轨道随机不平顺对高速铁路列车运行性能影响分析

轨道几何不平顺不仅是列车动力响应的主要原因,也是列车运行安全性和平稳性的重要因素。基于SIMPACK多体动力学仿真软件,分析4种基本随机不平顺对高速列车直线运行性能和曲线运行性能的影响,对比不同激励类型下列车的安全性和平稳性指标,并推导出最不利影响激励和线路位置,为现场控制基本轨道不平顺,制定轨道养护维修和不平顺管理标准提供理论依据。分析结果表明:方向和高低随机不平顺分别对列车的横向加速度以及垂向加速度影响较大,轨距随机不平顺对曲线地段列车脱轨系数作用最大,方向随机不平顺对列车在直线和第二段缓和曲线处脱轨系数影响较大,同时在两段缓和曲线处轮重减载率也急剧增大,水平随机不平顺对两个缓和曲线地段处列车的脱轨系数影响较大。     

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。     

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。     

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。     

大型铁路养护车自行与附挂动力学差异性试验研究

针对传统认为大型铁路养护车车辆自行与附挂动力学相当的问题,以轨道除雪车为例,开展自行和附挂动力学试验研究,以判定能否提高其自行速度。结果表明:车辆附挂时的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力较大值与自行时相当,2种状态下的较大值分别出现在25~80 km/h和15~70 km/h速度区段;车体在附挂时的横向和垂向振动加速度最大值低于自行时,自行时的车体垂向振动加速度最大值达11.28 m/s~2且超过6.87 m/s~2的限度值,超限点均发生在速度高于110 km/h时;附挂和自行时,车体平稳性指标相当且均属优级。     

轮对结构弹性对高速动车曲线通过性能的影响

为了研究轮对扭转、弯曲和伞形特征模态对车辆曲线通过性能的影响,将轮对分别视为刚性体和弹性体,建立了车辆—轨道系统动力学模型。根据UIC518,采用轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率评定车辆曲线通过性能。研究结果表明:轮对一阶弯曲模态对车辆曲线通过性能的影响最大,轮对模态特征频率降低使车辆曲线通过性能指标值增大。将轮对考虑为弹性体,轮对一阶扭转模态、一阶对称和反对称弯曲模态的特征频率分别为46 Hz、62 Hz和128 Hz时,导向轮对的轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率与刚性轮对模型的结果的比值为1.010、1.167、1.241和1.033。轮对结构弹性对轮轴横向力和脱轨系数的影响较大。     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

竖曲线参数对200km/h速度等级机车动力学性能的影响

文章利用多体动力学软件SIMPACK建立了200 km/h速度等级机车动力学模型,分析了两种形式竖曲线的半径对垂向加速度、轮轨垂向力和轮重减载率的影响,并且根据现行铁道机车车辆动力学性能评定规范加以评价。结果表明:随着竖曲线半径的增大,车体垂向加速度逐渐减小,并趋于平稳,竖曲线半径对轮轨垂向力和轮重减载率影响较小;考虑轨道随机不平顺时,根据车体垂向加速度判断,凸形竖曲线略好于凹形竖曲线;随着半径的变化,机车轮轨垂向力和轮重减载率变化不大,且均属优良范围。     

神朔线三机集中牵引单元万吨列车条件下线桥适应性试验研究

采用三机集中(以下简称3+0)牵引单元万吨列车与分散牵引相比可显著提高站场作业效率。通过在神朔线选取小半径曲线和长大坡道的轨道结构和典型桥梁,试验研究了在神华号机车3+0牵引万吨列车条件下线桥动力性能。结果表明:实测轨道结构的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等安全参数和钢轨横向位移、轨距扩大量等轨道结构稳定性参数均在安全限值和允许范围内;梁体横向和竖向动力响应满足规定要求;与运营货车相比,线桥各参数实测值无明显变大,可以常态化开行集中牵引单元万吨列车,但须对小半径曲线(曲线半径≤500 m)、连续曲线及长大坡道地段的线桥状态加以监测。     

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。     

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。     

地震作用下基于场地条件的高速列车行车安全性

针对地震作用下高速列车行车安全性问题,基于多体动力学理论,采用多体动力学软件SIMPACK建立高速铁路车辆模型。采用日本实测地震数据,以脱轨系数、动态轮重减载率、轮轴横向力作为安全性评价指标,从车辆动态行为角度分析不同场地条件下列车速度、横向加速度峰值、垂-横向峰值加速度比对列车行车安全性的影响。研究结果表明:地震作用下列车行驶速度、横向加速度峰值、场地条件对列车行车安全性有显著影响;列车在Ⅲ类场地上行车安全性最差,而在Ⅰ类场地上最好;垂-横向峰值加速度比超过0.67以后,垂向激励对列车行车安全性有显著影响。建议高速铁路地震报警阈值的选取应基于场地条件,且应考虑近场地震作用下垂向激励的影响。     

高速铁路邻近车站曲线最小半径研究

为了分析研究高速铁路邻近车站曲线最小半径对列车运行安全性与舒适性的影响,运用Simpack软件建立列车-线路动力学仿真模型。从动力学角度分析不同曲线半径对通过列车和停站列车的安全性和舒适性的影响。研究发现:通过列车经过车站邻近曲线时的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、列车平稳性指标大于停站车通过车站临近曲线时的相应指标;停站列车通过距离车站较远的圆缓点的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、平稳性指标能够满足运行安全性与舒适性需求,考虑富余量,停站列车速度采用通过曲中时的车速是合适的。     

时速400km高速铁路曲线超高研究

通过理论分析对时速400 km铁路线路最大曲线超高、欠超高以及最小曲线半径进行了研究,并建立列车通过高速铁路曲线地段动力学仿真计算模型,对不同工况下高速列车动力学各项安全性和平稳性指标进行计算分析。结果表明:时速400 km高速铁路最大曲线超高、欠超高、过超高、欠过超高之和、最大曲线超高与欠(过)超高之和等参数可以采用既有350 km/h高速铁路规范规定值;高速列车以400 km/h速度通过7 500,8 500,9 000 m半径曲线时,脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等各项安全性指标均在限值以内;从平稳性方面考虑,高低速列车不共线运行时,对时速400 km高速铁路推荐最小曲线半径为9 000 m,一般条件下8 500 m,困难条件下7 500 m;高低速列车共线运行时,为了满足高低速匹配要求,推荐最小曲线半径为8 500 m。     

地震作用下高速铁路列车走行性三项指标分析

研究目的:为了研究地震作用下列车运行的安全性,利用多体动力学原理建立动力平衡方程,将地震激励与轨道不平顺激励视为车辆的外荷载,采用MATLAB编程分别计算不同地震作用下地震峰值加速度一定时,列车走行性三项指标(轮重减载率、脱轨系数、横向力)随车速的变化规律,车速一定时地震峰值加速度对三项指标的影响,并比较不同地震动对各项指标的影响程度。研究结论:(1)将地震动调幅至0. 1g,不同地震动作用下轮重减载率在车速大于250 km/h均超过规定限值;(2)控制车速为100 km/h,在CHY004波作用下地震峰值加速度的增大均使得三项指标突增;(3)不同地震动作用对三项指标的影响有较大差异,车速为300 km/h时,横向力在调幅0. 2g的CHY004波作用下是TAFT波的4. 89倍;(4)本研究成果可为地震作用下的高速列车走行安全提供一定参考。     

基于RAMS的高速铁路轨道平顺状态综合评价体系研究

结合轨道不平顺和车辆动态响应的特征量,基于可靠性、可用性、可维修性和安全性(RAMS)理论,提出高速铁路轨道平顺状态综合评价体系.采用轨道几何不平顺幅值、轨道质量指数(TQI)、轨道几何复合不平顺指标、车体加速度幅值、广义能量指数(GEI)评价轨道平顺状态的可用性.利用带通滤波后轴箱加速度有效值的峰值因子评价道岔、焊接接头、伸缩调接器等轨道短波结构在冲击载荷作用下的可靠性.采用脱轨系数、减载率、轮轴横向力、构架横向加速度的连续多波大值和轨道几何不平顺Ⅲ、Ⅳ级大值指标评价轨道平顺性对车辆安全性的影响.根据分析诊断结果动态掌握轨道平顺状态,并通过状态修减少修复时间,提高轨道平顺的可维修性.该评价体系在联调联试和日常检测中已经开始应用,并发挥了重要作用.     

3万吨重载列车作用下小半径曲线段轨道结构横向稳定性分析

建立了朔黄铁路3万吨C80重载列车纵向动力学模型、机车和车辆动力学模型及轨道结构有限元模型，分析了重载列车通过小半径曲线段时最大车钩力分布、车辆运行安全性以及轨道结构横向稳定性。结果表明：3万吨重载列车最大压钩力一般大于拉钩力，压钩力最大值主要出现于第二个万吨编组的前部和第三个万吨编组的中部；3万吨重载列车作用下压钩力、拉钩力、轮轴横向力、轨排横向位移的最大值分别为1 205.00、1 062.10、83.88 kN和1.22 mm，均小于安全限值，满足列车运行安全和轨道结构横向稳定性要求；通信故障情况下脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轨排横向位移均大于正常通信情况下，且其最大值均出现于半径400 m曲线段。     

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。     

时速160 km城市轨道交通内置式泵房板式道床动力特性分析

北京轨道交通新机场线在部分区间隧道的最低点设置了内置式泵房板式道床。为了保证时速160 km市域列车在动荷载作用下轨道结构的安全性和可靠性,建立了车辆-轨道-隧道三维耦合动力分析模型,计算分析100~220 km/h共7种行车速度下内置式泵房板式道床的动力特性。提取道床振动评价指标(垂向位移、垂向加速度)、道床强度评价指标(纵横向拉应力)、行车平稳性评价指标(车体垂向、横向加速度)和行车安全性评价指标(轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率)与规范允许值进行对比。计算结果表明,各动力学评价指标均随行车速度的增大而增加,各动力学评价指标均在规范允许值之内,并且有较大的安全余量。     

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。