对以拖动的形式前进,可以有效解决独立车轮的导向问题.拖动式独立车轮轮对在直线上复位可靠,在曲线上借助径向调节装置能够近似地处于轨道的径向位置,与传统轮对比较,其横向动力学性能大为改善.     

轮径差对车辆系统稳定性的影响

通过对有轮径差的转向架进行受力分析,理论推断出由于轮径差的存在而改变轮对的对中平衡位置,进而改变轮轨接触关系,影响车辆系统的稳定性。根据轮径差的大小将轮径差对车辆系统稳定性的影响划分为易稳定区、欠稳定区和亚稳定区。在易稳定区内,车辆系统的稳定性较高,而且不易发生轮对偏磨;在欠稳定区内,车辆系统的稳定性较差而且容易发生踏面偏磨;在亚稳定区内,虽然车辆系统的稳定性也比较高,但容易发生轮缘偏磨。运用数字仿真对理论推断进行验证,结果表明理论推断是正确的。为了提高车辆系统的稳定性和减轻车轮的磨耗,应尽量减小轮径差,使车辆经常运行于易稳定区。     

自转向车桥自动旅客输送系统车辆及其动力学性能

自转向车桥是一种新型的轴桥结构,当车辆通过曲线时,自转向车桥的轮胎能够沿着纯滚线的方向转动以减小轮胎的磨耗。设计了一种新型的自转向车桥APM(自动旅客输送)车辆,走行轮胎通过四连杆机构与导向框连接,导向框与车桥能够回转,使得走行轮胎在通过曲线时能够随导向框转动并趋向线路中心线的径向位置。利用Simpack软件建立了自转向车桥APM车辆的动力学模型,走行轮轮胎采用Pacejka模型,导向轮轮胎采用单边间隙力元模拟。仿真分析了自转向车桥APM车辆的曲线通过性能和运行平稳性。仿真结果表明:自转向车桥轮胎APM车辆具有良好的曲线通过性能和适宜的运行平稳性,走行轮的侧偏力随曲线半径增加而显著减小。     

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。     

基于轮对安装偏转角和轮径差的高速列车车轮磨耗研究

建立有初始安装偏转角和轮径差的轮对受力平衡方程,计算LM、LMA和S1002等3种踏面轮对处于平衡时的轮对冲角和横移量.以国产高速列车为例建立车辆动力学模型,基于FASTSIM算法和Braghin踏面磨耗模型分析初始安装偏转角和轮径差对车轮磨耗的影响.结果表明:初始安装偏转角对平衡后轮对冲角影响较大,轮径差主要影响轮对横移量;低的踏面等效锥度在制造误差存在时更容易形成大的轮对冲角和横移量;初始安装偏转角和轮径差会导致车轮出现严重的偏磨,且磨耗率随着偏转角和轮径差的增加而急剧增大;有安装偏转角和轮径差时,踏面等效锥度越大,车轮踏面磨耗率越小;运行速度对车轮磨耗的影响与初始安装偏转角和轮径差的大小有关.     

弹性车轮车辆临界速度及曲线通过性能分析

建立了弹性轮对车辆—轨道耦合系统动力学模型,对弹性轮对车辆—轨道耦合系统的临界速度及曲线通过性能进行了动力学仿真,并与刚性轮对车辆的计算结果进行了比较和分析。根据GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定及试验规范》进行评价,结果表明,弹性车轮的临界速度及曲线通过性能均满足要求。     

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。     

轮径差对车轮踏面磨耗和滚动接触疲劳的影响分析

轮径差缺陷的长期作用对车轮磨耗以及滚动接触疲劳影响十分显著.基于多体动力学理论建立车辆动力学模型,计算全局接触参数;基于FASTSIM算法建立局部轮轨接触模型,计算接触斑内的轮轨接触应力分布及滑动距离;将其输入车轮踏面磨耗预测模型,计算接触斑内的磨耗分布;将接触斑内的磨耗分布叠加至车轮踏面,计算4种典型轮径差影响下的车轮踏面磨耗分布、磨耗深度和磨耗速率,并基于磨耗结果进行显著磨耗工况下的滚动接触疲劳分析.研究结果表明:随着轮径差的增大,踏面磨耗深度和磨耗速率显著加快;不同类型的轮径差均会导致车轮踏面发生偏磨,其中等值同向轮径差最明显,单个轮对轮径差次之,等值反向轮径差最小;轮径差会导致轮对发生偏移且显著增大轮对横移量,从而使滚动接触疲劳区域扩大,这不仅会降低车轮使用寿命,还将严重影响车辆高速运行安全,应及时监测并镟修.     

铁道车辆脱轨评估的安全标准

阐述了铁道车辆脱轨评估的安全标准，在准静态车轮爬轨的情况下，现有的安全标准是有效的。最近运行在高速线上的新干线车辆负载波动大的车轮进行了观察，但是在特定条件下对动态脱轨 没有制定评估方法。在通过对动态脱轨现象进行计算机仿真研究的基础上，建议利用Ｙ／Ｑ的持续时间评估脱轨安全性，本文根据道岔运行试验得到的线路数据建议控制的转向架的静态轮重减载率及其极限值。     

耦合轮对的发展

分析了铁道车辆传统的固定轮对和独立旋转车轮在车辆动力学性能中的优势和弊端，在介绍了国外从独立旋转车轮到耦合轮对的研究过程中，还提出了另一种耦合轮对方案－－磁流体耦合轮对。分析表明，由于磁流体耦合轮对的可控性，将会使车辆动力学性能得到大幅度提高。