地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度动力分析

研究目的:为研究地铁曲线尖轨道岔的不可逾越速度,本文以地铁9号曲线尖轨道岔为例,基于轮轨接触几何算法和车辆-道岔系统耦合动力学仿真计算,在综合考虑车辆侧向过岔时的安全性及平稳性的基础上确定曲线尖轨道岔的不可逾越速度,以期为列车折返能力的提高和城际轨道交通道岔的设计提供技术支持与储备。研究结论:(1)在尖轨顶宽40 mm时标准LM车轮型面与轨道接触点分布已经过渡到尖轨上,而磨耗状态LM车轮型面与钢轨的接触点分布可能在基本轨上或者尖轨上,轮载过渡位置延后;(2)车辆过岔时主要以车体横向加速度为控制指标确定不可逾越速度,因此在地铁车辆运行过程中可对车辆横向加速度进行实时监测,作为车辆运行安全性和平稳性的监测指标;(3)标准LM车轮型面时地铁9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为50 km/h,磨耗状态LM车轮型面时9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为45 km/h;(4)通过提高地铁车辆ATP顶篷速度来提高ATO速度,可缩短发车时间间隔,提高列车运行速度和对运量的储备;(5)通过对地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度的分析,可对地铁车辆运行安全性和平稳性进行监测,并针对列车行车间隔加密后可能引起折返能力不足的问题,为道岔提速研发提供理论支持。     

基于随机抽样算法的道岔容许通过速度研究

研究目的:道岔侧向通过速度是影响地铁线路运输能力的重要因素,为探明地铁道岔侧向最大通过速度,以某地铁12号道岔为例,基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,结合拉丁超立方随机抽样方法,生成关键动力学参数随机样本,研究标准车轮与标准钢轨和磨耗车轮与实测钢轨匹配的轮轨接触几何特性和车辆-道岔系统动力响应,以及长期运营条件下道岔侧向容许速度。研究结论:(1)轮轨关系演变后,轮载过渡延后;(2)实测轮轨匹配下,道岔侧逆向容许通过速度比轮轨为标准设计状态时低2 km/h;(3)结合长期运营条件下轮轨实际状态,考虑车辆动力学参数的随机性,所分析的12号道岔侧向容许通过速度为55 km/h;(4)针对不同的地铁道岔,均可以通过实测轮轨型面,以及考虑车辆动力学参数的随机性的方法,探明既有道岔的侧向最大通过速度,提升地铁线路的运输能力。     

线路条件对高速列车横向动态偏移量的影响

为研究不同线路条件对车辆横向动态偏移量的影响,从而为高速铁路限界的拟定提供理论依据,利用SIMPACK软件建立车辆一线路耦合模型,研究轨道不平顺、曲线超高对车辆最大横向动态偏移量的影响。结果表明：轨道不平顺会增大车辆的横向动态偏移量,在直线线路上车辆横向动态偏移量随列车速度的增大而增大;当列车速度为350km／h时,动态偏移量增大到22．7mm;在曲线半径为300m的线路上,轨道不平顺使动态偏移量分剐增大了10．1mm;对于相同的小半径曲线线路,列车通过速度越大,车辆横向动态偏移量越小,但会加剧欠超高。列车通过速度过低,车辆存在倾覆的危险;建议确定车辆动态限界时应考虑轨道不平顺、曲线线路超高以及列车通过速度的影响。     

地铁7号可动心轨道岔动力学仿真研究

为验证国内首组50 kg/m钢轨7号可动心轨道岔的行车安全与稳定性,针对地铁A型车、7号可动心轨道岔,基于多体动力学建立车辆-道岔耦合动力仿真模型,研究地铁车辆的动力响应。研究结果表明：(1)车辆过岔时,在尖轨与可动心轨处各动力学指标均明显增大,脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力最大分别为0.59、0.45和66.23 kN,车体加速度峰值小于0.4 m/s²;(2)车辆侧向过岔时,轮轨横向作用力显著变大,较直向过岔时增大5倍以上;(3)辙叉处无有害空间,车轮由翼轨向可动心轨过渡时不会瞬时脱空。研究成果可为7号可动心轨道岔的工程应用及结构优化提供理论基础。     

动车组侧向通过9号道岔动力特性仿真研究

采用铁路轮轨动力学仿真计算软件建立车辆—道岔耦合动力学模型,仿真分析CRH5型动车组侧向通过50kg·m-1钢轨9号道岔的行车安全性和磨耗情况,研究并提出改善高速动车组侧向通过小号码道岔安全性、轮轨磨耗的技术措施。结果表明:在不考虑现场随机不平顺的情况下,CRH5型动车组侧向通过9号道岔时脱轨系数、轮轴横向力的峰值分别达到0.52和28kN,均维持在较高的水平,而且轮轨侧面磨耗功也较大,整体上已经超过了轮轨垂直磨耗功,说明动车组通过岔区时侧磨是轮轨磨耗的主因,建议加强道岔区的养护维修工作,及时消除轨道几何超限现象;另外,通过增大车辆一系悬挂横向刚度或采用60kg·m-1钢轨9号道岔,可以有效地减少轮轨的垂直磨耗和侧面磨耗,起到减缓轮轨磨耗的效果,且后者还可以大幅度提升动车组侧向过岔的安全性。     

线路道岔轨下刚度改变对轮轨动力性能影响研究

运用车辆-轨道耦合动力学理论,通过建立轨道道岔垂向几何及刚度不平顺激扰车辆模型,模拟计算了列车与道岔线路的相互作用。详细比较了在不同速度下,道岔轨下弹性改变前后列车对道岔的动力作用性能,并进行了试验验证。结果表明:道岔轨下增加弹性以后可大大减轻列车通过道岔时轮/轨垂向相互作用,有效地改善道岔线路和车辆的动力性能,提高设备的安全和使用寿命。     

风载对高速列车蛇行运动稳定性影响

采用空气动力学和车辆动力学2种分析方法，建立考虑横风作用的高速列车空气动力学模型，分析不同风速及车速条件下列车所受的气动载荷特性变化规律；建立车辆-轨道耦合动力学模型，对高速列车在不同风速横风和轨道不平顺组合作用下头车、尾车和中间车的蛇行失稳临界速度、蛇行振动极限环幅值、蛇行振动频率、蛇行失稳特征等进行对比分析。结果表明：高速列车通过横风区段时产生的气动载荷对其蛇行失稳临界速度有明显影响，头车的蛇行临界速度较无风时明显下降，尾车及中间车的降幅次之；无风与风载工况下车辆的蛇行失稳形式存在本质区别，无风工况下车辆易发生二次蛇行，风载作用下车辆易发生一次蛇行；风载作用下，车辆发生蛇行失稳的最不利工况为较大的等效气动横向力和较大的气动升力共同作用的组合工况；风载和轨道不平顺的持续时间对车辆蛇行运动极限环振动幅值会产生影响，因此在评估高速列车在大风工况下的运行安全性时，有必要考虑实际的风载和轨道不平顺激励的大小和持续时间。     

时速250 km客运专线18号道岔辙叉结构不平顺动力学分析

利用NUCARS动力学计算软件建立了动车组车辆和客专线18号道岔的动力学模型,计算动车组通过道岔辙叉时产生的动力响应,分析目前大号码道岔辙叉结构不平顺问题。计算结果表明:客专线18号道岔辙叉结构可满足列车在正常状态下以设计速度安全通过的要求;辙叉的结构不平顺对车辆过岔的舒适性影响较小,横移、横向力值均远小于限值;轮载过渡时车轮对接续承载的钢轨垂向冲击较大,影响钢轨的使用寿命,同时使得减载率偏大,说明辙叉的安全余量较低;辙叉结构需进一步优化设计以控制其结构不平顺。     

轴箱内置式转向架高速线路适应性评估

基于轴箱内置式转向架实测参数及边界条件,建立动车组拖车动力学仿真模型。研究新车轮型面、大锥度车轮型面与60D、60N及其正负偏差钢轨型面匹配并高速通过实测线路时,车辆运行稳定性及平稳性;研究轴箱内置式转向架高速通过不同曲线线路,以及正、侧向通过18#道岔时的车辆运行安全性,并评估轴箱内置式转向架对高速线路适应性。结果表明：轴箱内置式转向架动车组以300～450 km/h运行速度通过直线线路时,脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、构架横向加速度等稳定性指标,随运行速度提升呈增大趋势,但均未超出相应标准限值,车辆平稳性指标属于优级;当动车组以不同运行速度通过不同半径曲线时,稳定性指标未超出相应标准限值,车辆平稳性指标属于优级,且轮对冲角很小;动车组以450 km/h运行速度正向通过18#道岔、以90 km/h运行速度侧向通过18#道岔时,稳定性指标未超出相应标准限值;动车组通过实测三级轨道水平不平顺时,稳定性指标未超出相应标准限值,车辆的垂、横向平稳性指标属于优级。因此,轴箱内置式转向架动车组在400 km/h运行速度范围内,能够适应京沪高铁线路运行。     

地铁12号道岔线形优化设计研究

研究目的:为提高地铁12号道岔的侧向通过能力,本文基于质点运动基本参数法提出4种平面线形设计方案,建立地铁车辆道岔耦合动力学模型,对比分析地铁道岔既有方案和优化方案下车辆-道岔系统的动态相互作用特性。研究结论:(1)地铁道岔直线段尖轨长度、转辙角、导曲线半径是影响侧向通过能力的主要因素,既有方案的导曲线半径较小,是限制其侧向通过能力的主要原因;(2)较大的导曲线半径一方面能够提高车辆侧向通过道岔的能力,另一方面则会增大道岔长度,不符合城市地铁发展的要求;(3)推荐使用方案一提高道岔侧向通过能力,方案一导曲线半径为400 m,道岔全长37.8 m,该方案能够提升道岔侧向通过能力且不会增大道岔长度;(4)本研究成果能够为提升地铁道岔侧向通过能力提供依据。     

基于轮轨动力学的缓和曲线型道岔平面线型设计

为了给缓和曲线型道岔选取合适的平面线型,满足良好的行车性能并提高侧向允许通过速度,基于轮轨动力学建立车辆-道岔动力耦合模型,以42号道岔为例计算不同线型方案下轮轨系统动力响应,且分析各评价指标与列车速度间关系。研究结果表明:道岔侧股后缓和曲线的使用可保证列车中高速通过的安全性和平稳性,增加曲线半径或加设前缓和曲线可降低轮轨系统振动剧烈程度;列车侧向通过速度越高,轮轨系统振动越显著,42号道岔侧股圆曲线半径增加500 m,可使其侧向允许通过速度提高10 km/h,缓圆缓型道岔可进一步提升。     

不足位移对高速道岔动力特性的影响

为揭示道岔不足位移对高速行车的影响,根据高速道岔、列车的结构特点、力学特性和相互作用关系,建立车辆-道岔耦合动力学模型,并以高速列车直向350km/h、侧向80km/h通过350km/h客运专线18号无砟道岔为例,分析不同不足位移情形下车辆和道岔的动力学特性。结果表明:尖轨、心轨不足位移对列车动轮载、钢轨动应力影响较小,对轮缘力、车体横向加速度、轮重减载率、脱轨系数影响较大;不足位移会严重影响高速列车直、侧向过岔的舒适性及安全性,影响高速道岔正常工作状态;牵引转换设计时,应严格控制道岔尖轨、心轨不足位移。     

地铁9号道岔侧向通过速度提升可行性研究

为提高地铁9号道岔侧向过岔能力,提出将9号道岔侧向通过速度提升至50 km/h,为此设计了5种道岔平面线型方案。基于车辆-道岔耦合动力学理论,分析不同的道岔平面线型方案对地铁车辆运行平稳性、安全性的影响。经方案比选可得:地铁9号道岔尖轨采用相离半切线型,尖轨尖端理论厚度增加至2 mm,尖轨冲击角取0.014 1 ~ 0.015 3 rad,既可提高尖轨的整体耐磨性,也可保证过岔较好的乘坐舒适性;导曲线半径采用350 m,有利于降低列车经过导曲线时未被平衡的离心加速度,提高列车过岔舒适性。     

曲线轨道不平顺对车辆动力响应影响仿真研究

研究目的:本文旨在通过现场实测和仿真计算研究曲线轨道不平顺对车辆动力特性的影响。首先,利用轨检车实测数据对我国提速线路轨道不平顺与车辆振动加速度之间的关系等进行了统计分析及相关分析,对武九线曲线段的轨道谱也进行了初步估计。其次,采用动力学仿真软件Adams/Rail建立车辆-轨道动力学模型,并以实测数据作为验证手段,分析了轨道不平顺类型、幅值和波长对车辆运行平稳性和安全性的影响,提出了对行车运行有不利影响的不平顺波长范围。研究结论:高低不平顺对列车垂向振动影响显著,轨向不平顺对列车垂向、横向振动均有显著影响,当列车以110 km/h运行时,为了避免列车在不平顺激励下产生共振,应该对2.5 m、3.72 m、20 m和28 m波长的轨道不平顺进行控制。     

车轮磨耗对高速车辆侧向过岔动力学性能的影响

高速列车在长期运营过程中，车轮将发生随里程增加而不断增大的磨耗，为探究车轮磨耗对车辆侧向通过道岔时的动力学性能的影响，建立高速车辆-道岔耦合动力学模型，在综合考虑不同磨耗程度的车轮对转辙器区钢轨接触几何影响的基础上，研究具有不同磨耗程度车轮的高速车辆侧向通过道岔时对高速车辆动力学性能的影响。研究表明：随着车轮磨耗程度增加，高速车辆侧向过岔时的轮对运动姿态和车辆动力学性能发生较大变化，车轮运营里程达到20万km后，轮轨横向力较标准车轮型面减小了42%,车体横向振动加速度较标准车轮型面减小了16%,脱轨系数较标准车轮型面减小了38%;车轮发生磨耗后，车辆系统的动力学性能、行车安全性和舒适性均有一定程度改善。     

重载机车横向稳定性仿真研究

采用多体系统动力学软件SIMPACK建立了某型重载货运电力机车动力学模型,首先用初始激励法以AAR5、AAR4和AAR3轨道不平顺作为初始激扰,得到该机车的蛇行临界速度;然后,基于澳大利亚AS7509.1标准和UIC 518标准,分析了该机车不同轨道不平顺下的安全运行速度。结果表明,该机车横向稳定性满足各种线路运行要求,随着轨道不平顺的加剧,机车的安全运行速度有一定的下降,横向性能变差;横向稳定性分析中,可以根据不同线路状况采用不同的仿真方法。     

高速道岔车辆动力学指标研究与过岔计算

高速道岔是高速线路中的重要组成设备,拥有比区间线路更加复杂的结构,岔区结构不平顺使车辆过岔时存在较大的轮轨冲击,威胁车辆过岔安全。为选取合理的评价指标对车辆过岔性能进行评价,总结了国内外动力学标准对车辆过岔指标的相关规定,从平稳性、稳定性和安全性三方面对车辆过岔动力学评价指标进行对比分析。选取适用于岔区的动力学评价指标,以高速动车组直向和侧向通过18号道岔时动力学性能为例进行计算分析,计算结果表明:车辆过岔动力学性能均在道岔动力学评价指标内,车辆过岔性能满足动力学指标要求。在进一步的道岔动力学仿真研究中,应理论与试验相结合,制定更为完善的岔区动力学评价指标。     

轨道不平顺作用下动车组安全运行速度限值研究

为研究无砟轨道轨向和高低不平顺对车辆-轨道耦合系统的动态影响,确定各不平顺值下的限速标准,分别建立CRH2A型车和CRH5型车计算模型。通过3σ原理将不平顺样本的10 m弦测值拟合为正态分布,取其μ±3σ的值为该样本不平顺值。计算不同速度等级、不同程度高低和轨向不平顺值时,两种车型的动力响应。研究结果表明:多数工况下CRH5型车所确定的不平顺限值小于CRH2A型车,说明CRH2A型车动力学性能更优;轨向不平顺主要引起车辆横向扰动,高低不平顺主要引起车辆垂向扰动,说明某方向上的不平顺激励主要对同方向造成扰动;列车对于横向的激励较垂向激励更为敏感,因此轨向不平顺限值通常要小于高低不平顺限值;计算得到各动态不平顺值对应的限制速度,利用轨道动静态几何不平顺之间的关系转化得到各速度等级下轨道静态几何尺寸容许偏差管理值,对规范内容有一定的补充。     

大兴国际机场线列车运行安全性及平稳性分析

北京大兴国际机场线的设计速度高达160 km/h,采用CRH6型市域列车,相较于传统的地铁线路,对轨道结构的力学稳定性要求更高。介绍了新机场线轨道设计方案及特点,认为应通过轨道结构动力学、车体动力学及行车安全性三大类指标对列车运行的安全性及平稳性进行预测;提出了相关车辆和轨道结构动力学参数的选取原则及具体限值要求,并通过建立车辆、轨道及下部基础的动力学耦合有限元模型,分别计算桥梁和隧道及路基地段(列车速度在120~180 km/h情况下)钢轨与道床的纵横向加速度、位移,轮轨力、车辆的水平及垂向加速度,以及脱轨系数、轮重减载率等数据。研究表明,采用了特殊设计后,轨道结构各动力学指标均位于安全限值之内且安全余量较大。     

200km/h提速线路轨道不平顺对车辆横向振动影响分析

轨道不平顺是列车振动的主要激扰源,其状态直接关系到列车运行的平稳性、安全性和舒适性,也是限制列车最高运行速度的主要因素之一。本文基于轨检车现场实测数据,对我国提速线路轨道不平顺、列车振动加速度进行了统计分析及相关分析,并探讨了线路轨道不平顺对列车横向动力特性的影响。结果表明:提速线路轨道不平顺幅值服从正态分布;轨向不平顺对列车横向振动有显著影响;当列车以200 km/h的速度运行时,为了避免列车在不平顺激励下产生共振,应该对40 m波长的轨道不平顺进行控制。