正面斜碰撞下列车脱轨行为与机理研究

随着列车提速和高速化发展,列车运行安全性和可靠性保障要求愈发受到关注和重视。尽管列车具有一系列主动安全保障措施,但如果发生意外碰撞脱轨事故,将造成灾难性后果和巨大经济损失。为进一步揭示列车碰撞脱轨机理、提升列车碰撞被动安全性能,建立包含车体、转向架、悬挂系统及缓冲吸能装置的三编组列车碰撞有限元模型,考虑材料、几何和接触等典型的碰撞动力学非线性特征,仿真模拟正面斜碰刚性墙引起的车体结构动态响应与列车脱轨行为,讨论列车碰撞速度(36,50和72 km/h)、碰撞角度(30°～65°)和轮轨摩擦因数(0.1,0.2,0.3,0.4)等关键参量对列车碰撞脱轨行为的影响规律与机理。研究结果表明,车体头部界面碰撞力通过悬挂系统传递至轮对,引起轮轨纵向、横向和垂向接触力剧烈振荡,导致头车前、后转向架轮对均以爬轨/侧滚组合的形式脱离轨道,且轮轨横向力随着列车碰撞速度的增大显著增加;头车碰撞界面横向力随着碰撞角度的增大呈现先增大后减小的趋势,而纵向及垂向界面碰撞力均随着碰撞角度的增大而增大;较高的轮轨摩擦因数容易引起列车碰撞过程中车轮跳轨,但会抑制车轮爬轨行为。研究结果可为列车碰撞被动安全设计与脱轨防护...     

能量吸收方案对列车碰撞响应的影响

为了研究列车头车司机室吸能装置的行程、界面力及中间车钩缓冲装置的界面力对列车碰撞响应的影响,建立了列车碰撞纵向多体动力学模型,以2列完全相同的8节编组列车碰撞工况为例,对配置不同能量吸收方案的列车碰撞动态响应进行了分析和对比。研究结果表明:头车司机室吸能装置的行程存在最优值,在不超过最优值的前提下增加其行程可以减小碰撞后期各车辆的加速度;增加司机室吸能装置的界面力会使中间车辆加速度显著增大;同步减小各中间车钩缓冲装置界面力,会使中间车辆加速度增大;以递减式与向内递减式减小中间车钩缓冲装置界面力可以增加中间车端吸能量;递增式增大中间车钩缓冲装置界面力会增加司机室端部吸能量。     

列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型建模与研究

为研究列车碰撞响应机理,基于多体动力学方法,建立包括轨道子系统、轮轨关系子系统、车钩缓冲器-防爬器子系统以及车辆子系统的列车纵向-垂向平面碰撞动力学模型。轨道子系统中将钢轨假设为离散点支撑的Timoshenko梁;轮轨关系子系统考虑了大蠕滑情况下轮轨切向力的计算;钩缓-防爬器子系统中考虑了车钩和防爬器转动以及动态因素对吸能特性的影响;车辆子系统中考虑了车端点头运动和吸能变形模式以及悬挂系统的非线性特性影响。采用显示数值积分方法,编制了该耦合系统的动力学仿真程序,并进行时域求解。将数值求解结果与有限元仿真和试验结果进行比较,验证了列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型的正确性。论文研究成果为进一步研究车辆主要结构参数对碰撞性能的影响规律、改善列车碰撞动力学行为以及新型耐撞性车辆设计提供了理论依据和仿真手段。     

自由编组地铁车辆钩缓装置配置特性研究

为研究地铁列车在不同编组条件下各界面的能量吸收特性,以某地铁公司的车辆为平台,建立4辆、6辆、8辆3种不同列车编组的有限元碰撞模型以及钩缓装置的备选库,通过LS-DYNA碰撞仿真分析软件,结合不同碰撞速度和不同编组数量,验证列车各界面的吸能情况,分析不同编组列车在碰撞过程中的能量耗散特性。在采用不同的编组模式时,选用不同的钩缓装置搭配来完成车辆的吸能配置,既可提高自由切换编组形式列车钩缓系统的搭配效率,又可减少备品种类以节约开支。     

国外有轨电车小半径曲线轮轨动力学及减磨优化分析

结合埃塞俄比亚有轨电车项目,基于低地板有轨电车结构特性和轮轨关系建立对应的非线性嵌入式轨道车线耦合动力学模型,计算不同曲线半径、轮轨摩擦系数、车辆轮重、车辆通过速度等参数对钢轨磨耗的影响规律。结果表明:车辆通过总重和通过速度与轮轨动态响应及磨耗呈正相关,随着通过总重和速度的增大,轮轨磨耗显著增加;随着摩擦系数增大,横向力减小但磨耗增大;适当增大曲线半径能够有效改善轮轨接触状态,优化列车通过曲线的性能。     

基于柔性单元的一维列车碰撞模型及参数校正

在传统弹簧质量模型的基础上,提出一种基于非线性杆元的列车碰撞过程中车体简化建模方法,并给出车体简化单元的参数校正方法,进行非线性杆元的刚度、阻尼参数识别,完成车体纵向力学特性表征。研究不同校正指标和不同算法对车体等效参数的影响,基于简化车体建立了用于纵向响应预测的一维四编组列车碰撞模型,并进行36 km/h四编组列车碰撞工况下一维模型和三维列车模型结果的对比验证。结果表明:校正指标中考虑车体自身响应可以得到较好的参数校正结果,在简化的一维列车碰撞模型中增加柔性杆元表征车体在受到冲击时的纵向力学行为,大幅降低求解机时,同时显著提高一维模型在编组列车碰撞响应预测准确度,可用于列车能量配置与管理的参数化研究。     

单车级初始运行状态对地铁列车碰撞响应影响的仿真分析

以某市域地铁列车为研究对象,研究单车级初始运行状态对列车碰撞响应的影响。建立了动力学仿真模型,提取列车运行过程中4种典型的几何姿态,分析了不同单车级初始状态对列车碰撞响应的影响规律及发生机理;提出了一种抑制列车碰撞过程中爬车和侧翻的车间防爬防偏吸能装置。研究表明：单车级状态差异通过钩缓装置的正反馈机制和传递机制的作用影响列车的碰撞响应,但对列车纵向响应基本无影响,对横向响应的影响大于垂向响应;单车垂向初始状态仅影响邻近车辆的响应,而横向初始状态对列车整体响应的影响都比较显著;评价列车脱轨风险时应同时考虑车体的姿态响应和轮对抬升量;通过设置车间防爬防偏吸能装置,可以有效改善列车碰撞稳定性。     

地铁列车连挂碰撞仿真及吸能特性分析

为研究地铁列车冲击碰撞情景和吸能元件特性,依据列车动力学理论,用动力学软件对地铁列车冲击碰撞工况进行了仿真计算,模拟了缓冲器、压溃管和防爬吸能装置等吸能元件在冲击中的力学特性。以某型地铁车辆为例,计算了几类常见冲击工况,并研究了轮轨摩擦系数和车钩接触刚度对列车冲击碰撞过程的影响。     

钢轨波磨区段高速轮轨瞬态滚动接触高频动态特性

考虑轨道—车辆系统耦合振动以及轮轨几何非线性,建立高速轮轨瞬态滚动接触三维有限元模型,利用隐式与显式相结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动接触过程,轮轨接触采用面—面接触算法。基于列车通过频率和钢轨Pinned-Pinned频率,分析非稳态载荷作用下钢轨短波波磨区段轮轨间相互作用以及列车通过频率对波磨区段轨道—车辆系统动态响应的影响。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨瞬态接触力和牵引比随钢轨波磨几何不平顺的变化呈周期性波动,且牵引比与钢轨波磨几何不平顺呈反相位;当列车通过频率与钢轨PinnedPinned频率相近时引起轮轨系统共振,轮轨接触力出现"拍"振特性,在轨枕附近整体振动较大,加速钢轨扣件伤损,而在2个轨枕跨间整体振动较小;在牵引扭矩作用下,轮轨接触存在周期性黏滑振动,轮轨系统共振时,轨枕附近波磨波谷处的钢轨滑动磨损加剧,加速钢轨波磨的发展。     

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。     

钩缓装置碰撞及坡道救援仿真动力学性能分析

以某城轨车辆用车钩缓冲装置为例,介绍了其结构组成,通过动力学仿真计算软件,建立了多编组列车模型,并进行列车的碰撞及坡道救援仿真分析,最终得到了车钩缓冲装置在碰撞及坡道救援过程中的作用力、缓冲器变形量及其变化规律。计算结果表明在碰撞过程中,碰撞连挂面的车钩力及缓冲器变形量最大,沿列车纵向向两端面不断减小,车钩缓冲器、压溃管、防爬器依次逐级吸收冲击能量;在坡道救援工况中,制动速度对车钩缓冲装置的动力学性能基本无影响,增加车辆载重,其制动过程中车钩作用力变大,缓冲器行程增大。     

轮轨关系对脱轨影响的仿真研究

根据徐州南津浦线７次货物列车脱轨的特点，测量了脱轨点附近地段和未换轨地段钢轨断面以及被试车Ｃ６２Ｂ车轮踏面，建立了两种钢轨与Ｃ６２Ｂ车辆轮轨接触关系，应用轮轨耦合模型进行了仿真计算，对直线段车辆蛇行特征和安全指标与轴位、新旧钢轨、速度及摩擦系数的关系等进行了分析，与试验结果相比，具有较好的一致性，并揭示了试验中未能说明的一些问题。     

制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应分析

为研究制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应问题,建立车辆子系统模型和无砟轨道-桥梁子系统模型。根据高速列车制动减速度特性曲线确定列车制动力,利用Hertz理论求解轮轨力,通过交叉迭代法求解有限元数值方程。以4节编组的CRH2型动车组在桥上无砟轨道制动为例,进行系统动力响应分析。研究结果表明:轨道、桥梁结构的纵竖向位移和加速度均逐层递减,梁端处轨道结构的竖向振动比跨中处大;列车制动过程中列车速度逐渐减小引起轨道结构的竖向动力响应也减小;列车停车后,轨道结构和桥梁的纵向位移反向突变、纵向加速度突变,随后都有自由衰减的趋势;列车停车瞬间,列车和桥梁出现纵向最大振动。研究成果可为桥上无砟轨道的设计提供理论支持。     

轮轨干摩擦下的轮对横向自激振动机理

从轮轨间干燥接触情况出发,建立具有2个自由度的轮轨干摩擦下弹性定位轮对横向自激振动模型,并采用摩擦系数—蠕滑速度经验公式描述轮轨之间干摩擦力与蠕滑率的关系,进而从能量的角度研究轮对横向自激振动的形成机理。研究表明:轮轨系统中由蠕滑速度主导的反馈机制是产生轮对横向自激振动必不可少的条件;引发轮对横向自激振动的能量来自列车向前运动的一部分能量,并由摩擦力中的刚度力通过轮轨纵、横向蠕滑率的调节作用被输入到轮对中;轮对横向自激振动的稳定性取决于轮轨系统等效阻尼耗散的能量和摩擦力中刚度力输入的能量,轮轨摩擦力做功的正负将影响轮轨系统的稳定性。     

一种用于模拟车辆冲击试验的铁路货车纵向连接模型

考虑车辆及其零部件的纵向力传递细节,提出一种新的用于模拟车辆冲击试验的铁路货车纵向连接模型;其中,在钩缓组成子模型中考虑缓冲器各摩擦部件之间的几何和力学关系,在车体与转向架连接子模型中考虑上、下心盘之间的黏着、滑动和碰撞行为,还通过在车体结构虚拟体之间加入虚拟弹簧以模拟车体自身的结构变形。基于所建立的模型,采用MATLAB软件编制车辆纵向冲击动力学计算程序,并以C80型运煤专用敞车为例仿真计算车辆的纵向冲击响应。与现场试验结果对比表明:仿真结果与现场试验结果基本一致,说明提出的货车纵向连接模型贴近车辆的实际运用状态;利用该模型不仅可以研究各车辆之间的纵向振动问题,还可以研究车体与转向架之间的纵向振动和车体结构纵向变形等问题,拓展了列车纵向动力学研究的应用领域。     

复杂轨面接触条件下轮轨动态相互作用研究

表面接触状态对轮轨摩擦系数和黏着特性影响显著。基于车辆—轨道耦合动力学理论,建立了考虑轮轨防空转控制的重载列车—轨道耦合动力学模型。利用该数值模型分析了接触状态对轮轨动态相互作用的影响,系统地对比研究了不同防空转控制策略对轮轨黏着性能的影响。分析结果表明：轨面接触状态和防空转控制阈值对轮轨法向相互作用及黏着特性影响显著;相比于定阈值的PID轮轨防空转控制,当采用最优转矩控制策略时牵引效率更高。     

轮轨异常磨耗对车辆动力学的影响及限值研究

轮轨异常磨耗对列车的平稳和安全运行造成极大的影响。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立刚柔耦合动力学模型。分别以谐波函数、余弦函数形式将车轮多边形、钢轨波磨进行表达,仿真研究了列车车轮踏面存在车轮多边形,轨道表面出现钢轨波磨两者都具备的轮轨异常磨耗对车辆动力学响应,提出了关于车轮多边形的安全限值,为列车、钢轨运营维护提供了技术支持。     

碰撞脱轨事故下高速列车横向限位装置动力学特性及结构强度研究

基于试验和仿真分析对横向限位装置在列车碰撞事故下的动力学响应特性以及结构强度进行研究.仿真与试验结果表明:横向限位装置结构可靠且能够对列车碰撞脱轨事故进行防治.建立动力学仿真模型对横向限位装置的工作模式进行分析,在碰撞引起脱轨的过程中横向限位装置可以有效地分担轮轨横向力并制止车轮的爬轨趋势.通过有限元分析对该装置的结构...     

大秦线2万t重载组合列车车钩受力分析及应用研究

在大秦线2万t重载组合列车中部从控机车车钩和车辆车钩受力测试试验的基础上,对大量试验数据进行分析,发现2万t重载组合列车中部从控机车车钩纵向力、横向力与车钩偏转角的关系,以及车辆间车钩受力的规律,提出解决中部从控机车轮轨横向力和减小车钩损耗的措施。     

时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（一）——水介质条件下黏着特性

300～400 km·h^-1速度范围内高速列车在湿轨条件下的制动黏着行为特点尚不清楚,制约着时速400 km高速列车制动黏着的有效利用。针对这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,研究高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性,提出基于高速轮轨关系试验台的轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性试验方法,探究100～400 km·h^-1速度范围内轮轨接触界面为中等粗糙度水平(Ra为0.4～0.6μm)且有水介质条件下纵向蠕滑率为0～30%时的制动黏着特性。结果表明：在纵向蠕滑率从0.5%增至5%～8%过程中,黏着力系数出现了减小的现象,此阶段不利于黏着的利用;纵向蠕滑率增至一定数值后(一般为5%～8%),若继续增加,则出现黏着力系数再上升的现象;试验速度为200 km·h^-1时,当纵向蠕滑率增至27%时出现黏着力系数上升的第2个峰,在纵向蠕滑率从30%开始减小过程中黏着力系数出现“卸载峰”;试验速度在300～400 km·h-1范围内,当纵向蠕滑率增至15%左右时出现黏着力系数上升的第2个峰,此处黏着力系数约为第1个峰时的2倍;加...