基于钢轨模态振动的车轮高阶多边形研究

基于线路动力学试验数据,分析了具有高阶规则车轮多边形磨耗车辆转向架各部件振动水平及振动传递关系,给出车轮多边形磨耗引起转向架异常振动典型的频率特征和多边形振动对相邻车轮的影响。基于铁木辛柯梁理论及传递矩阵法,推导转向架对钢轨作用时两轮对范围内钢轨模态振动方程,分析了钢轨模态振动特性,讨论了边界条件与温度对钢轨模态振动的影响。分析了引起车轮多边形化的振动频率的来源,利用哈大线、武广线的枕跨距离计算得到钢轨第三阶垂向弯曲主频分别与各自车轮多边形振动频率重合,为车轮多边形机理分析提供支撑。     

基于柔性轮轨模型的车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动影响的仿真研究

采用ANSYS有限元软件结合SIMPACK动力学软件建立基于Timoshenko梁的柔性轨和柔性轮模型的车辆—轨道耦合动力学模型,以典型的高阶车轮谐波磨耗(阶次为18~21阶,幅值为0.01~0.04mm)激扰作为系统的输入激励,对比分析在柔性轮柔性轨模型与刚性轮轨、柔性轮刚性轨和柔性轨刚性轮模型下高阶车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动响应的影响。结果表明:当车轮谐波磨耗激扰激发轮对固有模态引起共振时,基于柔性体模型计算出的振动响应幅值大于基于刚性体模型计算的结果,而当激扰频率远离共振模态频率时,基于刚性体模型计算的振动幅值大于基于柔性体模型计算的结果;总体上,轮轨垂向力、钢轨及轴箱振动加速度随着车轮谐波磨耗幅值、阶次及列车运行速度的增大而增大;在车辆速度300km·h-1、车轮多边形阶次为20时,车轮多边形幅值0.04mm激起的钢轨及轴箱振动加速度峰值约为幅值0.01mm下的2.5倍;当车轮多边形幅值固定、阶次由18阶增至21阶时,激起的钢轨振动加速度仅增大约1.6倍、轴箱振动加速度级增大约5.7dB,相较于多边形幅值而言,多边形阶次对轮轨系统振动响应的影响较小。     

高速列车车轮多边形试验研究

针对车轮多边形磨耗对高速列车车辆振动的影响,进行实车跟踪、试验室模态测试,测试表明,转向架系统在580Hz左右存在显著的振动峰值,与转向架系统模态频率吻合;车轮多边形是轮轨耦合振动条件下的等频率分割造成的,它的形成与轮轨系统耦合振动息息相关,是轮轨关系恶化后的产物。     

轮轨异常磨耗对车辆动力学的影响及限值研究

轮轨异常磨耗对列车的平稳和安全运行造成极大的影响。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立刚柔耦合动力学模型。分别以谐波函数、余弦函数形式将车轮多边形、钢轨波磨进行表达,仿真研究了列车车轮踏面存在车轮多边形,轨道表面出现钢轨波磨两者都具备的轮轨异常磨耗对车辆动力学响应,提出了关于车轮多边形的安全限值,为列车、钢轨运营维护提供了技术支持。     

跨线运行动车组异常振动问题研究

针对跨线运行动车组出现的车辆异常振动问题,通过实测车轮踏面外形、钢轨廓形,以及车辆振动测试,从轮轨接触关系及振动传递特性分析异常振动原因。因线路钢轨廓形不同,导致长期在不同线路运行的动车组车轮踏面最大磨耗位置存在差异,使得车辆在磨耗后期对线路适应性下降。当车辆跨线运行时,由于钢轨廓形变化导致轮轨匹配不良,转向架蛇行运动能量增大。此能量通过二系悬挂传递至车体,引起车体异常抖动。     

柔性轮对及车轮多边形对高速铁路轮轨系统动力响应的影响

基于刚柔耦合动力学理论建立柔性轮对车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，结合现场实测轴箱加速度验证了模型的可靠性。采用谐波叠加法模拟车轮多边形，对比了有无车轮多边形对轮对振动加速度的影响。在此基础上，分析了车轮多边形参数（如多边形阶次、幅值变化）对轮轨系统振动的影响。结果表明，车轮多边形将导致柔性轮对垂向加速度显著增大；与刚性轮对模型相比，柔性轮对及转向架的垂向加速度显著增大，此时多边形激振频率（674 Hz）成为影响其垂向振动的主要因素；轮对垂向加速度随多边形阶次的增加先增大再减小，当车轮多边形阶次为20阶时，轮对垂向加速度达到最大值；钢轨垂向加速度随多边形阶次的增加而增大；轮对垂向加速度、钢轨垂向加速度随多边形幅值的增大而增大。     

车轮多边形磨耗机理的有限元研究

在车辆稳态通过小半径曲线和直线的条件下,建立由轮对一钢轨一轨枕弹簧组成的系统有限元弹性振动模型.在模型中,假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦系数的乘积.钢轨和车轮在饱和蠕滑力作用下产生动力学耦合,当耦合关系比较强时,轮轨系统会出现弹性黏一滑振动.应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,发现在一些条件下轮轨系统存在严重的频率不大于150Hz的黏一滑弹性振动.振动模态显示,在轮轨发生黏一滑振动时,车轮相对钢轨发生横向滑动,而轮轨系统的低频黏一滑振动是引起车轮多边形磨耗的原因之一.应用本文方法可预测在小半径曲线和直线线路运行的车轮的多边形磨耗.计算结果发现,当正确选择轨枕支撑弹簧刚度或当控制轮轨摩擦系数不大于0.27时,可抑制甚至消除车轮多边形磨耗.     

车轮多边形激励下高速转向架构架振动特性分析

车轮多边形通过轮轨接触产生高频激励,会加剧高速转向架的振动、恶化结构部件振动环境,显著影响高速车辆的动力学性能和疲劳寿命。建立了考虑柔性轮对与构架的高速车辆刚柔耦合动力学模型,并开展台架试验验证,通过仿真探究前后轮对多边形相位差、多边形激扰频率与波深对构架振动特性的影响。结果表明：双轮对车轮多边形激励下的构架振动响应大于单轮对激励,但在激励引起构架结构模态共振时二者之间的差距会减小;前后轮对多边形的相位差会引起构架振动的相位差,但对振幅大小无明显影响;在同一激扰频率下,多边形波深越大,构架的振动越大。本研究可为多边形产生和传播机理及抑制措施提供参考。     

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30～100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1 000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。     

车轮踏面凹形磨耗对动车组车辆运行性能的影响

基于武广线上运行的某高速动车组车轮的磨耗状态的跟踪测试,发现车轮踏面以凹形磨耗为主。对不同运行阶段实测车轮踏面磨耗状态进行分析,研究磨耗车轮与钢轨接触时的接触几何参数。根据线路上实际运行动车组性能参数,运用SIMPACK软件包完成车辆系统动力学模型,对比分析S1002CN车轮与实测踏面车辆的运行稳定性、平稳性及安全性指标,研究车轮踏面凹形磨耗对列车动力学性能的影响。研究结果表明:车轮踏面凹形磨耗将导致转向架及轮对横向加速度急剧增大,车辆稳定性、平稳性将有所降低,凹形磨耗是引起转向架横向报警的直接原因。     

动车组车轮多边形磨耗形成与发展过程仿真研究

针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,基于车辆-轨道耦合动力学模型、轮轨接触模型、Archard磨耗模型和循环迭代模型,建立车轮多边形磨耗长期磨损迭代模型;模拟我国某型高速动车组20阶车轮多边形的发展过程,结果与实际情况吻合,证实模型的准确性.基于长期磨损迭代模型,研究车辆运行速度、轮轨模态振动特性和轨道参数对车轮多...     

北京地铁14号线车辆振动和噪声异常原因分析及改善措施

针对北京地铁14号线东段出现的车辆振动和噪声异常现象问题,通过对车轮和钢轨的磨耗状态以及车辆和轨道振动特性的测试分析,得知车轮多边形和钢轨波磨是导致车辆振动和噪声异常的主要原因,提出消除或降低车轮多边形和钢轨波磨是改善车辆振动和噪声异常的有效措施,并给出了具体化建议。     

等效锥度对120km/h地铁车辆横向稳定性影响研究

基于目前120 km/h B型地铁车辆在实际运营中出现车轮等效锥度较大的情况,借助Simpack动力学仿真软件,建立车辆多体动力学模型,还原了目前车辆在实际运营中车轮磨耗后出现的异常振动。仿真发现,车辆在车轮等效锥度为0.5时,车体存在因转向架蛇行造成的5.5 Hz振动频率和因车体上心滚摆模态被轨道不平顺激发造成的2.5 Hz振动频率,因此造成车体横向平稳性指标过大。通过对悬挂参数分析发现,适当增大一系横向定位刚度可有效降低车轮等效锥度较大时的车辆横向平稳性指标。     

转向架非主体结构件模态频率规划与设计验证

针对转向架非主体结构件进行模态频率规划及试验、仿真的方法以解决共振疲劳问题。首先梳理了车轮多边形、钢轨波磨、轨枕通过、P2共振等轮轨激振频率作为频率优化的边界条件并与IEC 61373中的试验频率范围进行了差异对比，给出了构架上设备大于100 Hz和轮对上设备大于250 Hz的模态频率一般建议，并建议基于线路主激振频率按1.414或1.19作为频率间隔参考系数进行模态频率优化。另外对比了某转向架天线梁实测振动量级高于IEC 61373的功能振动试验，说明了车轮多边形对振动量级的影响很大，建议优先采用实测振动量级进行试验并给出了试验方法，并针对缺少实测数据的情况给出了一种基于IEC 61373标准放大的试验量级。最后给出了采用Workbench进行仿真计算的方法，结合转向架管夹座优化示例，通过模态频率计算、随机振动仿真对比分析了结构优化方案的选择，从而实现提高结构寿命的目标。     

轮轨非均匀磨耗对地铁车辆振动的影响研究

对存在明显钢轨波磨和车轮多边形线路的地铁车辆振动行为进行了试验研究。结果表明,钢轨波磨处的振动加速度主频通常为一个固定频率;由车轮多边形引起的振动加速度的主频为车轮多边形的通过频率;在车辆加速或减速段轴箱振动加速度的主频随车速呈线性变化;由车轮多边形引起的振动明显高于钢轨波磨引起的振动。     

基于蠕滑机理的重载货车车轮磨耗研究

在多体动力学分析软件包SIMPACK中建立重载货车动力学模型,基于轮轨蠕滑机理在MATLAB软件中编制车轮踏面磨耗仿真程序WWS.根据车轮磨耗仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正.研究车辆非理想状态对车轮磨耗的影响,分析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性.通过钢轨表面滚动接触疲劳损伤特征的研究,对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合关系进行数值模拟.主要研究内容和结论如下.     

高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治

针对某高速铁路动车组车体抖动问题,采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形,研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响,研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。同时,采用实际线路及动车组车辆参数,基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。研究结果表明:该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内,体现为垂向和横向的综合异常振动;随车轮踏面磨耗增加,实测车体振动加速度逐渐增大,轮轨接触关系逐渐恶化,与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显;钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大,有效改善轮轨接触关系。车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度,有效整治高速铁路动车组车体抖动。     

高速动车组列车异常振动问题研究

研究某高速动车组列车异常颤动的实际问题。从试验、研发设计的角度出发,测试车轮踏面磨耗、多边形,悬挂系统振动传递,分析车下设备振动情况,车体和设备、座椅之间的模态匹配等对车辆振动性能的影响,全面阐述了车辆异常振动的分析解决方法、思路。通过试验测试数据寻找车辆异常振动的根本原因,通过分析多工况下车体的模态振动以及车体与车下吊挂设备、座椅的耦合模态振动,探讨修改座椅减振器参数对车辆消除颤振的作用。研究结果为指导车辆结构优化和运用维护提供理论依据。     

基于车辆动态响应的车轮多边形自动识别方法

当列车高速运行时,车轮多边形会导致高频轮轨冲击,对车轴、车轮、钢轨等轨道-车辆系统零部件疲劳寿命产生极为不利的影响。本文基于车辆动态响应,利用广义共振解调方法实现了车轮多边形磨耗诊断。首先利用同步压缩短时傅里叶变换得到信号的高分辨率时频谱,然后从时频谱上自动提取时间-能量信息,用于冲击引起的高频振动和低频信号分离;通过Lp范数准则确定带通滤波范围之后,利用广义Hilbert包络解调方法对带通车辆动态响应信号进行解调,提取其中隐含的车轮多边形磨耗信息。分析结果表明,该方法可以有效地诊断车轮多边形磨耗。     

高速动车组车轮多边形影响因素及抑制措施研究

在总结国内外车轮多边形研究的基础上,调查了高速动车组车轮多边形情况,并对测试车轮的多边形数据进行统计分析,从车轮多边形与运行速度、运行线路条件、车辆结构等角度进行系统研究,查找容易产生车轮多边形的影响因素。研究车轮多边形对车辆振动的影响,选择存在车轮多边形车组进行镟修前后的对比测试发现,当车轮存在多边形时前后轮对容易形成拍振,造成轴箱振动加剧;研究降低车轮多边形对乘坐舒适性、转向架可靠性造成的影响,对比不同多边形幅值与车辆振动的对应关系;从抑制多边形角度进行了镟修工艺优化,通过控制驱动轮径跳、增加顶镐装置、实施双刀镟修等手段消除运营过程中出现的多边形;研究调整车轮材料、车轮实施滚压等方式,增加车轮强度,降低车轮磨耗,延缓多边形发展;研制了踏面研磨装置,在运营过程中施加以消除多边形,并改善踏面凹形磨耗;针对车轮多边形的成因较多无法彻底消除车轮非圆化的现状,可利用轨道检测装置检测车辆车轮状态,在车轮多边形影响车辆振动之前及时进行维护。