桥隧过渡段高速列车行车抗风安全分析

列车由隧道驶上桥梁时会承受突变的风荷载,列车的响应发生突变,导致列车的行车安全受到威胁. 以某客运专线桥隧过渡段为研究背景,通过计算流体动力学 （CFD） 数值模拟和车桥耦合振动分析,计算了CRH3型列车通过桥隧过渡段时受到的气动力及车辆响应;对比分析了头车、中间车及尾车的气动力及列车响应,研究了大风攻角对列车气动力及行车响应的影响,探讨了最不利的安全指标. 研究结果表明:越靠近车头的车体,气动力突变与列车响应越大;相比0° 攻角,正风攻角对行车相对有利,+7° 的风攻角下列车受到的气动阻力和力矩减小了约10%;负风攻角会增大列车的气动力突变效应和行车响应,?7° 风攻角下列车受到的气动阻力和力矩增加了约10%;风速在22.5 m/s以下时,CRH3列车能够以200 km/h的车速安全通过桥隧过渡段;20 m/s风速时,车速在325 km/h以下时列车能够安全通过桥隧过渡段;随着车速与风速的增加,轮轴横向力是首先超限的安全性指标.      

曲线工况下跨座式单轨走行轮侧偏刚度对轮胎磨损的影响

基于车辆轮胎磨损理论, 研究了走行轮侧偏刚度对走行轮侧偏力和导向轮、稳定轮径向力的影响, 分析了单轨车辆曲线运行时, 走行轮摩擦功随轮胎侧偏刚度的变化趋势。分析结果表明: 受导向轮、稳定轮径向力影响, 随着走行轮侧偏刚度增加, 走行轮侧偏力逐渐增大; 当走行轮侧偏刚度处于1¹20kN·rad^-1范围时, 走行轮侧偏力与侧偏角处于线性范围, 侧偏角呈现微量变化; 当侧偏刚度超过120kN·rad^-1时, 侧偏角迅速增大, 进入非线性区域。基于轮胎磨损指标, 随着走行轮侧偏刚度增加, 走行轮磨损量以1.2%的速率增加。走行轮侧偏刚度还将影响车辆曲线通过性, 过小的侧偏刚度不利于形成摇头力矩, 通过性能变差。在保证车辆良好通过性前提下, 尽量减小走行轮磨损, 其侧偏刚度设计值推荐为9.37kN·rad^-1。     

6号对称道岔脱轨机理及影响因素

编组场内使用的主型6号对称道岔发生多起脱轨事故,其安全问题一致未得到有效解决.为探索脱轨原因、提出合理应对措施,首先基于准静态轮轨接触理论分析道岔区轮轨接触特征,进而建立车辆-道岔耦合动力学模型,以车轮动态抬升量为评价指标分析车辆、轨道、道岔结构参数对爬轨性能的影响特性.结果表明:轮缘贴靠尖轨尖端时接触角仅为53°,脱...     

轮轨系统的现状与展望

总结了现有传统钢轮钢轨式轮轨系统的工程问题、研究现状和工程处理方法; 分析了钢轨波磨和车轮不圆的形成和发展机理,对困扰高铁的踏面凹磨问题提出了创新性治理设想; 拟通过轮轨系统的廓形设计-磨损评价-磨损治理的系统化革新思路,获得既安全又经济的线路条件个性最优化方案; 总结和展望了目前轮轨系统的打磨和镟轮,讨论了轮轨系统的检测方法; 提出了避免过度检测的新思路,并预测了轮轨系统的未来发展前景。分析结果表明：钢轨波磨和车轮失圆的机理都出于轮轨系统的参激振动与切向轮轨磨损的耦合,在交变正压力和切向磨损同相位作用下,使凸起区域的磨损低于凹下区域的磨损; 高铁的凹磨问题是轮轨在高速直线上和超大半径曲线上,轮轨处于非常微小的横向扰动,又在非常平顺的线路下发生镶嵌磨损,即轮轨接触部分廓形发生相互拷贝式磨损; 低速城轨系统轮缘侧面磨损是由于在较小曲线半径上运行时,在较大的横向蠕滑作用下引起轮缘的导向作用而为,其踏面不易发生凹磨; 钢轨和道岔的各种病害与轴重和冲击载荷有关,其疲劳破坏以局部应力过大下的低周疲劳为主; 随着车辆速度和轴重的提高,轮轨系统仅在车辆侧和轨道侧进行优化已达到极限,只有相互联合优化才能深入发掘潜力,继续维持轮轨交通的应用价值。     

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°.     

不同攻角下扁平箱梁颤振机理

静风效应产生的附加风攻角对大跨度桥梁的颤振性能有着重要的影响,因此研究不同风攻角下主梁的颤振机理有重要意义.以扁平箱梁为研究对象,基于不同攻角下的颤振导数,采用双模态耦合解法掌握了颤振性能,继而通过分析气动阻尼、相位差和气动力幅值的变化研究了颤振机理.研究结果表明:在0°和3°攻角下,非耦合气动力为扁平箱梁断面提供了较大的正阻尼,颤振临界风速较高;在5°攻角下,非耦合气动力产生的正阻尼显著减小,使得耦合气动力产生的负阻尼迅速增加,导致颤振临界风速显著降低;耦合运动相位角增大是大攻角下气动负阻尼增加的主要原因,耦合气动力振幅则对颤振风速没有影响;此颤振机理表明大攻角下扁平箱梁颤振性能的弱化是由耦合效应增大引起,而非扭转运动产生的气动负阻尼引起.      

山区单悬臂廊桥结构抖振响应及等效风荷载

为研究山区风环境下悬挑式人行桥梁抖振响应及风荷载,以某单悬臂观景廊桥为背景,通过风洞试验对结构的静力三分力系数以及不同风参数下的抖振响应进行了测量,并将结构横桥向最大等效风荷载规范计算值与试验值进行比较. 结果表明:山体地形对结构三分力系数及抖振响应影响较大,二者最大值均未出现在常规风向角;结构抖振响应随风速的增大而增大,受小幅风攻角的影响较小;横向抖振响应受一定程度紊流度变化的影响不敏感,但竖向及扭转响应整体随紊流度的增加呈明显增大趋势,在紊流度增大约40%的情况下二者均增大15%左右;竖向抖振响应随紊流积分尺度的增大（增幅约20%）而增大,增幅在9%左右,但积分尺度对横向抖振响应几乎无影响,对扭转响应的影响随风攻角的不同有较大差异,随着积分尺度的增大,3° 攻角下扭转响应增幅约为8%,0° 攻角其受积分尺度的变化影响较小;相比横桥向最大等效风荷载试验值,利用桥梁规范计算的结果偏于保守,静阵风系数的取值有待修正.      

角接触球轴承微动磨损行为

为了解载荷、摆动角度和循环次数对角接触球轴承微动磨损行为的影响,用自制的轴承微动试验装置对角接触球轴承QJ208在干态下进行了3种摆角(0.88°、1.21°和1.54°)、4种轴向载荷(2.5、5.0、10.0和20.0 kN)、2种循环次数(2和12万次)的摆动微动试验,在此基础上,对轴承磨痕进行分析.结果表明:外圈上微动磨损随载荷增大而减缓,随摆角增大而加重,随循环次数的增加,其磨损增幅趋缓;在摆角为0.88°时,磨损机制以疲劳磨损为主,在摆角为1.54°时,则以磨粒磨损为主;在同一钢球接触处,外圈上的磨痕比内圈上的磨痕严重.     

动车低速脱轨的动态响应

在动车轴箱下方安装防护装置, 进行线路低速脱轨试验。车辆借助脱轨器完成脱轨, 利用应变片、加速度和位移传感器采集脱轨车辆的动态响应, 采用高速摄像仪和视频摄像仪分别记录了脱轨车辆的运动姿态。基于试验数据, 评估了脱轨条件下钢轨抗倾翻能力, 验证了脱轨安全防护装置的性能, 分析了动车脱轨后的动态响应和脱轨速度、车辆质量和线路对动态响应的影响。试验结果表明: 当动车低速脱轨时, 防护装置撞击钢轨的最大横向力为177.18kN, 小于钢轨横向抵抗力510.00kN, 因此, 脱轨安全防护装置可以扣住钢轨外侧, 有效限制脱轨车辆的横向移动。车辆的脱轨过程分为惰行、轨上运动、落地和路基滑行4个阶段, 各阶段的动态响应均随脱轨速度和车辆质量的增大而增大。当动车脱轨速度为22km·h^-1时, CRTSⅡ型双块式无砟轨道的脱轨距离约为15.80m, CRTSⅠ型板式无砟轨道的脱轨距离约为20.87m, 因此, CRTSⅡ型双块式无砟轨道的轨枕可以起到减速带的作用, 减小脱轨距离。     

钢轨侧面磨耗因子

木文基于轮轨滑动和钢轨侧磨机理,推导出了钢轨一次磨耗量同轮轨横向力、冲角等的关系式, 给出了各种情况下建议采用的磨耗因子,引用了有关试验结果验证了部分理论推导。      

科隆蛋扣件区段钢轨吸振器抑制钢轨波磨的机理

开展了重庆地铁1号线钢轨波磨的现场调研,建立了科隆蛋扣件小半径曲线区段车辆-轨道系统的动力学模型,研究了导向轮对通过该区段时的动力学特性;基于轮轨系统摩擦自激振动理论建立了相应区段轮对-钢轨-吸振器系统的有限元模型,应用复特征值法和瞬时动态法研究了钢轨波磨的形成机理和钢轨吸振器的抑制机理;采用控制变量法探究了钢轨吸振器连接参数和安装方式对钢轨波磨的影响规律。研究结果表明：科隆蛋扣件小半径曲线区段导向轮对与钢轨间的蠕滑力趋于饱和,容易引起轮轨系统发生频率为477.65 Hz的摩擦自激振动,从而导致低轨表面形成30~40 mm的钢轨波磨;安装钢轨吸振器能有效降低轮轨系统对应频率下的摩擦自激振动,进而抑制科隆蛋扣件小半径曲线区段钢轨波磨的产生;在一定范围内增大钢轨吸振器的连接刚度和连接阻尼,或改变钢轨吸振器的安装方式均有助于减小轮轨系统的摩擦自激振动,从而抑制波磨的产生和发展;当钢轨吸振器横向连接刚度和阻尼分别为60 MN·m^-1和50 kN·s·m^-1,纵向连接刚度和阻尼分别为60 MN·m^-1和50 kN·s·m^-1,垂向连接刚度和阻尼分别为120 MN·m^-1和100 kN·s·m^-1,并且钢轨吸振器连续安装在钢轨轨腰两侧,轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性最小。     

黄土地层锁脚锚管横向地基反力系数

以马兰组黄土地层锁脚锚管为例,开展了锁脚锚管的模拟加载试验,反算了锁脚锚管横向地基反力系数的比例系数,研究了横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向荷载和位移的变化规律,分析了锁脚锚管打设角度对横向地基反力系数的影响;拟合了横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向位移变化的回归方程,确定了横向地基反力系数的比例系数的上下限,通过插值计算了0°~30°范围内任意角度打设的锁脚锚管的横向地基反力系数的比例系数。分析结果表明：在加载初期,随着锁脚锚管端部竖向荷载和位移的增大,锁脚锚管周围黄土处于不断压密阶段,横向地基反力系数的比例系数迅速增大;当锁脚锚管周围黄土进入渐进破坏阶段后,横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向荷载和位移的增大不断减小;相对于0°打设的锁脚锚管,以30°打设的锁脚锚管的横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向荷载和位移的变化幅值明显减小;在进行马兰组黄土地层隧道锁脚锚管设计计算中,直径为51 mm的锁脚锚管采用0°~30°打设时,横向地基反力系数的比例系数的取值范围为66.9~296·1 MN·m^-4;单根直径51 mm的锁脚锚管能承受的竖向荷载为8.63~11.87 kN。     

4种车轮材料与U71Mn热轧钢轨匹配特性

为研究车轮材料对轮轨匹配行为的影响,在MMS-2A型轮轨磨损试验机上模拟研究了U71Mn热轧钢轨和4种不同车轮材料的摩擦磨损行为.采用电子分析天平测量试样磨损量,采用SEM对试样进行微观分析.结果表明:随着车轮含碳量升高,车轮硬度升高,车轮的磨损量逐渐降低,而与之匹配的钢轨磨损量逐渐升高;轮轨试样的磨痕粗糙程度与磨损程度相关,磨损越严重,磨痕越粗糙;轮轨试样的硬度比决定轮轨试样的磨损机制,轮轨硬度比较低时,主要以磨粒磨损为主,磨损最严重,当轮轨硬度比继续升高,主要以疲劳磨损为主,磨损降低,当轮轨硬度比接近1.1时,轮轨氧化达到最严重,主要以氧化磨损为主.      

道岔区轮轨系统空间耦合振动模型及其应用

基于道岔结构主要特点，并将其理想化，建立了道岔区内轮轨相互作用的空间耦合振动模型，以我国１２号提速道岔为例，分析了可动心轨式道岔与固定辙叉式道岔动力性能的差别，探讨了客货车对可动心轨道岔的适应性以及尖轨冲击角对轮轨间横向动力作用的影响。     

一系纵向定位间隙对磁流变耦合轮对车辆横向动力学性能的影响

为了合理控制车辆轮对定位间隙, 提高磁流变耦合轮对车辆在高速时的横向动力学性能, 建立该车辆的空间动力学模型, 分析了轮对纵向定位间隙对车辆临界速度和曲线通过性能的影响。得出了纵向定位间隙的增大能使磁流变耦合轮对车辆的临界速度急剧下降, 轮对横移量和冲角、轮轨横向力和车体横移加速度快速增大; 只有在小间隙的条件下, 车辆在高速铁路上才具有较高的临界速度和较好的曲线通过性能。     

机车牵引工况下车轮磨耗研究

以某正在运行的C0-C0轴式电力机车为研究对象, 考虑了机车传动系统的影响, 基于Archard磨耗模型, 建立了电力机车的车轮磨耗计算模型, 研究了恒速与起动工况下车轮的磨耗, 根据某实际线路计算车轮磨耗, 并与实测数据进行对比, 研究了机车正常运行过程中出现的轮缘非正常磨耗。分析结果表明: 当车辆恒速运行2.6×10⁵ km, 牵引力由40kN增大到120kN和由120kN增大到200kN时, 磨耗分别增加了0.74、1.74mm, 因此, 随着牵引力增大磨耗急剧增加; 机车起动过程中增加牵引力可以获得更大的加速度, 随着牵引力增大, 蠕滑率明显增大, 因此, 增加牵引力可节约运行时间, 但同时会产生更大磨耗; 通过与车轮磨耗实测数据对比, 车轮磨耗计算模型较为准确, 在踏面处仿真计算结果与实测结果具有很好的一致性; 由于车轮磨耗计算模型未考虑材料的塑性流动与道岔的影响, 在轮缘处的仿真结果与实测结果有一定的差异; 降低二位轮对横动量和轨侧润滑能够大幅降低车轮磨耗, 当二位轮对横动量由15mm降低为10mm时, 二位轮对累积磨耗降低了15.4%;轨侧润滑后一~三位轮对最大累积磨耗分别降低了13.40%、21.32%、6.46%。     

考虑尖轨变截面廓形的轮轨接触与磨耗分析

为研究尖轨变截面对曲尖轨轮轨接触行为和磨耗分布的影响,提出了一种适用于道岔区的三维非对称接触几何算法,该算法可计算车轮与曲尖轨间的真实法向间隙.使用SIMPACK建立车辆-道岔多体动力学模型,获得仿真结果;利用考虑变截面的接触模型与英国谢菲尔大学提出的USFD磨耗模型计算曲尖轨磨耗.研究结果表明：1）以S1002CN车轮与12号道岔曲尖轨为例,轮对摇头角与尖轨变截面均会引起轮轨法向间隙沿接触斑纵向非对称分布,从而导致接触斑形状与应力沿接触斑纵向非对称分布;当摇头角为10 mrad,横移量为7.5 mm时,本文算法得到的接触斑面积比未考虑尖轨变截面和摇头角的简化算法所得结果大9.2%. 2）以CRH3型车与12号曲尖轨道岔为研究对象,简化算法得到的最大磨耗深度为本文算法所得结果的0.75倍.     

地铁钢轨波磨对车辆和轨道动态行为的影响

采用钢轨波磨测量仪测量了钢轨波磨特征, 采用加速度和位移传感器测量了钢轨打磨前后车辆和轨道零部件的振动加速度, 分析了钢轨波磨对车辆和轨道零部件振动的影响, 建立了车辆-轨道耦合动力学模型, 研究了钢轨波磨对轮轨相互作用力的影响, 确定了钢轨打磨限值。研究结果表明: 钢轨波磨主波长为30~40 mm, 次波长为16 mm; 钢轨轨头和弹条在650~800 Hz的振动和轴箱在670~800 Hz的振动与30~40 mm波长对应的车辆通过振动行为一致, 因此, 短波钢轨波磨导致地铁车辆和轨道零部件振动过大, 是车辆一系钢弹簧和轨道扣件弹条疲劳断裂的主要原因; 钢轨打磨可以有效解决疲劳断裂问题, 打磨前钢轨轨头、弹条、轨枕和道床振动加速度均方根分别为243.4、309.3、17.1、2.6 m·s^-2, 打磨后振动加速度均方根下降为51.5、8.8、1.5、0.5 m·s^-2; 轮轨垂向力和横向力均对钢轨波磨波长非常敏感, 当钢轨波磨波深为0.1 mm时, 35、80 mm波长对应的轮轨垂向力分别为307、109 kN, 横向力分别为56、25 kN; 当车辆运营速度为90~120 km·h^-1时, 根据轮重减载率限值标准, 35 mm波长钢轨波磨波深为0.05~0.08 mm, 根据轮轨垂向力限值标准, 35 mm波长钢轨波磨波深为0.03~0.06 mm, 建议30~40 mm短波钢轨波磨波深达到0.05 mm时进行打磨处理。     

重载货车车轮磨耗与动力学性能演变

基于多体动力学软件SIMPACK建立了考虑车轮磨耗过程的车辆动力学模型, 编制了自动实现轮轨迭代计算程序, 并将车辆动力学模型、轮轨接触模型、轮轨磨耗模型、轮轨外形更新及运行工况统一组织在动力学软件中。采用内嵌SIMPACK软件的子程序进行动力学计算和磨耗过程的工况和数据组织, 采用FASTSim算法进行车辆动力学计算, 采用Contact算法进行磨耗计算, 并构成在线自动磨耗计算循环, 无需外部程序的协同仿真和数据交互。基于C80B型敞车在大秦线的运行环境, 研究了车轮磨耗和车辆动力学性能在车辆运用过程中的演变。研究结果表明: 车轮踏面磨耗深度和车轮全断面磨耗面积均与运行里程呈近似线性关系, 每1.0×10~5 km的车轮磨耗深度和磨耗面积分别约为1.68mm和100.63mm2;随着车辆运行里程的增加, 车轮磨耗与车辆动力学性能也随之恶化, 车辆运行2.5×10~5 km后, 车辆横向运行平稳性从新车工况下的优级下降为良级, 脱轨系数、轮重减载率与曲线通过轮轴横向力等车辆运行安全性指标均较新车状态增大50%以上。     

车轮材料对轮轨滚动摩擦磨损行为的影响

为了使轮轨材料更好地匹配,降低轮轨磨损与损伤,利用MMS-2A滚动磨损试验机,研究了3种不同含碳量车轮材料与U71Mn热轧钢轨干态对磨时滚动摩擦磨损与损伤性能.结果表明:车轮材料变化基本不影响轮轨滚动摩擦因数,其摩擦因数保持在0.4左右;随车轮材料碳含量增加,车轮磨损量呈线性下降趋势,钢轨磨损量呈线性增加趋势,总轮轨磨损量呈降低趋势;不同车轮材料与U71Mn热轧钢轨对磨时的磨痕表面形貌具有较大差异,当碳含量为0.57时,车轮损伤以剥落损伤为主,试样塑性变形相对轻微,随车轮硬度降低(碳含量为0.51),表面剥落损伤轻微,但塑性变形严重;对磨钢轨试样以粘着和剥落磨损为主.