重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

水介质条件下轮轨黏着特性试验研究

在JD—1轮轨模拟试验机上进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明:在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的黏着系数较干态时的黏着系数降低了50%~60%;在水介质条件下,不论是最大黏着值还是稳定黏着值(机车实际运行黏着区),受车轮速度影响较大,黏着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对黏着系数的影响较小;黏着系数在达到最大值(饱和值)之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大黏着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。     

基于全尺寸试验台的水介质条件下高速轮轨黏着特性试验研究

基于全尺寸高速轮轨关系试验台,模拟轮轨接触界面在水介质条件下的轮轨黏着特性,研究喷水量、轮轨接触表面粗糙度、喷水温度、轴重和运行速度对水介质条件下高速轮轨黏着系数的影响规律。结果表明:水介质条件下,喷水量、轮轨接触表面粗糙度、运行速度对轮轨黏着系数影响较大,喷水温度和轴重对其影响较小;随喷水量的增加轮轨黏着系数逐渐减小,但当喷水量达到200mL·min-1后黏着系数不再减小;随着表面粗糙度的增加,运行速度对轮轨黏着系数的影响逐渐减弱,表面粗糙度增至1.0～1.1μm时运行速度对轮轨黏着系数的影响很小;在40～200km·h-1速度范围内,轮轨黏着系数随速度的增加减小得较快,而在200～400km·h-1速度范围内减小得较为缓慢;轮轨黏着系数随喷水温度的升高而增大,喷水温度为0℃(下雪)时的轮轨黏着系数较常温时下降11%～15%;轮轨黏着系数随轴重的增加而减小,在动车组常用轴重10～16t范围内轴重对轮轨黏着系数的影响只有10%左右。     

油介质条件下轮轨黏着特性的试验研究

利用JD—1轮轨模拟试验机研究轮轨受污油、污油水混合物和污油水砂子混合物3种油介质污染工况下,不同轴重和车轮速度对轮轨黏着系数的影响。结果表明:当车速为90km·h-1时,污油和污油水混合物工况时的轮轨蠕滑特性相差不大(加水之后黏着系数减小);污油和污油水混合物工况下21和23t轴重时轮轨黏着系数相差较小,而25t轴重时的黏着系数明显比21和23t轴重时的大,但轮轨表面均未出现严重的磨损;在污油水砂子混合物工况下,轮轨黏着系数显著提高,但同时大大加重了轮轨表面伤损;当轮轨受到污油和污油水污染时,轮轨黏着系数均随着车速的提高而减小。     

时速400km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着系数试验研究

在试验条件基本相同的情况下,全尺寸高速轮轨关系试验台与线路实车在160～300 km·h~(-1)速度范围内轮轨牵引黏着系数试验结果有较好的一致性。利用全尺寸高速轮轨关系试验台,测试时速400 km速度级内水介质条件下车轮表面在低、中、高粗糙度水平时牵引黏着系数随速度的变化规律,并将车轮在中等粗糙度水平时的试验结果与日本新干线的试验结果进行比较,提出我国高速轮轨间水介质条件下牵引黏着系数与速度的关系表达式。结果表明:在水介质条件下,轮轨接触表面状态相同时,牵引黏着系数随速度的增加而减小,速度较低时(40～200 km·h~(-1))随速度的增加减小得较快,而速度较高时(200～440 km·h~(-1))随速度的增加减小得较慢;40～440 km·h~(-1)速度范围内各个速度级下,车轮高粗糙度水平(R_a为0.7～0.8μm)时牵引黏着系数较中等粗糙度水平(R_a为0.4～0.6μm)时增加0.036左右。     

铁道轮轨黏着系数

铁道轮轨黏着限制对铁道列车安全运行至关重要,尤其现代高速列车速度已达350—360 km/h,并有向400 km/h甚或以上推进的趋势,所以高速轮轨黏着条件能否支持高速牵引力与制动力就是一个现实课题。时至今日,尚无法用理论方法推算轮轨黏着系数公式格式和数值范围,只能用纯经验方法处理。本文推荐常规列车中不同型式机车(牵引)计算黏着系数的实用公式,并提供3种核算利用黏着系数的方法,基于核算、分析与讨论若干类别的高速列车利用的黏着系数范围与少数既有的高速黏着系数公式之间的位置与关系,最终推荐中国湿轨黏着系数的实用公式(μ_j=0.04+13.7/120+v),作为高速列车(牵引与制动)统一的计算黏着系数公式以及常规列车的(制动)计算黏着系数公式。     

列车传动最优黏着控制策略研究

在列车的行驶过程中,轮轨间的黏着控制尤其重要,最大化利用黏着力可提高列车的牵引/制动性能。文中提出的列车传动最优黏着控制策略通过全维状态观测器准确地估计出当前利用的黏着系数;利用可变遗忘因子的递归最小二乘法有效地计算出黏着-蠕滑特性曲线斜率;采用最速梯度法迅速搜索最佳蠕滑速度给定值。同时为了实现最优黏着控制,设计了蠕滑速度控制环来获得牵引电机转矩指令补偿量。最后通过仿真,证明了该控制策略的正确性和有效性。     

基于单轮对试验台的高速制动防滑试验研究

利用高速轮轨关系试验台,接入制动气路设备,建立试验台与制动防滑器间的信号和指令传递,进行高速制动防滑试验。首先,采用电惯量模拟的方式,实现制动条件下试验台轨道轮的运动惯量与实车试验车辆轴重的运动惯量一致,通过控制轨道轮的圆周速度,使试验台试验车速与实车试验车速保持一致,并将其作为防滑控制系统的参考速度;然后,依据试验台制动防滑试验流程,通过干燥条件下的纯空气紧急制动试验结果对试验方法的可靠性进行验证;在此基础上,试验某动车组制动防滑器在200和300 km·h^-1制动初速度及在喷水和喷防冻液条件下的制动防滑特性。结果表明:干燥条件下的纯空气紧急制动试验,实际减速度与目标减速度基本吻合,试验台试验的制动距离较实车试验的相对误差满足标准要求,试验方法可靠;喷水条件下,制动初速度为200 km·h^-1时初始滑行阶段的制动率更高,而喷防冻液条件下,制动初速度为300 km·h^-1时初始滑行阶段的制动率更高;喷防冻液条件下的轮轨黏着利用比喷水条件下更充分,制动率更高,制动距离更短。     

轮轨油污染黏着特性的三维数值分析

在油污染工况下,建立一个考虑轮轨表面粗糙度的三维轮轨黏着特性数值分析模型.应用Patir和Cheng提出的平均流量模型,以多重网格法和多重网格积分法作为数值计算的工具,得到轮轨间存在油介质时的液体、固体粗糙峰接触压力以及膜厚的分布规律,并研究列车速度以及轮轨表面粗糙度对轮轨间黏着特性的影响.研究结果表明:随着列车速度增加,轮轨间的黏着系数逐渐下降;随着轮轨表面粗糙度的增大,轮轨间的黏着系数逐渐增大.此外,从数值角度分析速度增大引起黏着系数下降和粗糙度增大所引起黏着系数上升的机理.     

实测轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响分析

由于铁路系统的开放性，轮轨界面难以避免遭受第三介质(如水、油、雪等)的侵袭，轮轨蠕滑特性将因此改变。为研究轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响，首先，基于最小二乘法原理获得适用于Polach接触模型的参数，以模拟水介质条件下40～400 km/h行车速度范围内的实测轮轨蠕滑曲线；随后，采用SIMPACK多体动力学仿真软件建立车辆-轨道动力学模型，利用FASTSIM算法和Polach模型分别模拟理想条件与实测轮轨蠕滑曲线，以300 km/h运行速度为例，详细对比这两种蠕滑曲线条件下车辆-轨道动态相互作用的差异，并进一步分析运行速度的影响。研究表明：车辆运行速度为300 km/h时，实测轮轨蠕滑曲线对应的轮对横移量和轮对摇头角分别为干态工况结果的1.375倍和3.2倍，进而导致纵/横向蠕滑率明显大于干态工况结果；速度所致轮轨蠕滑曲线的差异对轮轨蠕滑力、脱轨系数以及磨耗指数影响较大，速度为160 km/h时尤为显著。因此，在进行车辆-轨道耦合动力学仿真分析时，有必要考虑实测的轮轨蠕滑曲线。     

基于最优蠕滑辨识的高速列车黏着控制研究

针对高速列车黏着控制提出一种最优蠕滑辨识方法,通过仿真分析验证该方法的有效性。通过捕捉瞬态控制和稳态控制切换时的蠕滑率作为控制基准值,以模糊控制方式对控制基准值进行调节,实时辨识轨面最优蠕滑率。该方法以最优蠕滑率为控制目标达到获取最优黏着控制效果,实现了最大黏着系数利用、提升牵引力发挥稳定性的目的,为黏着控制在高速列车领域的应用提供了指导。     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

地铁列车最优黏着控制研究

潮湿、雨雪等轨面条件会导致地铁列车的黏着利用率低,从而降低列车的牵引和制动性能,进一步带来安全问题。为了使轮轨黏着力得到充分利用,建立了地铁列车的单轴牵引模型,设计全维状态观测器对黏着系数进行估计,并通过滑模变结构设计控制器来对电机转矩进行控制调整,基于MATLAB/Simulink进行模型仿真和结果分析。仿真结果表明,这种方法可以实时搜索出不同轨面条件下的最优蠕滑速度,黏着系数保持在最大值附近,提高了黏着利用率。     

基于细观尺度粗糙轮轨接触蠕滑特性数值分析

为了进一步考虑粗糙表面对轮轨蠕滑的影响,从微凸体的微米尺度跨越到米的尺度,着力于摩擦的物理学本质,建立干摩擦工况下的轮轨蠕滑力的二维动态计算模型。通过微凸体接触与断开来模拟轮轨接触的滚滑运动,讨论不同速度、蠕滑率、轮轨表面粗糙度参数等因素对轮轨黏着系数的影响,对每个因素造成的轮轨牵引系数的变化进行数值分析。在中低速情况下,通过对线路测量数据和实验室JD对滚机数据与模型计算结果的对比,验证了模型的有效性。结果表明随着速度的增大,黏着系数随之下降;适当增加轮轨表面粗糙度能提高轮轨间的黏着系数;同时以非人为划分的方式重现接触斑内牵引系数变化的过程,从黏着区到滑动区的过渡过程。     

CR400AF型高速列车车轮擦伤引起的轮轨冲击台架试验研究

由于轮轨滚动接触的复杂性,在有限的建模精度下用数值仿真很难指导实际运营,且现场试验成本太高。为解决这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,采用CR400AF型高速列车真实车轮和一系悬挂,在车轮踏面滚动圆处预制不同长度、宽度和深度的擦伤,进行不同车轮擦伤下0～400 km·h^-1速度范围内的轮轨冲击试验,分析车轮擦伤长度、运行速度对轮轨垂向力和轴箱振动加速度的影响规律。结果表明：轮轨垂向力最大值随车轮擦伤长度的增加而增加,在0～35 km·h^-1速度范围内随速度的增加逐渐增加,并在约35 km·h^-1速度时达到最大,然后随速度的增加逐渐减小;在车轮擦伤冲击下,轴箱振动加速度最大值的变化规律与轮轨垂向力最大值基本一致;从车轮擦伤安全限界分布发现,危险区为舌状分布,车轮擦伤后速度要尽可能避开 25～70 km·h^-1速度区间,擦伤长度大于60 mm时不建议上线运行。     

基于虚拟样机的机车黏着控制研究

为了抑制轮对空转并最大限度利用轮轨黏着能力,需要开发基于虚拟样机和现代控制理论的机车黏着控制技术.建立了大功率机车牵引列车及电气牵引传动系统的机电一体化动力学模型,考虑到了大蠕滑率时轮轨黏着负斜率特性、电机磁饱和及转矩机械特性,对机车驱动过程进行仿真研究.提出通过检测同一转向架内不同轴之间的最大角速度差和角加速度差,实时计算轮轨黏着度,并采用模糊控制策略的黏着控制方法.仿真结果表明:在不同轨面及运行工况下,黏着控制使得轮轨有效黏着系数保持在黏着峰值,提高了机车的牵引性能;轮对的蛇行运动使得黏着控制中产生波动现象,波动频率与蛇行运动频率一致;针对不同结构参数机车和运行工况,黏着控制参数需要优化以达到最大的轮轨黏着利用率.     

列车制动盘温度演变规律试验研究

基于TM-I型缩比惯性试验机，结合红外热像仪，在制动压力0.35～0.80 MPa、制动初速度60～160 km·h^-1条件下，以蠕墨铸铁制动盘为参考系，试验研究铝基制动盘的温度演变规律。结果表明：在制动压力0.80 MPa条件下，制动初速度由100 km·h^-1增至160 km·h^-1时，铝基制动盘峰值温度场由均匀分布转变为多条分离的带状分布，而铸铁制动盘均有宽度约为10 mm的高温带出现；2种制动盘峰值温度均随制动压力和制动初速度的升高而升高，但在制动过程中铝基制动盘的瞬时峰值温度呈“稳步上升”型，在制动后期下降不明显，而铸铁制动盘则为先快速升高，再“锯齿形”爬升，最后有所下降；制动压力为0.65 MPa时，制动初速度由80 km·h^-1增至160 km·h^-1时，铝基制动盘径向最大温差由31℃增至56℃，最大温度梯度由1～2℃·mm^-1增至3～4℃·mm^-1，而铸铁制动盘最大温差则由139℃增至233℃，最大温度梯度由7～8℃·...     

33t轴重内燃机车方案及机车曲线黏着问题研究

针对我国30 t轴重重载技术体系中还没有30～33 t轴重内燃机车的现状,基于25 t轴重HXN3机车技术平台,提出33 t轴重内燃机车分别采用三轴传统转向架和三轴径向转向架2种基本方案。建立机车发挥牵引力时的动力学模型,通过理论分析和数值仿真研究机车曲线通过时导向轮对车轮横向蠕滑率的特点及其对纵向黏着力的影响,并基于总蠕滑率的考虑给出曲线黏着计算公式。针对大半径、小半径两类曲线,对比研究径向转向架和传统转向架通过曲线时导向轮对左右侧车轮黏着系数和蠕滑率的特点,揭示采用径向转向架对改善曲线黏着的优势。研究结果可为今后我国研制大轴重、高黏着内燃机车转向架提供参考。     

变摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,在轮轨间使用与滑动速度相关的变摩擦系数定义切向接触属性,改变轮对角速度定义轮轨接触不同工况。在轮轨蠕滑工况下,通过对比取常系数摩擦系数和变摩擦系数的计算结果发现:变摩擦系数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响较小;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和蠕滑力影响较大,特别是对最大纵向切应力和蠕滑力影响幅度近20%;对轮轨滚动接触蠕滑力矢量分布的影响也应值得注意。不同工况时轮轨蠕滑率不同,变摩擦系数条件下的轮轨蠕滑力和剪切应力随蠕滑率增大而增大,当轮轨间出现完全滑动时,轮轨蠕滑力达到极限。     

基于动态面方法的高速列车蠕滑速度跟踪控制

针对高速列车的主动黏着防滑控制问题,提出基于障碍Lyapunov函数的蠕滑速度动态面跟踪控制算法,可以实现对蠕滑速度的上界约束,同时保障黏着控制系统的稳定性。首先建立考虑牵引与制动转矩产生过程的高速列车动力学模型,并将黏着控制问题描述为含输出约束的非线性系统的跟踪控制问题;然后引入障碍Lyapunov函数处理输出约束问题,设计了自适应动态面控制律,未知参数由自适应律估计得到,未知时变的黏着力和运行阻力由两个力观测器来估算;最后通过Lyapunov方法证明了蠕滑速度跟踪误差半全局一致最终有界,蠕滑速度始终保持在稳定区域内。仿真结果证明了该方法的有效性。