车辆转向架Hopf分岔分析

针对Cooperrider简单转向架模型，分析了铁路车辆转向架的亚临界Hopf分岔特性。利用数值方法研究了不同非线性力作用下转向架的横向稳定性，得到轮轨饱和力、蠕滑力、纵、横向阻尼力、轮缘死区接触力、踏面斜率以及轮轨间隙对转向架系统线性、非线性临界速度的影响规律。为机车走行部的优化设计提供了参考。     

两联关节式集装箱平车动力学仿真模型

结合两联关节式集装箱平车采用关节连接器连接,关节处共用一个转向架的特点,考虑了轮轨接触几何关系、轮轨蠕滑力、各种悬挂特性和关节连接器等非线性因素,应用NUCARS动力学仿真软件,建立了两联关节式集装箱平车的数学模型,采用数值仿真方法,分析了车辆系统的运动稳定性、曲线通过性与运行平稳性。分析结果表明:两联关节式集装箱平车的蛇行失稳临界速度具有一定的速度裕量,曲线通过性能指标满足GB/T5599-1985规定的限度范围,在120km·h-1的速度范围内,车体的横向与垂向平稳性指标均小于3.5的优级标准,因此,两联关节式集装箱平车具有较好的动力学性能,能够满足集装箱平车120km·h-1运输速度的要求。     

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。     

准静态条件下三维脱轨系数临界值简化计算方法

根据轮轨系统坐标系间的变换关系,在准静态条件下建立了轮轨接触斑三维受力分析模型,推导了考虑轮对摇头角与轮轨蠕滑力的三维脱轨系数计算公式,得到了脱轨临界状态时三维脱轨系数临界值的计算方法;以LMA车轮踏面与CHN60钢轨廓形为例,分析了轮对摇头角与摩擦因数对三维脱轨系数临界值的影响规律,并与Nadal脱轨系数临界值进行了对比;为简化三维脱轨系数的计算方法,根据Shen-Hedrick-Elkins蠕滑模型讨论了不同轮对摇头角、摩擦因数与垂向力条件下Kalker线性合成蠕滑力与3倍库伦摩擦力间的比值关系;分析了横向蠕滑力与纵向蠕滑力的比值随轮对摇头角与摩擦因数的变化规律,提出了一种准静态条件的三维脱轨系数简化计算方法,并与精确公式计算结果进行了对比。分析结果表明:与三维脱轨系数临界值相比,当轮对摇头角在1.5°以内时,纵向蠕滑力在切向力中的占比要明显大于横向蠕滑力,造成Nadal脱轨系数临界值具有一定的保守性,但在轮对摇头角较大时,横向蠕滑力在切向力中的占比达到了90%以上,Nadal与三维脱轨系数临界值计算结果基本相同;车轮脱轨临界状态下轮轨接触斑内已达到纯滑动状态,横向蠕滑力和纵向蠕滑力的比值基本不受摩擦因数影响,并与轮对摇头角存在强线性关系;与精确公式相比,三维脱轨系数简化计算方法的误差在±5%以内,可以满足工程应用的要求。     

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象,基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究. 分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型,确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况;根据动力学仿真所得轮轨接触参数,建立轮对-轨道-轨枕有限元模型;采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性. 研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时,导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和;轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%,轮轨接触角的偏差小于5%;相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%;缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性,故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.      

纵向耦合独立旋转车轮转向架导向机理

从轮轨蠕滑力出发,研究了纵向耦合独立旋转车轮转向架的导向机理,通过建立独立旋转车轮转向架整车动力学模型,基于数值仿真方法,分析比较了采用纵向耦合独立旋转车轮转向架、横向耦合独立旋转车轮转向架与全独立旋转车轮转向架车辆的导向性能.计算结果表明:纵向耦合独立旋转车轮轮对具备直线上的对中性能和曲线上的导向性能;在曲线通过时,...     

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.     

六轴弹性架悬高速机车牵引杆布置方式

为了开发中国运行速度为200km.h-1的2C0轴式单杆牵引高速机车转向架,研究了牵引杆布置方式对机车运行安全性的影响。采用多体动力学软件SIMPACK建立了2C0轴式弹性架悬机车整车动力学模型,在惰行、牵引和制动工况下,分析了单牵引杆由转向架向车体端部和中部牵引时,机车的直线运行性能和曲线通过性能。分析结果表明:牵引杆布置方式对机车动力学性能影响不显著,建议采用牵引杆端部牵引的方案,以简化机车车体的设计与制造。采用牵引杆端部牵引的机车可安全通过R400m和R1600m的S形曲线;通过R400m小半径曲线时,机车惰行运行的轮对横向力大于牵引和制动工况的横向力,制动工况的轮重减载率较大;通过R2800m大半径曲线时,机车牵引和惰行的轮对横向力大小相当,大于制动工况的横向力。     

动车车轮与曲线钢轨磨耗问题研究

针对高速动车通过曲线时轮轨磨耗问题,利用现场实际测量的不同磨耗阶段动车车轮型面,建立高速列车通过曲线的多体动力学模型和曲线段轮轨接触的有限元模型,计算了不同磨耗程度车轮通过曲线时的磨耗功率、垂向、横向动载荷变化规律,并且对比了动载荷和理论载荷下轮轨间接触等效应力.分析结果表明:动车通过曲线时轮轨间的磨耗功率、横向力和横向蠕滑力等参数都随着车轮型面磨耗程度的增大而增大;标准型面到踏面磨耗量达到0.54 mm的过程为剧烈磨耗阶段,踏面磨耗量由0.54 mm增加到1.5 mm过程过为磨耗稳定期;可以根据磨耗Ⅰ型面对车轮型面进行优化,从而延长动车车轮的稳定磨耗阶段.     

驱动工况单轮对横向稳定性

为了解驱动工况下轮对横向稳定性,建立了考虑驱动力矩的简化单轮对动力学模型,针对不同轮轨的黏着特性,研究了弹性定位单轮的横向蛇行稳定性.结果表明:驱动工况下,轮对横向稳定性优于惰行工况,对于弹性定位动力单轮对,当平均蠕滑率为0.8%时,横向非线性临界速度为惰行时的1.1倍;驱动时,轮轨黏着饱和导致轮对摇头力矩减小,有利于横向稳定性,但纵向切向力增加使得横向切向力减小,对轮对横向稳定性不利.     

提速架悬机车动力学性能的改进

为了改善提速机车高速运行时的横向动力学性能,通过分析我国主型2C0提速架悬机车的牵引电机悬挂方案,对分别采用刚性架悬和弹性架悬方案时机车的横向稳定性、平稳性、轮轴横向力、轮重动态变化等进行了比较研究.结果表明,采用弹性架悬方案时,机车各项直线高速运行指标均有所改善,且机车的动力学性能对悬挂参数的敏感性减弱,因而有利于机车在长期运行中保持稳定的动力学性能.     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

横风对双层集装箱平车运行稳定性的影响

采用流场数值模拟计算方法，计算了横风作用时的垂向气动升力系数、气动横向力系数和侧滚力矩系数，得出各系数与车辆速度和风速之间的变化关系。从动力学角度，根据力矩平衡原理推导了横风作用时车辆稳定性计算关系式，根据车辆运行的实际情况得出双层集装箱平车在不同装载情况下的临界倾覆风速和风速之间的关系，并分析了垂向气动升力、横向气动力和侧滚力矩对车辆倾覆稳定性的影响。结果显示，横风引起的力中气动横向力占主导作用；空车比重车的临界倾覆风速低；重车比空车的临界运行车速低。     

运营铁路机车计算速度的选择

本文以机车计算速度为设计变量，以投入（万吨公里相关运输成本）最小，产出（机车生产率）最大为双目标函数，采用多目标优化技术在微机上求出了我国主型机车的经济计算速度，可供运营与设计部门选择机车计算速度及制订铁路主要技术政策确定速度、重量、密度关系参考。     

重载组合列车机车车钩稳定控制试验

为控制重载组合机车车钩的动态稳定性,根据重载机车车钩稳定性的工作原理与车体和乍钩的儿何关系,推导了机车车钩最大自由摆角的计算方法.以某型机车装用DFC-E100型钩缓装置在大秦线牵引重载列车为例,通过改变列车的牵引重量、编组方式和制动方式,不断加大作用于机车的纵向力,实测被试机车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等安全性参数,试验研究列车中部机车车钩横向摆动对机车运行安全性的影响.结果表明:在压钩力作用下,机车车钩摆角随车钩纵向力的增大而增大;车钩最大自由摆角增大,机车的安全性参数及机车脱轨的风险则随之增加,考虑工程误差,车钩最大自由摆角应为2.5°～3.5°.     

高速列车的稳定性

为了研究列车中各车辆在直线上和大半径圆曲线上的蛇行稳定性,建立了具有17个自由度的车辆系统非线性数学模型。模型中考虑了车钩力横向分力的作用,根据列车运行阻力确定各车辆(动车或拖车)的车钩力,其是列车速度和车辆在列车中位置的函数,列车编组共考虑了2M9T、3M8T和6M5T三种形式。应用牛顿一拉夫森达代法确定车辆系统的平衡位置,采用QR算法求解系统雅可比矩阵的特征值,并结合二分法搜索系统平衡位置失稳时的临界速度。通过计算得知,在直线上列车中各车辆的临界速度相差不大,但在曲线上有一定的差别,车辆在曲线上的临界速度要低于直线上的临界速度,曲线半径越小,其临界速度越低,因此进行曲线上的临界速度计算时,必须考虑车钩力的影响。     

基于频域平稳性的高速机车悬挂参数优化匹配

为合理优化匹配悬挂参数以提升高速机车动力学性能,针对某高速机车,采用虚拟激励法计算频域横向平稳性指标,提出了考虑频域横向平稳性和稳定性多目标性能的关键悬挂参数多参数协同优化方法;分别以2种抗蛇行减振器布置方式和3种轮轨接触状态运行工况为例,验证了该方法对机车横向动力学性能的提升效果.结果表明：低轮轨接触锥度工况机车一次蛇行稳定性较差,尤其采用抗蛇行减振器斜对称布置方式,机车后司机室横向平稳性显著变差;对于低锥度工况,需以提高机车稳定性为优化目标,而高锥度工况则更需关注其横向平稳性;为兼顾不同轮轨接触条件下机车动力学性能,以提高线路适应性,机车一系纵向刚度、抗蛇行减振器阻尼和二系横向减振器阻尼值在文中给定的优化范围内应尽量选取较小值,建议分别选取12 kN/mm、600 kN·s/m和25 kN·s/m.     

大功率交流传动电力机车牵引特性分析

在铁路客运高速化、货运重载化的同时,货运列车提速也已逐渐提到日程上来,机车的最高运行速度将会达到120 km/h.电力机车牵引传动制式将由直流传动变为交流传动,大功率交流机车将逐步取代直流机车.从大功率交流机车牵引性能、牵引质量适应性和制动性能等3方面,对大功率交流机车进行了介绍,并以大包线集包段为例,对大功率交流机车的应用进行了验证.     

基于电机动力吸振的高速列车蛇行运动控制

复兴号CR400BF高速动车组动力转向架的牵引电机采用特有的四点弹性架悬方式, 在电机和构架之间安装有横向液压减振器和横向止挡, 首次采用牵引电机作为动力吸振器来控制转向架蛇行运动稳定性和蛇行频率, 从而避免引起车体弹性模态共振; 考虑悬挂参数和轮轨接触非线性, 建立了复兴号动车组非线性多刚体动力学仿真模型, 通过悬挂模态计算和动力学时域仿真, 分析了关键参数对动车蛇行运动的影响规律; 基于将电机作为动力吸振器的原理, 优化了电机节点横向刚度和横向减振器阻尼; 考虑动车组运营中的轮轨匹配随机因素, 组合400种轮轨随机匹配状态, 仿真分析了动车的动力学性能; 开展动车组长期线路动力学跟踪试验, 研究了动力转向架蛇行运动演变规律。仿真与试验结果表明: 牵引电机弹性架悬下的构架横向加速度频谱图从以蛇行频率为主频的单峰值变化为主频在蛇行频率两侧的双峰值, 说明电机起到了动力吸振器的作用; 将电机作为动力吸振器能够提高动车蛇行运动稳定性, 具有不同等效锥度的典型轮轨匹配下非线性临界速度超过500 km·h-1; 动车蛇行运动最高频率被控制在6 Hz附近, 远离车体中部菱形弹性模态频率8.5 Hz, 避免了转向架蛇行运动激起车体弹性共振; 动车组在轨道随机不平顺激扰下, 构架端部横向加速度小于0.5g, 平稳性指标小于2.5, 轮轴横向力和脱轨系数等运行安全性指标满足要求。