牵引力对机车车轮轮轨黏着性能的影响分析

为了解机车在牵引工况下轮轨的蠕滑特征,本文采用线性蠕滑理论和非线性修正方法,推导出轮轨接触的蠕滑力公式,结合磨耗型踏面的轮轨接触几何特征,采用Simpack多体动力学软件建立DF8B型三轴转向架机车动力学模型,进行动力学仿真验证。研究发现:传统转向架机车在牵引工况通过曲线时,导向轮对外侧车轮轮缘根部接触钢轨,总的蠕滑力处于饱和状态;当轮轨接触总的蠕滑力饱和时,牵引力会引起轮轨接触界面的纵向和横向蠕滑力重新分配,牵引力越大,纵向蠕滑力越大,横向蠕滑力越小。惰行工况下导向力矩最大,随着牵引力的增加,导向轮对的导向力矩逐渐减小。     

机车牵引状态下曲线通过导向特性研究

考虑车轮与钢轨的运动特性及轮周牵引力,推导出机车在牵引状态下通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并对曲线通过时的轮轨横向动态相互作用特性进行仿真计算与分析;同时研究牵引力大小对转向架导向性能的影响,对比分析了机车牵引与惰行状态下的导向性能。理论仿真分析结果表明:牵引力可以改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向,与惰行工况相比,牵引状态下的轮对导向力矩有所减小,轮对的自导向能力减弱,不利于曲线通过;提高牵引力,总轮轨蠕滑率将很快达到饱和状态,牵引力越大,轮轨纵向蠕滑力越大,两侧纵向蠕滑力差值越小,机车轮对自导向能力越差,轮对冲角增大,而轮轨横向蠕滑力越小;当牵引力增加到一定程度时,总轮轨蠕滑率超过极限状态,曲线通过时两侧轮径差太小而出现打滑和空转的现象。     

柔性轨道下高速列车车轮谐波磨耗对轮轨滚动接触蠕滑特性的影响

针对柔性轨道下因谐波磨耗车轮激励而引发钢轨和轮对振动时的轮轨蠕滑问题,在分析柔性轨道下轮轨间滚动接触振动对轮轨蠕滑特性影响机理的基础上,基于CRTS型双块式无砟轨道和CRH2型高速列车,采用ANSYS和UM软件建立柔性轨道下高速列车的动力学数值模型;选取6种典型谐波磨耗(阶数分别为1,6和11阶;对应波深分别为0.1和0.3mm)车轮,进行轮轨滚动接触振动特性、轮轨蠕滑力和蠕滑率的分析。结果表明:车轮谐波磨耗阶数和波深的增加均导致钢轨垂向加速度、轮对垂向加速度、轮轨垂向力及轮轨蠕滑力和蠕滑率的大幅增加,且与阶数的影响相比,波深对滚动接触蠕滑特性的影响更大;当车轮的谐波磨耗取11阶和0.3mm波深时,轮轨垂向力最大值、钢轨垂向加速度最大值、轮对垂向加速度最大值和平均值、纵向蠕滑率平均值、纵向蠕滑力绝对平均值、横向蠕滑力最大值、纵向蠕滑力最大值分别约为车轮无谐波磨耗时的7.27,49.6,20.35,15.18,7.8,9.064,6.7和8.57倍;考虑柔性轨道后,轮轨接触脱离时间明显增加,轮轨蠕滑率和蠕滑力也有明显增大。     

基于60 kg/m和60N钢轨的货车轮轨动力学性能比较

为对比分析铁路货车在60 kg/m和60N钢轨上的轮轨动力学性能,以C70货车为例,采用SIMPACK多体动力学软件建立基于60 kg/m和60N钢轨的货车-轨道耦合动力学模型,计算轮轨几何接触关系、车辆运行稳定性和平稳性、轮轨作用力等。计算结果表明:LM车轮踏面与60N钢轨匹配时,轮轨接触点靠近轨面中心,车辆运行有更高的稳定性和平稳性;车辆通过曲线时,车辆在60N钢轨上的轮轨接触斑面积较大,轮轨间的垂向作用力、横向作用力较大,通过小半径曲线时轮轨横向蠕滑力较大;车辆与60 kg/m钢轨之间的总蠕滑力、纵向蠕滑力、最大法向接触应力和磨耗指数较大,加剧了60 kg/m钢轨的磨损。     

基于轮轨蠕滑最小化的钢轨打磨研究

根据对轮轨蠕滑形成机理的研究,指出轮轨接触的滚动半径差是影响轮轨蠕滑的重要参数;利用车辆动力学软件NUCARS和选用不同钢轨廓形,仿真计算滚动半径差对轮轨关系的影响,据此提出应通过钢轨打磨,消除或减弱轮轨蠕滑,从而实现轮轨关系的改善,达到延长钢轨使用寿命的目的.理论计算和现场钢轨打磨试验表明,在大秦重载铁路实施钢轨打磨后,滚动半径差减小,钢轨的廓面形状与车轮形成贴合型接触,降低了轮轨蠕滑力和横向力以及轮轨滚动阻力,改善了轮轴转向特性,使钢轨的平均侧磨减少了将近50％,钢轨的通过总重从9×108 t增加到15×108 t以上.     

曲线轨道受力的动态计算在钢轨侧磨分析中的应用

本文采用动态和蠕滑理论计算了轨道所受的导向力和冲角。在文章中考察了轮轨踏面形状对钢轨受力的影响，论述了钢轨顶面的蠕滑力、蠕滑力矩和法向力的计算过程，并提出作用在外轨内侧导出力的计算方法。通过解动态方程组，得到了对曲线轨道钢轨侧磨分析所需要的导向力和冲角。     

广州地铁1号线车轮与钢轨滚动接触特性分析

以广州地铁1号线车轮和钢轨为例,运用有限元软件建立三维轮轨滚动接触有限元模型,对不同牵引力和不同横移量的轮轨滚动接触特性进行计算分析.结果表明牵引力改变轮轨接触Mises应力的分布;随着牵引力的增大,接触斑纵向摩擦力分量明显增大,接触斑后部最先出现蠕滑区,牵引力越大接触斑黏着区越小,蠕滑区越大;在横移为-5～5 mm范围内,接触斑分布在车轮踏面倾斜角为1∶46的斜面上,从这个角度看,该踏面与CHN60钢轨匹配并没有完全发挥磨耗型踏面增大接触面积、减小接触应力的作用.     

不同运行工况下高速轮轨稳态滚动接触蠕滑特性分析

以LMA型踏面车轮和CHN60钢轨为对象,基于有限元软件ABAQUS,采用mixed LagrangianEulerian法,分析全滑动制动、全滑动牵引、蠕滑制动以及蠕滑牵引4种工况下的高速列车轮轨稳态滚动接触蠕滑特性。结果表明:全滑动制动工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑制动工况下的6.5倍左右,全滑动牵引工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑牵引工况下的1.7倍左右;接触斑内的蠕滑力矢量在全滑动工况下均指向同一方向,制动时与运动方向相反,牵引时与运动方向相同,而在蠕滑工况下其存在自旋效应;全滑动工况下的纵向蠕滑率均大于蠕滑工况下的,而蠕滑工况下的横向蠕滑率均远大于全滑动工况下的;纵向蠕滑率在全滑动工况下的分布只有1个峰值区域,而在蠕滑工况下则存在2个峰值区,前一工况下的横向蠕滑率分布区域较散,数值相当小,最大仅为0.064%,而后一工况下的分布则相对集中,其最大值可达0.287%。     

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。     

钢轨扭转运动对轮轨动态相互作用的影响

运用耦合动力学理论,仿真分析钢轨扭转变形对机车车辆曲线通过和直线运行时的轮轨动态相互作用的影响。研究结果表明：机车车辆通过曲线轨道时,产生了较大的扭转幅值,将增大轨距动态挤开量,并且扭转速率也很明显,进一步影响轮轨蠕滑率;对于曲线通过的轮轨动态相互作用性能,考虑扭转变形的指标值较不考虑扭转变形的值要小,差异在10%以内;机车车辆在直线轨道上运行时,钢轨扭转变形对轮轨接触点分布的影响较明显,但钢轨微小扭转变形对轮轨动态安全性指标影响不大;钢轨向内侧略微翻转,有利于改善直线轨道上的轮轨接触几何关系。     

基于轮轨线性相互作用假定的车桥相互作用理论及应用

研究车桥耦合系统中轮轨相互作用关系问题。以刚体动力学方法建立车辆子系统模型,有限元法建立桥梁子系统模型;假定车辆轮对与钢轨之间在竖向上服从轮轨密贴假定,在横向上服从Kalker蠕滑理论;并在计算横向蠕滑力时考虑轮对锥形踏面和恒定法向力;以轨道不平顺为系统激励;建立车辆-桥梁统一的线性动力平衡方程组。利用上述轮轨线性相互作用假定,以SS8单节机车通过单跨32m简支梁为例,计算各轮对横向运动的时域及频域响应;讨论轮对蛇形运动波长、波幅的影响因素;分析桥梁横向振动、横向轨道不平顺以及车辆系统横向振动三者的关系;并验证轮对蛇行波假定的正确性。     

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.     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

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。     

高速铁路周期性激励作用下轮轨非稳态滚动接触研究

基于Kalker三维滚动接触精确解方法,针对由高速铁路轨面不平顺引起的周期性激励问题,以单一方向简谐波动蠕滑率激励下蠕滑力特征研究为基础,考虑了随时间变化的轮轨接触弹性位移梯度效应以及更加复杂的轮轨蠕滑工况,拟合相应的非稳态传递函数,研究了不同方向蠕滑率同时存在的非稳态滚动接触问题。结果表明:使用非稳态滚动接触模型计算所得蠕滑力相对蠕滑率存在相位滞后,蠕滑率简谐波动波长比越小,蠕滑力幅值增益减小程度越大,相位滞后越多;使用非稳态传递函数方法与Kalker三维滚动接触精确解方法计算时,蠕滑力幅值和相位均具有较好的一致性;在简谐波动纵向蠕滑率激励时,横向蠕滑率的增大会减小纵向蠕滑力的幅值增益,但对纵向蠕滑力的相位滞后影响不大;在简谐波动横向蠕滑率激励时规律基本一致。     

牵引及制动操纵对重载机车轮轨动力作用的影响

基于列车纵向动力学理论和车辆—轨道耦合动力学理论,建立考虑钩缓系统中车钩纵向、横向和垂向作用力的重载列车—轨道耦合动力学模型。以机车牵引万吨列车为考核工况,分析牵引和制动时机车的受力特点,研究牵引力、制动力及车钩力对机车运行性能的影响过程和影响程度,并对理论模型进行试验验证。结果表明:在牵引、电制动及紧急制动工况下,直线线路上机车的轮重分别较惰行工况降低了约13,7和4kN,单纯的牵引或制动力可降低轮轨横向蠕滑力,间接造成轮轨横向力的小幅增大,但轮轴横向力基本不变;车钩力可通过车钩摆角产生横向分量,并传递到轮轨界面,改变轮轴横向力的整体变化趋势;若车钩偏转3°,在电制动工况下,前部机车承受的压钩力较大,引起的轮轴横向力增幅达18kN,在紧急制动工况下,机车上的压钩力幅值小,引起的轮轴横向力在8kN以内。     

地铁小半径曲线段钢弹簧浮置板轨道的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,开展地铁钢轨波磨形成机理的研究。利用多体动力学仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,研究车辆-轨道系统动力学性能以及弹性轨道系统振动特性对波磨形成的影响。研究结果表明:车辆通过曲线半径300m的钢弹簧浮置板轨道时,产生欠超高的速度以及降低曲线超高均可以降低轮轨间作用力;内侧钢轨的轮轨磨耗指数和横向蠕滑力均大于外侧,尤其在速度为55km/h时,无论轮缘是否贴靠钢轨,内侧钢轨所受应力均相对较大,造成内轨磨耗加剧;从曲线内外侧钢轨和轨道板频谱特性可知,内侧钢轨与轨道板发生共振现象所对应的频率140Hz与现场测试得出的通过频率139Hz相接近。轮轨间横向滑动造成的钢轨磨耗和轨道结构的垂向振动可能是造成曲线钢轨波磨的主要原因。     

高速客车转臂式轴箱定位转向架曲线通过特性

为研究高速客车转臂式轴箱定位转向架通过曲线时的蠕滑导向性能,基于多体系统动力学及车辆的稳态曲线通过理论,分析曲线上轮对的受力特点,采用动力学软件SIMPACK计算转向架高速通过曲线轨道时的导向蠕滑力,研究转臂结构参数对转向架运动状态和轮轨蠕滑力的影响。计算结果表明,转向架以欠超高状态通过曲线时,随着转臂长度和相对于轨面倾角的增加,转臂回转导致前轮对正向摇头角明显增大,产生更大的轮轨横向蠕滑力,使轮对向曲线内侧偏移,轮对横移量逐渐由负值变为正值;后轮对正的摇头角则不断减小,横向蠕滑力随之下降,受前轮对影响,后轮对向曲线内侧移动;转臂长度超过0.2m后,转臂长度及倾角均会对转向架曲线通过性能产生明显的影响。     

车轮多边形对曲线钢轨波磨的影响研究

为了研究车轮多边形对地铁高弹性扣件曲线地段普遍出现的钢轨波磨的影响,用多体动力学软件UM建立车辆-轨道耦合模型,在小半径曲线段进行仿真。通过改变车轮多边形的阶数,分析轮轨蠕滑特性的变化趋势,然后运用钢轨表面磨耗计算模型对波磨的产生与发展进行研究。结果表明：随着车轮多边形阶数的增大,内轨蠕滑率减小,外轨蠕滑率增大,蠕滑力变化不大且出现不同程度饱和,其中内轨更倾向发生波磨;同时,在频谱图上波磨特征频率峰值总是出现在车轮多边形的通过频率处;随着运行次数的增加,波磨特征频率峰值逐渐增大,且增长速率逐渐减缓。     

重载铁路钢轨润滑及摩擦控制研究

钢轨润滑以及轨顶摩擦控制是重载铁路减轻钢轨侧磨以及伤损的有效措施之一。本文对比分析不同摩擦系数条件下,机车的曲线通过性能。分析结果表明,曲线外股钢轨轨距角处的润滑,有利于减小轮轨磨耗,与此同时,减小了机车的蠕滑导向力矩,从而增大了导向轮轮对冲角,轮轨横向力亦呈现增大趋势;曲线内轨轨顶摩擦系数适当减小对减小轮轨横向力起到积极作用。轮轨纵向蠕滑系数的增大,可明显提高轮对导向力矩,有利于轮对趋于径向位置,并减小横向力和轮对冲角,使得机车的曲线通过性能得到显著改善。