动车组不落轮车床等效锥度及车轮多边形检测功能的设计与实现

国外对于高速列车车轮等效锥度及车轮多边形的研究可以追溯到上个世纪80年代,而我国的高速铁路起步仅仅不到十年的历程,但对于高速铁路轮轨关系的研究却不仅仅停留在借鉴国外的经验。文中就是通过对我国众多专家的不断研究和跟踪测试的深度分析,设计并实现了可以在全路动车组不落轮车床上使用的一整套专门针对车轮等效锥度和多边形的检测程序及配套硬件,以满足我国高速铁路动车组运行品质需求。     

高速动车组车轮踏面修形器的试验与应用研究

基于台架试验就踏面修形器对车轮多边形的抑制效果进行了试验与应用研究,验证了特殊材质的踏面修形器对高速动车组车轮多边形具有较好的抑制效果,同时可以减缓踏面等效锥度的增长,延长车轮旋修周期。     

轮轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响研究

为分析车轮和钢轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响,在北京地铁6号线选取典型车辆和区段分别开展了车轮踏面外形和钢轨廓形测试,并在Simpack软件中建立地铁B型车拖车动力学仿真模型。研究结果表明:车轮磨耗存在偏磨现象,且轮缘磨耗严重;等效锥度与车轮磨耗正相关,随着车轮磨耗的增大而增大,与钢轨磨耗负相关,随着钢轨磨耗的增大而减小;等效锥度小于0.07时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而增大;等效锥度大于0.5时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而减小;等效锥度在0.08~0.12时,车辆的非线性临界速度最高,其稳定性裕度最大。     

CRH_(3C)型动车组薄轮缘车轮外形设计与运用

对京津城际铁路CRH3C型动车组车轮磨耗、车辆振动性能进行长期跟踪试验研究。研究发现部分动车组车轮镟修后车体横向失稳,而镟修后车轮外形等效锥度过小是车体失稳的主要原因。通过理论分析与试验研究,确定新的系列薄轮缘车轮形面设计原则为:提高轮轨等效锥度;统一轮缘高度;高次曲线连接轮缘根部与踏面外形。通过仿真计算、试镟修与线路运用考核薄轮缘车轮外形。仿真计算和线路测试结果表明:京津城际铁路CRH3C型动车组车轮采用该系列薄轮缘外形镟修后,轮轨等效锥度为0.17,动车组车体失稳现象消失,构架稳定性和运行平稳性均满足标准要求,直径镟修量控制在2mm以内。     

基于动车组横向稳定性的等效锥度限值研究

轮轨接触几何匹配关系直接影响动车组的振动性能,轮轨接触不匹配可造成动车组构架横向加速度报警、车体晃车等问题。通过对镟修后初始等效锥度和车体晃车进行研究,提出镟修后初始等效锥度限值,评价镟修质量。通过对服役动车组等效锥度的跟踪、镟修到限等效锥度分布范围与报警轮对等效锥度值的统计,提出LMA、LMB、LMC、LMD型4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值,评估动车组横向稳定性。根据等效锥度限值对车轮进行管理可以控制轮轨型面与接触关系,有效缓解构架横向加速度报警与车体晃车问题,实现车轮状态修,提高镟修经济性。     

轮轨接触几何非线性对车辆动力学性能的影响

为探究轮轨接触几何非线性与车辆动力学性能的关系,提出一种新的轮轨接触几何非线性参数,即复合等效锥度,讨论伴随车轮磨耗增加,复合等效锥度对车辆动力学性能的影响。以线性等效锥度为基础,通过不同轮对横移量对应的接触宽度差值占比对线性等效锥度进行加权,得到复合等效锥度。实测磨耗车轮型面,对比随运营里程增加不同轮轨接触几何参数的变化规律。基于UM建立车辆动力学模型,讨论轨道不平顺激励下复合等效锥度与车轮磨耗之间的关系以及对车辆动力学性能的影响。研究结果表明：复合等效锥度考虑了轮轨接触几何状态变化,计算时不受轮对大位移时局部磨耗的影响,可以更真实地反映轮轨接触的非线性状态。与等效锥度相比,中低不平顺激励下复合等效锥度对轨道不平顺的大小更敏感。复合等效锥度与车辆动力学性能之间存在明确的对应关系。随着复合等效锥度增加,车辆稳定性下降。当复合等效锥度超过0.29后,车辆动力学性能指标的变化趋于稳定。通过复合等效锥度,可对线路不平顺等级和车辆动力学性能进行评估,对轨道车辆设计与维护有一定指导意义。     

基于实测钢轨廓形的轮轨匹配等效锥度对比研究

为了系统对比我国高速铁路轮轨型面匹配特性,在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条高速铁路选择典型地面测点和16列动车组车轮进行为期2年的现场测试。分别应用LMA、S1002CN、LMB-10和XP55车轮踏面与不同线路钢轨实测廓形匹配,分析不同钢轨廓形对等效锥度的影响。基于实测钢轨廓形和车轮踏面廓形开展轮轨匹配等效锥度计算,对比分析3种主型平台动车组车轮踏面与不同线路钢轨廓形匹配的等效锥度差异,描绘出主型平台动车组镟轮初期和镟轮末期的等效锥度变化范围,并提出下一步轮轨型面匹配研究的重点方向,不断探寻最优的轮轨匹配空间,为不同线路控制合理的轮轨匹配状态提供支撑。     

基于实测轮轨廓形匹配的服役动车组等效锥度修正方法研究

轮轨匹配等效锥度对于保障动车组的运行安全性和舒适性至关重要。在车轮旋修体制由计划性预防修向视情旋修优化过程中,要充分考虑等效锥度等关键影响因素的运用标准及对应的执行策略问题。针对部分车型正向设计提出的基于服役状态下实测轮轨廓形匹配等效锥度的要求,文中研究提出了一种服役状态下动车组等效锥度运用标准的修正方法。通过构建有效的服役轮廓数据库,并与标准轮轨廓形匹配的等效锥度进行对比计算,可得到不同轮廓所对应的修正值累积概率分布曲线,在此基础上结合现场需求,通过分步实施对现有检测手段得到的等效锥度结果予以修正,结合相关运用标准决策车轮旋修。此方法为车轮视情旋修运用标准的落地提供了可靠的方法和数据支撑。     

等效锥度对120km/h地铁车辆横向稳定性影响研究

基于目前120 km/h B型地铁车辆在实际运营中出现车轮等效锥度较大的情况,借助Simpack动力学仿真软件,建立车辆多体动力学模型,还原了目前车辆在实际运营中车轮磨耗后出现的异常振动。仿真发现,车辆在车轮等效锥度为0.5时,车体存在因转向架蛇行造成的5.5 Hz振动频率和因车体上心滚摆模态被轨道不平顺激发造成的2.5 Hz振动频率,因此造成车体横向平稳性指标过大。通过对悬挂参数分析发现,适当增大一系横向定位刚度可有效降低车轮等效锥度较大时的车辆横向平稳性指标。     

构架报警动车组运行稳定性的线路试验研究

服役动车组多次出现构架失稳报警。为评估报警时的运行安全,制定对应措施,组织了专项试验,采用轮轨力的试验方法研究构架报警时的运行稳定性和横向稳定性问题。通过将报警车轮制作成测力轮对,测试构架报警时的轮轨作用力和振动特性;通过建立仿真模型,开展计算分析,结合线路测试数据统计,综合分析构架横向失稳时的列车运行安全性。通过长期跟踪动车组车轮踏面磨耗状态,分析轮轨等效锥度与构架报警关系,提出了根据轮轨等效锥度实施动态旋修,减少构架报警的措施;结果显示:动车组构架报警时,列车有一定的安全裕量;在线路条件不变的情况下,轮轨等效锥度超过0.35mm后易出现构架报警,根据轮轨等效锥度可以评估服役动车组的横向稳定性,根据轮轨等效锥度实施动态旋修可有效减少构架报警。     

武广客专动车组车轮磨耗及振动性能跟踪研究

通过对武广客专动车组车轮踏面和车辆振动性能的长期跟踪测试,得到车轮踏面磨耗、等效锥度和振动性能随运行里程的变化规律.将等效锥度作为评估车轮踏面磨耗程度的参数,探讨了车轮踏面磨耗对振动性能的影响.最后通过对比武广客专动车组降速前后车轮磨耗和车辆振动数据的差异,分析了速度下降对车辆振动性能和车轮磨耗的影响.结果显示,车轮踏面磨耗量随运行里程增加逐步增大,运行里程大于15万km后,车轮踏面磨耗速度呈逐渐增大趋势;武广客专两种不同踏面外形的主要磨耗区域基本相同,但最大磨耗位置不同;轮轨等效锥度不仅可以评估车轮踏面磨耗程度,还直接影响构架横向失稳的频率、幅值;其他条件不变的情况下,速度的调整对车轮踏面磨耗和振动性能影响显著.     

CRH5型动车组车体异常抖动原因分析及对策

针对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线CRH5型动车组车体异常抖动的情况,调查了异常抖动的车辆状态和抖车区段的线路情况,计算分析了轮轨匹配等效锥度和轮轨接触几何关系。结果表明:随着车辆运行里程增加,车轮踏面凹形磨耗越来越严重,加之钢轨廓形打磨不到位使得轨距角凸出,致使轮轨匹配等效锥度达0.3以上,轮轨接触几何关系不良,车体出现6～8 Hz的高频振动。通过车轮镟修和钢轨打磨可有效降低轮轨匹配等效锥度,改善轮轨接触几何关系,解决动车组异常抖动的问题。     

基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究

在对京沪高铁开展轮轨型面跟踪测试的基础上,分析LM_A和LM_B车轮型面分别与60D钢轨型面匹配时的轮轨磨耗特征;利用数值仿真手段,研究磨耗后不同轮轨型面匹配组合下的轮轨接触范围与钢轨光带宽度和等效锥度的关联性;通过分析钢轨光带宽度与等效锥度的关联性,结合名义等效锥度限值,研究避免高速动车组运行过程中出现典型异常振动问题的钢轨接触光带合理范围。结果表明:高速铁路的钢轨磨耗远小于车轮磨耗;直线区段钢轨磨耗主要分布于钢轨顶弧中心附近,轮轨接触宽度与钢轨光带宽度相对应;钢轨光带宽度与轮轨匹配名义等效锥度正相关,钢轨光带宽度小于20 mm时易出现动车组车体晃车、大于45 mm时易出现动车组转向架横向振动加速度报警。     

我国高速铁路轮轨关系相关技术探讨

结合我国高速铁路车辆运用实践及试验数据,探讨高速铁路轮轨关系发展中的相关技术。研究高速铁路晃车、横向加速度报警的影响因素,指出车辆晃车与横向加速度报警具有对立统一性,并提出轮轨匹配等效锥度是诱发车辆横向加速度报警的主要原因;阐述高速铁路钢轨波磨及动车组车轮多边形发展的特点及影响因素,初步指出造成钢轨波磨与动车组车轮多边形的原因是轮轨系统不良而诱发的耦合振动,二者具有明显的相生相伴特征;针对目前轮轨关系存在的技术问题,建议开展线路条件下的轮轨关系服役技术研究;为维持良好的轮轨关系,应充分结合动车组运用状态、线路运用状态以及动车组运营组织特点,制定合理的车轮镟修及线路打磨策略。     

我国典型高速铁路轮轨型面变化规律及匹配特性

为系统掌握我国高速铁路轮轨型面变化及匹配特性,在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条典型高速铁路上,选择172个钢轨型面测点和6列动车组的384个车轮,进行为期2 a的现场测试。基于实测数据,应用数理统计方法分析钢轨和车轮的磨耗特性,并使用实测钢轨型面进行1个镟轮周期内的轮轨匹配等效锥度分析。结果表明:高速铁路曲线半径大于2 495 m时,直线和曲线钢轨磨耗速率基本相当;对于年通过总重小于11 Mt的线路,钢轨垂直磨耗不足0.01 mm;曲线半径小于800 m的钢轨磨耗速率明显增大;哈大线、兰新线和丹大线的动车组车轮踏面磨耗较大,踏面平均磨耗速率约为0.05～0.06 mm·(万km)~(-1),而京沪线、武广线和贵广线约为0.03～0.035 mm·(万km)~(-1);车轮磨耗范围较小时,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大而增大,车轮磨耗范围较宽时,轮轨接触点分布均匀,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大没有明显的增大趋势。     

基于钢轨模态振动的车轮高阶多边形研究

基于线路动力学试验数据,分析了具有高阶规则车轮多边形磨耗车辆转向架各部件振动水平及振动传递关系,给出车轮多边形磨耗引起转向架异常振动典型的频率特征和多边形振动对相邻车轮的影响。基于铁木辛柯梁理论及传递矩阵法,推导转向架对钢轨作用时两轮对范围内钢轨模态振动方程,分析了钢轨模态振动特性,讨论了边界条件与温度对钢轨模态振动的影响。分析了引起车轮多边形化的振动频率的来源,利用哈大线、武广线的枕跨距离计算得到钢轨第三阶垂向弯曲主频分别与各自车轮多边形振动频率重合,为车轮多边形机理分析提供支撑。     

车轮高阶不圆对轮对蛇行运动和等效锥度的影响

根据自由轮对蛇行运动特征,推导出与轮对横移、摇头相关的3个一阶微分方程。该方程得到的蛇行运动与二阶微分方程(与轮对横移相关)得到的结果一致,同时结合Klingel公式也得到一致的等效锥度曲线。分析国内4种轮轨匹配在不同速度下的等效锥度、蛇行波长和蛇行频率,给出轮对横移3mm下自由轮对蛇行频率数表,得到自由轮对蛇行波长不随运行速度变化的特性。根据实测的车轮踏面名义滚动圆处圆周方向不圆曲线,得到车轮高阶不圆度。将其代入轮对蛇行运动公式中,得到车轮高阶不圆下轮对蛇行运动特征。结果表明,车轮在0.1mm径跳20阶高阶不圆下对轮对纵向速度和摇头角速度影响明显,对轮对横移量和摇头角度影响不明显。因此,对自由轮对蛇行频率和等效锥度影响也不明显。     

基于钢轨模态振动的车轮高阶多边形频率特性研究

基于线路动力学试验数据,分析具有高阶规则车轮多边形磨耗车辆转向架各部件振动水平及振动传递关系,给出车轮多边形磨耗引起转向架异常振动典型的频率特征,分析车轮多边形磨耗对车辆动力学性能的影响。基于铁木辛柯梁理论及传递矩阵法,推导转向架作用下两轮对范围内钢轨模态振动方程,分析其模态振动特性,为探寻车轮多边形磨耗产生机理提供支撑。讨论支承刚度对钢轨模态振动主频的影响,为工务部门维护轨道规避特定频率提供参考及依据。     

车轮多边形磨耗对车辆-轨道动态相互作用的影响

为确保时速400 km下列车安全平稳运行，车辆部件正常使用，以车辆-轨道耦合动力学为理论基础，将车轮多边形磨耗考虑为轨道不平顺激励，针对单阶主导的车轮多边形形式，分析了车轮多边形阶数、幅值对车辆-轨道动态相互作用的影响规律；基于轮轨垂向力170 kN的限值要求，给出了时速400 km行车条件下车轮多边形阶数、幅值组合的安全限值。结果表明：随着车轮多边形阶数增加，轮轨垂向力逐渐出现高频波动，且阶数越高，波动频次越高，波动幅值越大；车轮多边形幅值越大，对轮轨动态相互作用的影响越明显；相比无多边形的正常车轮工况，轮对垂向振动加速度增幅总体上随车轮多边形阶数增大而增大；车轮多边形对车体和构架影响不大。     

不落轮旋修工艺对初始车轮多边形的影响研究

针对动车组车轮非圆化及不落轮旋床驱动轮偏心等情况,基于Solidworks Motion模块建立车轮旋修仿真模型,研究分析旋床驱动轮的偏心形式、偏心量和进刀次数对初始20阶多边形车轮旋修质量的影响。仿真结果表明,旋床驱动轮偏心是造成车轮4阶多边形的主要原因,偏心量越大对应车轮4阶多边形幅值越大,且同相偏心对4阶多边形的影响更为严重。旋修产生的车轮4阶多边形无法通过多次进刀获得缓解。旋床驱动轮偏心形式对车轮20阶多边形的旋修效果影响不大,但驱动轮偏心量将直接影响旋修质量,多次进刀可以有效控制20阶多边形的旋修效果。本文的研究工作将为完善不落轮旋修操作规程提供理论参考。