轮轮系统动力学研究

探讨轮轮系统动力学的建模方法和实现计算机模拟。以车辆滚动试验台模拟直线轨道和直线不平顺轨道车辆的运动为研究对象，用Ｄｅ Ｐａｔｅｒ的车辆动力学一阶理论建立轮轮系统的动力学方程式，用ＭＡＴＬＡＢ语言编制软件，将空心轴传动高速动力车轮ＧＤＭ与Ｐ６０钢轨配合，分析计算其试验台轮轮接触的动力学参数，为高速轮轨型面的优化提供依据并为车辆在滚动试验台上运动的计算机模拟提供了一种方法。     

径向转向架介绍

径向转向架在铁路曲线上运行时使轮对经常位于曲线的半径上,车轮与钢轨的冲角几乎为零,从而大大地减少轮轨之间的磨耗,消除了空载车辆车轮爬上钢轨而脱轨的可能;在直线上运行时使轮对经常沿轨道中心运行,提高了车辆蛇行运动的临界速度(即车辆的运行稳定性),同样减少了轮轨的磨耗.     

高速轮轨关系试验台仿真模型的建立及验证

针对中国铁道科学研究院的1:1高速轮轨关系试验台,利用Simpack软件建立了高速轮轨关系试验台仿真模型。为了验证仿真模型的可靠性,选取试验台的蠕滑试验及模拟轮对曲线运行试验,对仿真模型进行验证。结果表明,基于蠕滑试验的仿真模型验证,其最大值误差小于15%,基于模拟轮对曲线运行试验的仿真模型验证,轮轨垂向及横向力的变化趋势较为一致。     

轨道车辆整车滚振试验台稳态圆曲线模拟方法

在考虑车辆通过实际线路稳态圆曲线时所受的离心力作用、线路超高、轨道内外轨长度差、轨道自身圆曲线特征下,通过滚振试验台达到对实际曲线线路运行的模拟,并给出一种具体的台架试验方法。分析表明,整车线路工况与试验台工况在轮轨(轮)间接触点位移变化、轮对摇头角等接触特征,以及轮轨横向力、脱轨系数、磨耗功等轮轨力特征均具有较好的一致性,误差在5%以内。从工程角度看,本文提出的滚振试验台稳态圆曲线模拟方法是可行的,可为建立具有稳态圆曲线功能的滚振试验台提供理论依据。     

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。     

轮对弹性对铁道车辆动力学性能仿真结果的影响

研究了轮对分别为弹性体和刚性体情况下客车的直线运行性能,模型中轮轨接触为非线性。仿真结果表明,轮对弹性对车辆运行性能具有显著影响,尤其降低了临界速度。     

新型轮轨关系试验台研究

提出一种新型基于轮轨接触的轮轨作用试验台的技术方案,解决以往采用轮—轮接触试验台模拟轮轨接触关系的不准确性。对试验台关键的轨道驱动方式进行了分析,采用行星齿环滑块往复运动机构作为其传动机构。建立了运动机构的数学模型,并采用ADAMS软件完成机构的仿真分析。新型轮轨作用关系试验台可真实反映轮轨之间的接触作用,对轮轨关系的研究提供试验技术手段。     

小比例环形轮轨接触试验台可行性仿真研究

针对由轮轨接触饱和蠕滑率引起的高频振动造成钢轨损伤问题，提出了一种小比例环形轮轨接触试验台动态模拟方法。其采用环形轨道模拟轮轨持续接触运行工况，结合转向架与受电弓组成的试验车辆模拟轮轨接触振动耦合作用，通过两套牵引系统模拟轮轨接触运行中的纵向接触蠕滑、加速及制动等工况。通过计算确定了环形钢轨的最小曲线半径为7.00 m,经SIMPACK软件仿真分析获得的最大脱轨系数为0.668,符合安全运行要求。     

车辆运动稳定性试验台试验及与线路试验间误差分析

根据车辆试验台试验轮／轮接触有别于线路的轮轨接触，具体分析在车辆运动稳定性试验时，试验台试验与线路之间的差别，本文以１６０ｋｍ／ｈ准高速客车为例，进行数学建模和稳定性计算分析，并通过试验以验证建模和计算方法的正确，在此基础上，进行了车辆不同悬挂参数下试验台稳定性试验结果的误差分析。     

胶轮+导轨式有轨电车动力走行部滚振试验台设计

分析胶轮+导轨式有轨电车动力走行部的导向机理、脱轨机理,介绍电车3种类型的动力走行部导向机构。为研究导轨电车的轮轨关系,对其动力走行部的脱轨机理展开试验研究,设计动力走行部滚振试验台。试验台可以模拟电车空载和满载条件,以及直线、曲线通过工况。通过测量导向轮的横向力、垂向力和垂向位移3个参数,研究分析导轨电车导向、脱轨机理,并建立相关评价标准。试验台为导向机构的优化及电车运行安全的提升提供保障。     

轨道振动对轮轨接触压力影响的数值分析

轮轨滚动接触振动是产生轮轨噪音、波浪形磨损和滚动接触疲劳的主要原因。本文采用数值方法分析全尺寸滚振试验台和原形尺寸单轮对试验装置进行轮轨滚动接触振动对轮轨需滑力影响的试验现象，确定了影响轮轨滚动接触正压力的主要因素。分析中采用了“集中质量法”对用来模拟轮轨关系的轮／轮物理模型进行了离散，论／轮接触表面的法向变形满足Hertz接触条件。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

机车车辆轮—轮与轮—轨接触关系的比较

滚动振动试验台进行车机车车辆动力学性能测试时，由于用有限半径的轨道轮代替平直轨道，即使在所有模拟参数与实际线路完全一致的情况下，其动力学性能测试结果仍存在误差，本文从轮轨接触几何参数，重力刚度、轮轨接触斑几何何形状及蠕滑特性等多方面分析轮－轨和轮－轮工况的差异以及由此而产生对机车车辆动力学性能参数的影响，根据计算结果，可对滚动振动试验台的标定提供定量的参考。     

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：车辆通过曲线区段时，轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著；轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力，致使脱轨系数增大，尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大；通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数，同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数，提高车辆横向运行安全性；内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定，且随曲线半径增大而减小。     

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。     

城轨车辆踏面清扫器增粘试验研究

借助JD-1轮轨模拟试验机,研究了踏面清扫器研磨子在干态、水介质、油介质3种工况下对城轨车辆轮轨粘着特性的影响,分析了不同压力下研磨子对轮轨增粘的效果变化,考察了轮轨粘着系数的变化情况,为城轨车辆粘着的改善提供试验依据.试验结果表明,踏面清扫器研磨子能显著改善轮轨的低粘着,保障城轨车辆的安全运行.     

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。     

轮缘润滑装置在电客车上的应用分析

城市轨道交通车辆运行中，转向架轮对与钢轨接触、摩擦，造成轮缘与钢轨磨耗，产生轮轨噪声。为减小轮轨磨耗，在部分车辆的拖车一位端转向架安装有轮缘润滑装置，可有效解决轮对与钢轨的干摩擦问题，极大减缓轮缘磨耗、减小轮轨噪声、延长车轮使用寿命。     

铁道车辆轴箱弹簧断裂故障对动力学性能的影响

车辆运行过程中,当轴箱弹簧突发断裂故障,会造成动力学状态和性能突变,一系悬挂刚度突然减小,暂时失去承载能力,会威胁车辆行车安全。结合整车的动力学仿真,建立了轴箱弹簧断裂过程的力学模型,对整个断裂过程进行仿真,模拟了轴箱弹簧突然断裂工况下车辆动力学性能变化,分析了轴箱弹簧断裂条件下车辆直线行车安全性以及曲线通过安全性。计算分析结果表明:轴箱弹簧突然断裂导致一系悬挂刚度剧变,引起轮轨垂向力先减小后增大,轮重减载率、脱轨系数等参数增大直至超限,但对轮轨横向力影响不大。     

阻尼耦合轮对动力学性能及最佳耦合度研究

阻尼耦合轮对是一种较新型的轮轨导向系统,现建立阻尼耦合轮对车辆的动力学模型,系统地分析了耦合阻尼对其直线稳定性和曲线上轮轨横向力的影响,并得出了轮对最佳耦合阻尼取值范围。研究发现,选择适当的耦合度时,阻尼耦合轮对的应用能够克服转向架临界速度的提高和曲线通过性能的提升之间的矛盾,使二者同时得到改善。