基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。     

地震作用下车辆-轨道-桥梁系统振动台台阵试验与列车预警速度阈值研究

针对地震作用下高速铁路桥上行车的安全性问题,设计完成车辆-轨道-桥梁大型振动台台阵缩尺模型试验,制作了1∶10车辆、轨道及桥梁结构的模型,根据缩尺模型相似定理研究了不同地震强度下列车脱轨问题,并利用数值仿真方法建立了CRH380BL高速列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,通过对比分析试验结果与数值仿真分析结果,验证了数值分析模型的可靠性。在此基础上,以行车安全性及舒适度指标作为评判标准,利用上述仿真分析模型计算得到了不同地震强度等级下各项评价指标所对应的列车运行速度临界值,并探讨了现行规范中的地震预警阈值选取问题。研究结果表明:对于静止状态下的车体模型,在地震动峰值加速度为0.25g的ALS地震波作用下,车体将会发生脱轨。随着输入地震动峰值加速度的增大,舒适度指标最先超出限值,车辆的行车安全性指标次之,脱轨系数和舒适度指标控制的速度阈值逐渐减小,轮重减载率和横向轮轨力控制的速度阈值基本不变,舒适度指标对地震激励最为敏感,脱轨系数次之,轮重减载率和横向轮轨力最不敏感。在输入地震波的峰值加速度≤50gal时,车辆运行速度临界值取决于列车舒适度指标,速度阈值为160km/h;当输入地震波的峰值加速度达到60gal时,速度阈值降为140km/h;当输入地震波的峰值加速度达到80gal时,速度阈值降至140km/h以下,出于安全考虑建议此时采取紧急停车措施。     

基于轮轨接触关系的高速道岔转辙器钢轨廓形打磨方案北大核心

为提升车辆通过高速道岔时的运行平稳性,基于迹线法建立车轮与道岔钢轨接触几何计算模型,分析车辆通过道岔转辙器时的轮轨接触点对分布特性,发现轮轨接触位置不集中和突变是降低车辆运行平稳性的主要因素。以降低接触突变幅度为原则提出转辙器钢轨廓形打磨方案,并基于轮轨接触几何模型和车辆-道岔多刚体动力学模型,对道岔钢轨打磨的效果进行研究。结果表明:钢轨廓形打磨能有效降低道岔区轮轨接触不平顺和等效锥度,利于提升车辆的运行平稳性;打磨后轮轨横向力、车体横向加速度、脱轨系数的最大值分别降低了39.5%、7.4%、41.7%,该廓形打磨方案对提升道岔服役性能效果明显。     

运营期普速铁路曲线区段异常晃车影响因素研究

为分析某运营期普速铁路160 km/h速度等级曲线区段的异常晃车问题,对晃车区段的轮轨廓形进行测量,分析了晃车区段的实测车体加速度与轨道几何不平顺数据的时频特征,进一步建立了车辆-有砟轨道耦合动力学仿真模型,采用试验研究和仿真计算相结合的方式研究了轮轨匹配特性和欠过超高状态对曲线区段车辆横向稳定性的影响。结果表明：异常晃车曲线区段车体横向加速度较大,存在明显周期性振动,车体横向加速度振动空间频率为0.024 m^-1,对应波长为42 m;晃车曲线区段内外股钢轨廓形对称性差,外股钢轨轨顶面和轨距角处磨耗更严重,与实测车轮廓形匹配时轮轨接触点在轨顶面上更为集中;与采用LM&CHN60廓形相比,采用实测轮轨廓形通过曲线时的轮对横移量更大,轮对和转向架周期性振动更明显,周期性振动空间频率为0.024 m^-1,与异常晃车频率相同;运行速度为60 km/h时的轮轴横向力显著增加,运行速度为160 km/h时的脱轨系数和轮重减载率显著增加;在曲线半径为5 000 m,超高为25 mm条件下,车辆以60 km/h和160 km/h的运行速度通过曲线时分...     

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     

基于行车安全的连续轨道桥梁抗震设计研究

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,以轨道交通中广泛使用的连续轨道桥梁为研究对象,通过建立的地震荷载作用下车—轨—桥系统动力响应分析模型,模拟了列车在不同强度和卓越频率的人工地震波作用下过桥的全过程,分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对车辆与桥梁结构动力响应的影响;采用日本关于行车安全度的评价指标(脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力)作为地震时桥上车辆运行安全的评定标准,以列车脱轨临界状态时的桥梁动力响应作为桥梁振动的限值,统计得到了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,绘制了桥梁振动限值曲线,并利用拉格朗日插值法得到曲线的数学表达式。研究结果表明,规范规定的桥梁横向位移限值有时不能满足地震作用下车辆运行安全的要求,对位于地震区的连续轨道桥梁横向振动位移限值的确定需要考虑地震动强度和频谱特性的影响。     

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.     

基于行车安全的连续轨道桥梁抗震设计研究北大核心

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,以轨道交通中广泛使用的连续轨道桥梁为研究对象,通过建立的地震荷载作用下车—轨—桥系统动力响应分析模型,模拟了列车在不同强度和卓越频率的人工地震波作用下过桥的全过程,分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对车辆与桥梁结构动力响应的影响;采用日本关于行车安全度的评价指标(脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力)作为地震时桥上车辆运行安全的评定标准,以列车脱轨临界状态时的桥梁动力响应作为桥梁振动的限值,统计得到了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,绘制了桥梁振动限值曲线,并利用拉格朗日插值法得到曲线的数学表达式。研究结果表明,规范规定的桥梁横向位移限值有时不能满足地震作用下车辆运行安全的要求,对位于地震区的连续轨道桥梁横向振动位移限值的确定需要考虑地震动强度和频谱特性的影响。     

车轮谐波磨耗对高速车辆运行安全性的影响分析

为研究车轮谐波磨耗对车辆运行安全性的影响,首先建立钢轨及路基振动的车辆-轨道-路基耦合大系统仿真模型,然后根据最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗阶数以及波深0.1 mm、0.3 mm的6种典型谐波磨耗对轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标的影响进行仿真分析研究,并依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比分析。结果表明:车辆计算的最大脱轨系数处于安全限度内,不会发生脱轨;而最大轮重减载率超过评定限值0.8,存在安全风险,同时最大轮轨横向力值也接近国际安全极限值,有安全隐患。本研究有利于评估车轮谐波磨耗对高速行驶车辆的安全影响,为车辆安全运行提供理论依据。     

高速列车通过防风过渡段的运行安全性研究

在实测风载的基础上,建立车辆多体动力学仿真模型,计算车辆通过防风过渡段的运行安全性。研究结果表明:在过渡段风载作用下,车辆的运行速度、风载的作用时间对车辆的爬轨脱轨影响较大,风载大小对车辆的倾覆脱轨影响较大;在某一固定风况下,当车辆运行速度小于等于90 km/h时车辆运行安全;当车辆以大于90 km/h的速度运行且风载的作用时间较短时,车轮轮缘未与钢轨发生贴靠,车辆安全性能指标均在限值范围内;当车辆运行速度大于90 km/h且风载作用时间较长时,车轮轮缘与钢轨发生撞击,轮轨横向力和垂向力发生突变,易出现脱轨系数超限。     

准静态下轮对脱轨安全限值研究

基于准静态下的三维轮对脱轨分析模型,推导轮对脱轨临界状态下的力学平衡方程,建立同时考虑轮轴脱轨系数和轮重减载率的轮对稳态脱轨评价方法。采用Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕滑理论充分考虑轮轨蠕滑力对轮对脱轨安全限值的影响。结果表明自旋蠕滑率对轮对脱轨安全限值与安全域影响明显,若忽略自旋蠕滑率的影响,计算得到的轮对脱轨安全限值则偏大,使脱轨安全性评价标准变宽松,对车辆脱轨的评价产生不利影响。研究摩擦系数对轮对脱轨安全限值的影响,结果表明降低轮轨间的摩擦系数对车辆脱轨安全性有利有弊,轮轨间过低的摩擦系数也可能引发车辆脱轨,在确定合理的轮轨摩擦系数时应注意权衡车轮爬轨脱轨与滑轨脱轨。     

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。     

内外钢轨摩擦因数对车辆曲线通过动力学性能的影响

利用MATLAB/SIMULINK建立了车辆曲线通过动力学仿真模型,探讨了内外钢轨摩擦因数在0.05～0.6之间变化时对轮轨横向力、磨耗功、脱轨系数等考察指标的影响.提出了合理的内外轨顶摩擦因数控制方案,可以减小轮轨磨损,提高车辆运行安全性.     

槽型轨及普通钢轨对独立轮对轻轨车辆轮轨动力特性的影响

通过建立车辆-轨道动力学模型,对槽型轨及普通钢轨条件下,车辆曲线通过时的轮轨动力响应进行了仿真计算及对比分析.对比分析表明虽然Ri60轨条件下的轮轨横向力及脱轨系数较大,但由于其断面类型决定了其具有护轨功能,对于确保车辆安全有利;Ri60轨与CHN50轨条件下的轮轨磨耗基本相当,但槽型轨有利于轨道做铺面或绿化,因此对于敷设方式以地面为主的轻轨系统,采用槽型轨较为合理.     

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%。     

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。     

轨道参数对单轴转向架曲线通过性能的影响

为研究轨道参数对单轴转向架曲线通过性能的影响,运用SIMPACK软件建立了单轴转向架车辆动力学模型,采用轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等作为评价指标,对曲线半径、超高、轨距等轨道参数进行仿真分析。结果表明:曲线半径、轨距和轨底坡对车辆运行性能的影响较为显著,随着曲线半径的增加,各项指标最大值均减小,增大曲线半径能够提高钢轨的使用寿命;曲线上设置适量欠超高能够改善运行性能,提高车辆安全性;小半径曲线上适当加宽轨距和增大轨底坡可以减小轮轨作用力,提高车辆曲线通过性能,减轻轮轨磨耗,延长钢轨使用寿命。     

日本上越新干线列车脱轨事故探究

日本新县中越地区于2004年10月23日发生里氏6.8级浅层直下型地震,地震引起线路剧烈横向晃动和上下起伏震动,导致列车脱轨。在新干线沿线加大地震早期检测预报系统布设密度,研究新的地震波检测方法以及地震预报技术和装置。研究和试验L型防脱轨护轮轨,并对鱼尾板进行加厚改造。在转向架上安装振动加速度检测仪,提高制动反应速度。在转向架轴箱下面安装反L型车辆导向装置,车辆脱轨后,导向装置会钩住钢轨,防止车辆过远偏离轨道溜逸。用厚钢板包覆桥墩、向桥裂缝灌注树脂和用碳纤维布等方法对桥梁进行加固。通过对列车脱轨事故分析和采取的对策,为我国铁路建设提供参考和借鉴。