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.     

通过轮轨界面摩擦管理降低轨道横向力

作为探讨轮轨相互作用系列文章中的第二篇,分析了列车通过曲线时作用在轮轨接触面上的横向作用力和垂向作用力及其对轮对导向性能、轮轨磨耗和车辆运行安全性的影响。结合国内外客、货运铁路的实际应用经验,探讨如何通过轮轨界面摩擦管理降低轮对横向力,达到降低列车脱轨风险、减缓轨道结构伤损和减小钢轨与车轮磨耗的目的。     

利用“抗脱轨转向架”改善运行性能

经考查,车辆爬轨脱轨是由于轮重减载变大或轮轨横向力变大而引起的。因此,在技术上通过抑制轮重减小或降低轮轨横向力的途径,均可起到抗爬脱轨的作用。通过这两种技术的组合,也就是在可抑制轮重减小的转向架上加装辅助导向系统,进而开发出兼具抑制轮重减小及降低轮轨横向力两项功能的"抗脱轨转向架"。介绍日本铁道综合技术研究所基于上述思路而研发的"抗脱轨转向架"概况以及性能确认试验的结果。     

基于轮对模型的铁道车辆脱轨安全性评估

考虑轮对摇头和侧滚运动,推导轮对的三维爬轨脱轨准则,采用轮轴脱轨系数和轮重减载率的联合安全域进行脱轨安全性评估。建立轮对横向和侧滚运动方程,推导轮轴横向力和轮轨垂向力的计算公式。提出一种轮轨力间接测量方法,利用轴箱加速度、一系悬挂相对位移以及转臂应变等测试量,进行轮轨力的反演识别。通过轴箱转臂标定试验,获得转臂定位节点横向力和转臂应变之间的关系。针对某高速客车进行环线线路试验,对比分析测力轮对和间接测量方法获得的轮轨力。结果表明:间接测量方法得到的轮轴横向力和轮轨垂向力与测力轮对波形吻合,峰值误差分别为11.2%和4.3%。直线段的轮轴脱轨系数和轮重减载率均较低,曲线段二者均显著增大,缓和曲线段的轮重减载率逐渐增大而轮轴脱轨系数变化平缓。     

钢轨磨耗对道岔区车辆动态脱轨行为影响分析

小号码道岔区钢轨磨耗严重,易诱发车辆爬轨掉道,严重影响车辆的正常运行和轨道养护维修。基于多体系统动力学理论,建立货运列车-6号对称道岔动态脱轨仿真计算模型,通过在车体重心施加横向力和抗侧滚力矩以实现车辆爬轨脱轨,模型考虑了轴箱及斜楔等部位的非线性特性。为研究道岔钢轨磨耗对车辆动态脱轨机理的影响,对道岔钢轨廓形进行跟踪测试,将实测廓形输入到动力学软件中,对比研究标准廓形和不同磨耗程度廓形对列车动态脱轨行为的影响,揭示动态脱轨临界状态下列车在岔区的脱轨轨迹、运动姿态、脱轨系数和车轮抬升量等关键指标的变化规律。研究结果表明：随着磨耗程度的加剧,车辆导向轮掉道位置距尖轨尖端越近;仿真结果的车轮爬轨位置、掉道位置和脱轨轨迹与现场调研结果较为一致;车辆更容易在磨耗道岔钢轨上发生爬轨脱轨,作用在车体上的横向力降低了20%。     

高速列车型面不同磨耗状态下的过岔性能研究分析

基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,以国内某型号动车组和客运专线18号道岔为对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,分别计算与分析高速列车车轮磨耗状态下轮岔作用及对车辆过岔动力学性能相关问题。模型中考虑了车辆悬挂力元非线性、轮轨接触几何非线性特性等非线性因素,采用更贴合实际的轮轨非椭圆多点接触算法研究高速列车不同运营里程下的型面磨耗对列车通过道岔区间的动力学性能影响。结果表明:型面磨耗会导致轮轨垂向力增大,横向力减小;对车体、构架和轮对垂向振动特性影响大于横向振动特性;对脱轨系数影响较小,对磨耗功率和轮重减载率影响较大;对道岔钢轨振动特性影响横向大于垂向。     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

地震时防止脱轨的可断裂保险螺栓限位器

<正>当以较高的频率成分(1.4 Hz以上)为主体的地基振动引起车辆大的晃动时,车体与转向架的横向运动止挡发生猛烈接触(车体与横向运动止挡均承受巨大载荷),此时,由于车轮、钢轨间产生的轮轨横向力,以及转向架的侧滚等影响,有时会使车轮跳动至轨缘高度以上,发生车辆脱轨。横向运动止     

基于准静态试验的车辆脱轨安全性评价方法研究

基于EN 14363—2005中的车辆脱轨安全性静态试验方法,在SIMPACK软件中设置了相关试验环境,完成了动车组拖车的脱轨安全性评估,研究了悬挂参数对脱轨安全性的影响。分析结果表明,在进行扭曲试验时,车辆的最小轮轨垂向力随着抗侧滚扭杆的等效侧滚角刚度、轴箱悬挂系统和中央悬挂系统垂向刚度的增大而减小,使车辆的脱轨安全性趋于恶化。在曲线线路上运行时,轮轨横向作用主要受制于轴箱纵向和横向定位刚度,改变转向架轴箱定位刚度会影响车辆脱轨安全性。     

碰撞脱轨事故下高速列车横向限位装置动力学特性及结构强度研究

基于试验和仿真分析对横向限位装置在列车碰撞事故下的动力学响应特性以及结构强度进行研究。仿真与试验结果表明:横向限位装置结构可靠且能够对列车碰撞脱轨事故进行防治。建立动力学仿真模型对横向限位装置的工作模式进行分析,在碰撞引起脱轨的过程中横向限位装置可以有效地分担轮轨横向力并制止车轮的爬轨趋势。通过有限元分析对该装置的结构强度进行验证,与试验结果对比可知误差基本稳定在5%以内,证明了横向限位装置可以承受200 kN均布载荷的作用,能够应用于列车脱轨防治工作之中。     

列车纵向冲动对车辆曲线运行安全性的影响

随着列车质量的增加,列车纵向冲动将明显增加,其直接影响列车运行安全.特别是在曲线上,纵向冲动使轮轨横向力增大,从而增大脱轨的可能性.本文以C80A为例,基于准静态方法和动态方法分析车辆结构参数与纵向冲动引起的附加横向力的关系,并分析纵向冲动对曲线上车辆脱轨系数和轮重减载率的影响.     

土质路基上板式无砟轨道结构的动力学性能仿真研究

依据系统工程理论的思想,基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,建立机车车辆和板式无砟轨道结构的力学模型,采用ABAQUS软件实现滚动接触过程的轮轨接触的模拟,对铁路客运专线土质路基板式无砟轨道结构在高速行车条件下的动力学性能进行仿真分析研究。结果表明：板式无砟轨道结构的平顺性很好;动车组轮轨垂向力、轮重减载率、轮轨垂向力动载系数和各轮脱轨系数的最大值及其离散性均随着列车速度的提高而增大,整个动车组所有车轮的轮轨横向力最大值以及各轴的轮轴横向力均远小于安全控制值;板式无砟轨道结构各部分的振动加速度和主要振动频带范围随着列车速度的增大而增大;板式无砟轨道结构的振动衰减情况良好。     

车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响分析

为了研究车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响,基于多体动力学理论和滚动接触简化理论,建立考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆动力学模型,分析车轮扁疤参数变化对高速列车轮轨力和蠕滑力等特性的影响,并结合轮重减载率和轮轨垂向力指标得到车轮扁疤长度的安全限值。结果表明:考虑轮对柔性能更好地反映轮轨接触状态;在轮轨滚动接触过程中,车轮扁疤过长会导致轮对发生跳轨现象,严重时导致车辆脱轨,应及时根据扁疤长度限值镟修轮对;结合轮重减载率和轮轨垂向力制定车轮扁疤长度安全限值为27 mm,该限值可以更有效地保障高速列车安全运行。     

日本开发新型防脱轨转向架

正为了提高普通铁路上列车的运行安全性,日本铁道综合技术研究所(RTRI)开发了一种新型转向架。这种新近开发的转向架配备了一个机构,可防止车轮轮压减少并可减小轮轨横向作用力。目前这种新型转向架正在三菱重工的三原试验中心进行运行试验,以确认其性能和耐久性,希望之后投入商业应用。车轮轮缘上爬造成脱轨是铁道车辆脱轨现象之一,这种现象在车轮作用于钢轨的横向力极度增加时可能出现,同时,车轮轮压(轮重),一个使车轮向下压向钢     

70％低地板轻轨车辆轮轨力测试研究

为了测试弹性车轮轮对的轮轨力,根据70％低地板轻轨车辆转向架的一系悬挂结构,开发了一种新的轮轨力测量技术:在一系圆锥橡胶弹簧的钢质下支柱粘贴2组应变片,通过合理布点和组桥消除了垂向力和横向力测量电桥之间的相互干扰,从而直接测得作用在轴箱弹簧上的垂向力和横向力.使用这种方法测试了70％低地板轻轨车辆的刚性轮对和独立轮对的轮轨垂向力和轮轴横向力.     

车辆脱轨安全评判的动态限度

铁路车辆最重要的是脱轨安全性,文章对车轮爬轨脱轨的评判准则进行了分析研究.爬轨的趋向一般是通过轮缘接触侧车轮的横向力q与垂向力p之比来反映,Nadal限度是一个基本的准则.     

WJ-7型大调量扣件地段轨道动力响应测试及分析

为了恢复线路平顺状态,某线采用大调量扣件调整轨面高程。通过对大调量扣件地段轨道动力响应测试结果分析,评价其使用效果。分析结果表明,各评价指标均在安全限值之内;轮轨水平力、轮重减载率等指标随列车通过速度增大而增大;增加扣件调高量对轮轨垂直力、轮轨水平力以及脱轨系数的影响较小,但钢轨轨底横向位移、轮重减载率有增大趋势;在曲线段采用大调量扣件会导致钢轨轨头横向位移、轮重减载率和脱轨系数明显增大,建议在曲线地段扣件调高量不宜过大。     

大风灾害引起的货物列车脱轨全过程分析

针对货物列车在大风灾害下的安全运行问题,基于列车-轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析理论,提出大风灾害下列车脱轨全过程计算方法。以我国常见的大风灾害为对象,计算运营速度下货物列车在8~10级大风环境中的脱轨全过程,对脱轨机理、轮轨几何接触状态及轮轨相对位置进行分析。研究结果表明:大风灾害引起的列车-轨道系统输入能量的增加是导致货物列车脱轨的主要原因;随着风速及车速的增大,系统输入能量随之增加,转向架与钢轨的横向相对位移增大明显,但转向架摇头角变化较小;另外,曲线线路上列车横向振动更加剧烈,其中转向架与钢轨横向相对位移及转向架摇头角均大于直线上的相应值,其最大分别为87.3 mm和4.59°。上述机理及数据可为列车车轮脱轨掉道检测装置提供参考,确保列车在脱轨瞬间及时停车。     

冲角对换轨机器人准静态脱轨判别研究

针对换轨机器人脱轨系数具有保守性,轮重减载率作为辅助判别指标却没有统一标准的问题,提出以冲角判别换轨机器人脱轨的判别方法。结合脱轨系数与轮重减载率的定义,引入列车准静态脱轨判别准则,建立轮对力矩准静态模型,构建换轨机器人多参数耦合的脱轨判别式,探究不同摩擦因数、不同轮缘角下冲角与脱轨系数的函数关系以及冲角与脱轨判别式的映射关系式。研究结果验证了理论的正确性,增大轮缘角、降低轮轨间摩擦因数有利于降低脱轨危险性,合理解释了脱轨系数达到脱轨标准时,换轨机器人没有发生脱轨的现象,为换轨机器人准静态脱轨的进一步研究奠定理论基础。     

车辆系统空气弹簧失气过程动力学分析

通过建立空气弹簧失气过程的力学模型,结合整车的动力学仿真,模拟了高速列车在空气弹簧突然失气工况下的动力学性能变化。计算结果表明,空气弹簧突然失气导致二系悬挂刚度衰变,引起轮轨垂向力变小、轮重减载率增大甚至超限,对轮轨横向力和脱轨系数等也有一定的影响。