地铁列车在车辆段侧向过岔的安全性分析

研究目的:道岔是轨道线路的薄弱环节,是影响列车安全平稳通过的关键因素。道岔最主要的特征就是其横截面外形随长度方向的变化而变化,使得线路存在较大的横向不平顺和垂向不平顺。本文通过多体动力学软件UM建立地铁A型车-道岔耦合动力学模型,以7号右开道岔为例,建立地铁A型车辆模型和道岔变截面轨道模型,对侧向通过道岔动力学性能进行分析,并运用我国现行车辆运行安全性评定标准进行分析评估。研究结论:(1)当地铁A型车辆以50 km/h及以下速度侧向通过7号道岔时,所有行车安全性指标均满足相应的安全标准,可以保证列车运行安全,但轮对横向位移较大,车辆有横向晃车的趋势;(2)车辆速度越大,轮轨横向力最大值也越大;(3)该研究成果可用于铁路、地铁车辆段列车过岔安全性评估,具有一定的工程实用意义。     

城市轨道交通上盖开发车辆段7号可动心轨辙叉道岔减振降噪性能研究

城市轨道交通车辆段物业开发是大中城市开发“新型土地资源”的重大举措,其建设规模不断扩大,由此带来的环境振动噪声问题逐年凸显,车辆段内轮轨振动与摩擦、钢轨接头及道岔有害空间处的轮轨冲击是振动噪声的主要来源。针对此,基于面向振源的上盖开发车辆段无缝化减振降噪技术理念,研发城市轨道交通50 kg/m钢轨7号可动心轨辙叉道岔,并对试验段进行轨道结构和环境振动噪声对比测试和仿真分析。研究表明：(1)可动心轨道岔消除有害空间,有效降低心轨处轮轨冲击受力,相较于固定型道岔,减振降噪效果明显,随着行车速度的提高,效果进一步增加;(2)车辆通过道岔直股,速度最大为25 km/h时,地面源强处(距岔线中心线7.5 m)减振3.58 dB,轨旁噪声降低4.63 dB(A),环境噪声(距岔线中心线水平距离7.5 m、距轨顶面3.5 m)降低5.63 dB(A);车辆通过道岔曲股,速度最大为25 km/h时,地面源强处减振3.70 dB,轨旁噪声降低4.75 dB(A),环境噪声降低5.87 dB(A)。     

无砟道岔结构横移影响分析及病害整治

无砟道岔结构横移是高速铁路轨道出现的典型病害之一,导致了多处列车限速运行。本文以客运专线18号可动心轨道岔为例,运用多体动力学软件建立车辆-道岔耦合动力学模型,分析了无砟道岔结构横移量对车辆动力特性的影响,并对横移病害整治方法进行了研究。结果表明:无砟道岔结构横移会产生方向不平顺,导致轮轨横向力、脱轨系数及车体横向振动加速度大幅增加;直、逆向过岔时,辙叉区横移对车辆动力特性的影响大于转辙器部分,而转辙器部分横移会持续影响车体通过辙叉区的横向加速度;采用抬升推移法对岔区无砟轨道结构进行调整时,底座板与基床表层之间的黏结力对顶推力的影响大于轨道结构刚度。     

地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度动力分析

研究目的:为研究地铁曲线尖轨道岔的不可逾越速度,本文以地铁9号曲线尖轨道岔为例,基于轮轨接触几何算法和车辆-道岔系统耦合动力学仿真计算,在综合考虑车辆侧向过岔时的安全性及平稳性的基础上确定曲线尖轨道岔的不可逾越速度,以期为列车折返能力的提高和城际轨道交通道岔的设计提供技术支持与储备。研究结论:(1)在尖轨顶宽40 mm时标准LM车轮型面与轨道接触点分布已经过渡到尖轨上,而磨耗状态LM车轮型面与钢轨的接触点分布可能在基本轨上或者尖轨上,轮载过渡位置延后;(2)车辆过岔时主要以车体横向加速度为控制指标确定不可逾越速度,因此在地铁车辆运行过程中可对车辆横向加速度进行实时监测,作为车辆运行安全性和平稳性的监测指标;(3)标准LM车轮型面时地铁9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为50 km/h,磨耗状态LM车轮型面时9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为45 km/h;(4)通过提高地铁车辆ATP顶篷速度来提高ATO速度,可缩短发车时间间隔,提高列车运行速度和对运量的储备;(5)通过对地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度的分析,可对地铁车辆运行安全性和平稳性进行监测,并针对列车行车间隔加密后可能引起折返能力不足的问题,为道岔提速研发提供理论支持。     

翼轨顶面坡度对固定辙叉性能的影响

基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学理论,以60 kg/m钢轨12号固定辙叉为例,利用SIMPACK多体动力学仿真软件研究车辆过岔时轮轨接触几何关系和轮轨动力作用,并对比分析翼轨顶面坡度对固定辙叉性能的影响,得出了翼轨顶面坡度值的选取和评价方法。研究结果表明:车辆通过不同翼轨顶面坡度的固定辙叉时,随着翼轨顶面坡度的增大,其动力学指标和磨耗损伤也随之增大;翼轨顶面坡度为1∶20的固定辙叉性能最优,其次为1∶15和1∶13;翼轨顶面坡度的取值方法是合理的。     

广州地铁4号线9号可动心轨道岔设计

目前,国铁在中、高速铁路上采用可动心轨道岔,由于消灭了“有害空间”,心轨处结构固有不平顺降低,利于列车运行的安全性、平稳性。对于城市轨道交通系统,采用可动心轨道岔同样具有行车平稳以及减振降噪的优点。介绍广州地铁直线电机系统用的9号可动心轨道岔线型选择及平面形式、可动心轨辙叉及其他主要结构。经道岔动力仿真计算,验证设计的合理性。     

120km/h A型地铁车辆轮轨横向低动力作用研究

根据120 km/h A型地铁车辆及实际运营线路特点,文章从车辆和轨道相互作用的角度,运用车辆-轨道耦合动力学模型及理论,借助SIMPACK动力学分析软件,分析轨道的整体刚度和阻尼、地铁车辆的悬挂参数对轮轨横向动力作用的影响规律,据此提出实现该型地铁车辆的轮轨横向低动力的措施。结果表明,合理选择轨道的整体刚度和阻尼及地铁车辆的悬挂参数,能有效地降低轮轨横向力,减少轮轨磨耗。     

列车及轨道参数对曲线钢轨波磨影响及防治措施研究

针对地铁曲线段出现的钢轨波磨问题,利用车轨动力学模型研究了转向架一系横向及纵向刚度、轮轨摩擦系数、曲线半径、超高、轨距、轨道横向及垂向支撑刚度等参数对曲线轮轨磨耗的影响,结果表明:(1)适当减小转向架一系纵向刚度可显著降低曲线段轮轨磨耗;(2)轨面摩擦系数由0.5降低至0.3,轮轨磨耗指数可降低约25%;(3)轮轨磨耗随曲线半径的减小呈指数式增长;(4)线路超高、轨距对轮轨磨耗影响较小,进而提出曲线钢轨波磨的防、治措施建议:(1)适当降低轮轨间摩擦系数、提高钢轨硬度、加宽曲线段轨距和开展曲线轨道磨耗信息化管理等措施,可缓解既有线曲线钢轨波磨;(2)优化车辆一系横向及纵向刚度、增大线路曲线半径、避免小半径"S"形曲线、设置曲线欠超高、降低轮轨间摩擦系数等措施,可对新建线路曲线钢轨波磨进行预防。     

基于随机抽样算法的道岔容许通过速度研究

研究目的:道岔侧向通过速度是影响地铁线路运输能力的重要因素,为探明地铁道岔侧向最大通过速度,以某地铁12号道岔为例,基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,结合拉丁超立方随机抽样方法,生成关键动力学参数随机样本,研究标准车轮与标准钢轨和磨耗车轮与实测钢轨匹配的轮轨接触几何特性和车辆-道岔系统动力响应,以及长期运营条件下道岔侧向容许速度。研究结论:(1)轮轨关系演变后,轮载过渡延后;(2)实测轮轨匹配下,道岔侧逆向容许通过速度比轮轨为标准设计状态时低2 km/h;(3)结合长期运营条件下轮轨实际状态,考虑车辆动力学参数的随机性,所分析的12号道岔侧向容许通过速度为55 km/h;(4)针对不同的地铁道岔,均可以通过实测轮轨型面,以及考虑车辆动力学参数的随机性的方法,探明既有道岔的侧向最大通过速度,提升地铁线路的运输能力。     

层间离缝对车辆-CRTSⅢ板式轨道系统响应影响

研究目的:CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝不仅影响轨道的动力响应,而且危及行车安全。本文以车辆及层间离缝CRTSⅢ型板式无砟轨道系统为研究对象,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立此系统动力学模型,探讨层间离缝宽度及长度对车体加速度、轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移及加速度、底座板位移及加速度等动力响应的影响规律。研究结论:(1)当层间离缝纵向长度为1. 2 m,层间离缝宽度超过1. 5 m时,上述动力响应随层间离缝宽度的增大而增大,车体加速度、轮轨力、钢轨位移及加速度增幅不大,但轨道板位移及加速度、底座板位移及加速度增幅显著,特别是轨道板位移及加速度,较正常状态最大增幅分别为121%和81. 9%;(2)层间离缝横向贯穿后,在离缝长度小于1. 2 m时,对车轨系统动力响应影响较小;在离缝长度为1. 2 m至2. 4 m时,系统各部件动力响应明显增大,当离缝扩展至轨道结构中心位置以后,系统各部件动力学响应增大更为明显,尤其是轨道板位移和加速度,较正常状态最大增幅达到18. 87倍和10. 38倍,在离缝长度等于3. 0 m时,钢轨竖向位移达到2. 45 mm,已超过规范要求限值,所以离缝长度应控制在3 m以内;(3)在层间离缝长度为4. 8 m时,车体竖向加速度达到1. 56 m/s2,已超过规范要求限值,危及列车行车安全;(4)本研究结果可为CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝养护维修工作及行车安全提供指导。     

翼轨加高值对高速列车过岔动力特性影响分析

基于岔区轮轨接触关系及轮轨系统动力学理论,以18号高速道岔可动辙叉为例,分别建立翼轨不同加高设计方案下的辙叉模型以及CRH2型车车辆模型,分析翼轨加高设计对列车过岔动力特性的影响。研究结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,轮轨接触区域开始外移,并由此造成轮对质心垂向位置的降低,引发剧烈的轮轨冲击作用;通过设置合理的翼轨加高值,可有效解决轮对质心垂向位置降低的问题,提高列车过岔平稳性及旅客乘车舒适度;翼轨最大加高值为2 mm时最佳,与无加高设计相比,翼轨加高后,列车第一轮对垂向轮轨力及减载率最大值分别降低了18.16%和35.8%、轮对和车体的垂向加速度则分别降低了48.1%和34.7%,列车垂向振动特性得到明显改善;随着列车运行速度的提高,其过岔时的轮轨动态响应也会不断加剧,鉴于翼轨加高可有效降低列车过岔时的垂向动力相互作用,合理的翼轨加高设计将对列车在岔区的提速具有重要意义。研究成果可为我国铁路线路道岔可动辙叉的结构优化设计提供理论参考。     

车轮非对称磨耗对高速车辆过岔动力学性能的影响

针对高速铁路18号道岔,分别采用迹线法、三维非赫兹滚动接触理论、车辆-道岔耦合动力学模型计算分析车轮不对称磨耗对岔区轮轨接触几何关系、轮轨接触力学行为特征、车辆直逆向过岔动力学性能的影响规律。结果表明：当尖轨、基本轨两侧车轮不对称磨耗时,会出现明显的正负锥度突变现象,轮轨法向接触应力增大;当尖轨侧车轮比基本轨侧磨耗严重时,转辙器区会出现较为明显的轮对横移现象,轮轴横向力、脱轨系数及横向Sperling指数、磨耗指数等指标均增幅明显,其中尖轨侧车轮比基本轨侧磨耗严重且为同相磨耗时,结果最为不利。     

地铁轨下胶垫参数对轨道垂向振动影响研究

以往地铁线路轨下结构研究过于简化,只考虑轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,没有综合考虑刚度和阻尼参数对轨道结构动力学性能的影响。在车辆-轨道耦合系统动力学理论基础上,运用动力学软件SIMPACK建立地铁车辆-板式无砟轨道模型,分析轨下弹性垫板刚度在30~70 MN/m,阻尼在60~80 k N·s/m范围内变化对板式无砟轨道结构动力学性能的影响。研究显示,轨下垫片刚度敏感的动力参数顺序为轨道板垂向加速度、钢轨垂向加速度、轨道板垂向位移、钢轨垂向位移和轮轨力。     

30 t轴重重载铁路高低/轨向复合不平顺管理限值分析

基于动力学理论并利用多体动力学仿真软件UM建立30 t轴重重载车辆-轨道空间耦合模型,分析高低/轨向复合不平顺波长、幅值对重载车辆动力性能的影响,确定最不利波长并提出高低/轨向复合不平顺幅值管理建议值。研究结果表明:(1)高低/轨向复合不平顺的最不利波长为10 m,波长大于40 m后,波长对动力性能影响较小;(2)高低/轨向复合不平顺中的高低不平顺成分幅值变化对轮重减载率、车体垂向加速度等指标影响显著,而轨向不平顺成分幅值变化对脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、车体横向加速度等指标影响较大;(3)仅开行重载货车的线路,高低/轨向复合不平顺偏差限值I~Ⅳ级管理标准建议分别取为4 mm/5 mm、7 mm/8 mm、10 mm/10 mm、14 mm/13 mm。     

车辆-道岔系统横向振动特性研究

就１２号可动心轨式单开提速道岔，建立了较为详细的车辆－道岔空间耦合振动模型，在此基础上模拟计算了客、货车侧向过岔时车辆与道岔系统的横向振动特性。结果表明，车辆侧向过岔将引起整个系统在横向上发生比较大的振动，尤其２是在道岔转辙区和心轨区位置。     

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。     

1 435 mm与1 000 mm轨距三线套轨铁路道岔的动力学特性

为使两种不同轨距的货车顺利通过道岔，设计了1 435 mm与1 000 mm轨距三线套轨铁路道岔。基于多体动力学理论建立车辆-套轨铁路道岔的轮轨系统空间耦合动力学模型，计算分析货车侧向通过标准轨距铁路道岔及直向通过米轨铁路道岔时的动力学响应，并研究过岔速度对动力学响应的影响。结果表明：货车侧向过岔时，车体横向加速度最大值出现在连接部分，其他动力学评价指标最大值出现在辙叉区，且不同速度下动力学响应波动较大；货车直向过岔时，各动力学评价指标最大值均出现在辙叉区；货车以45～70 km/h侧向过岔时，轮轨力、脱轨系数存在较大波动；货车以95 km/h以上速度直向过岔时，动力学响应明显增大。为使货车在满足安全限值的条件下侧向通过标准轨距铁路道岔、直向通过米轨铁路道岔，侧向过岔速度不应高于65 km/h，直向过岔速度不应高于105 km/h。     

轨道不平顺对直线电机轮轨系统动力特性影响

研究目的:基于车辆-轨道耦合动力学理论建立直线电机轮轨系统仿真模型,以多种不平顺为激励源进行动力学计算,分析竖错、扣件松脱两种确定性不平顺对直线电机轮轨交通系统动力特征的影响。结合实际的轨道不平顺管理形式,探讨谐波形式的水平、扭曲以及复合不平顺对车辆运行品质的影响提供理论依据。研究结论:(1)建议在轨道不平顺管理中采用10 m弦方法,重点控制10 m左右波长的不平顺;(2)重点检查板边及板中扣件位置处的钢轨状态;(3)重点保证板端的强度满足要求;(4)严格控制轨道板的下沉量;(5)重点控制直线电机受激扰侧的尾端气隙;(6)车体垂向振动及气隙变化对扭曲不平顺最为敏感,而复合不平顺的存在对车体的横向加速度、脱轨系数及轮重减载率指标更为不利;(7)该研究结论可用于指导线路轨道结构的养护维修工作。     

齿轨铁路设计规范编制中桥梁荷载取值研究

齿轨铁路是登山旅游轨道交通适宜的方式,国外已有多处建成实例,我国在此区域仍属空白。齿轨铁路建设需要编制设计规范,桥梁荷载取值是规范编制的重要研究环节。通过对齿轨及轮轨系统分析,大坡度齿轨荷载取值可参照现有轨道交通规范。在桥梁荷载一节,根据齿轨的大坡度以及轨道制式不同,按动态和静态状况进行比较分析,得出结论:(1)大坡度不会导致恒载、活载等产生额外的水平分力,不会对桥墩构造尺寸造成影响,但列车牵引制动力会增大,列车性能需要提高;(2)轮轨及齿轨的轨道制式不同,齿轨桥梁荷载的牵引制动力不能简单参照现行轨道交通规范中竖向力的10%～15%考虑,应大于此数值;(3)离心力与牵引制动力叠加时,不应对牵引制动力进行折减;(4)冲击系数及横向摇摆力国内研究较少,从齿轨与轮轨的异同点出发,对齿轨上可能导致参数变化的各种因素进行定性分析。     

考虑非对称轨底坡的轮轨滚动接触应力分析

研究目的:针对我国地铁线路钢轨因施工误差导致的非对称轨底坡处易出现疲劳伤损现象,利用我国地铁车辆常用的LM型面与CHN60钢轨,基于轮轨接触几何关系和Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析非对称轨底坡对轮轨接触几何参数和轮轨接触力学特性的影响,揭示引起轮轨滚动接触疲劳的原因。研究结论:(1)随着轨底坡的减小,轮轨接触点对分布趋向于轨距角一侧,接触点对分布范围变窄,且轮轨接触斑面积减小,滑动区增大;(2)横移量小于4 mm时,右轨侧1/30、1/40、1/50三种轨底坡下的最大法向接触应力相差不大,但均明显高于轨底坡为1/20的值;在5～8 mm横移量范围内时,相同横移量下轮轨接触应力随着轨底坡的减小而增大;(3)同一横移量下轮轨体内最大等效应力值随着轨底坡的减小而增大,右轨侧轨底坡从1/20减小至1/50时最大等效应力均增加了60%左右,且等效应力沿纵向分布范围变窄,沿深度方向影响范围变小,等效应力作用趋于集中;(4)轨底坡的减小引起轮轨表层接触应力增大及轮轨体内等效应力增加,可能引起轮轨材料从表层到深度领域内的疲劳破坏,缩短轮轨的使用寿命;(5)本研究成果可为我国地铁线路检测、维修及轨底坡设置等提供参考。