高速列车驱动车轴动态特性分析

将车轮和轴箱分别简化为集中质量和转动惯量, 用连续弹性Timoshenko梁模拟变截面车轴, 建立弹性轮对与轨道耦合垂向动力学模型, 分析车轴动态刚度与轮轨作用力、车轴自身振动特性和车轴动应力的相互关系。发现: 轮对的一阶和二阶固有频率分别由76.34Hz和130.03Hz降低到53.68Hz和100.02Hz, 车轴的一阶模态振动加速度和弹性振动位移分别增加60.12%和92.21%, 轮轨动作用力增加6.23%, 车轴轮座内侧和轴颈危险截面的动应力分别增加39.30%和34.13%。分析结果表明: 轮轨动作用力和车轴的动应力随着车轴动刚度的降低而增加, 因此, 提高轻量化轮对的固有频率和动态刚度能保证高速列车安全运行和提高车轴疲劳强度。     

轴箱内置型铁路车轴疲劳性能与寿命评估

开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验, 考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素, 修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能; 建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴) 的有限元模型, 分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴) 临界安全部位的差异; 基于安全寿命设计理论, 结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱, 研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能; 分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线, 基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明: 标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴, 其疲劳极限均值分别为369、286 MPa; 与传统外箱车轴相比, 由于加载位置的改变, 内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部; 内箱车轴疲劳总寿命为2.5×10¹² km, 满足30年服役寿命的设计要求; 但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷, 缺陷处存在严重的应力集中, 为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件, 使车轴疲劳寿命大幅降低; 当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时, 内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×10⁵、2.0×10⁵ km, 应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期, 确保车轴安全服役。     

基于有限元方法的高速变轨距转向架车轴磨损分析

针对高速变轨距转向架在运用过程中出现的车轴异常磨损问题,分析了造成车轴异常磨损的原因。基于Archard理论模型,推导了变轨距转向架车轴表面磨损量的计算公式;运用有限元方法,利用HyperMesh与ANSYS软件联合仿真,建立车轴-滑动轴承的有限元分析模型,研究了垂向载荷、车轴-滑动轴承间隙配合值对车轴磨损量的影响。变轨距列车时速为250 km/h时,计算结果表明:垂向载荷以及车轴-滑动轴承间隙配合值越大,车轴表面磨损也越严重;当车轴-滑动轴承间隙配合值为0.15 mm且车轴端部受到垂向载荷110.31 kN作用时,列车运行30万km后车轴的表面磨损量最高达0.480 mm。     

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

结合车辆系统在随机轨道谱激励下的动力响应与疲劳强度理论, 以“中华之星”高速动力车轴为例, 建立了动车系统的非线性动力学模型, 仿真车辆在典型线路上的运行特性, 获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系, 进行轮轴的有限元分析, 得到车轴关键部位的应力时间历程, 对其进行统计分析后得到各危险点的应力谱。在此基础上, 运用局部应力应变法和累积损伤理论进行了车轴疲劳寿命估算和可靠性分析, 得到不同可靠度下的疲劳寿命。当可靠度为0.9时, 其疲劳寿命为16年。     

纵向冲击下高速列车车体承载极限数值模拟

进行了高速列车车体6005A-T6、6082A-T6铝合金的静态拉伸和动态压缩试验,识别了0.001~2 500 s^-1应变率范围内2种铝合金的材料应变率效应,建立了对应的Johnson-Cook本构模型;构建了高速列车典型车辆的显式动力分析模型,完成了刚性墙冲击车体过程仿真,研究了车钩稳态载荷、冲击速度、加载方式对车体承载极限的影响;分析了高速列车一号车和二号车车体在冲击载荷下的变形演化,通过应力变化临界点确定了车体的承载极限,并对列车在更高能量配置模式下的车体承载性能进行了验证。研究结果表明：在0.001~2 500 s^-1应变率范围内,6005A-T6和6082A-T6铝合金应变率敏感系数分别为2.9×10^-3和8.5×10^-3,应变率效应不明显;纵向动态冲击载荷下,应变率强化对铝合金车体结构承载力影响不明显,惯性效应是其承载能力高于静态极限的主要原因;纵向冲击载荷从车钩位置传递时,一号车和二号车车体的动态承载力水平显著高于车体许用静态压缩载荷;冲击载荷下的车体结构承载力可为高速列车碰撞各界面能量分布问题中吸能元件平台力取值提供上界;可适当考虑提高车体许用压缩载荷以扩大列车端部吸能部件力学参数设计域,以满足更苛刻需求下的列车被动安全性能。     

快速与重载车辆轮轴铁道车辆车轴强度设计方法

阐明了《铁道车辆车轴强度设计方法》的适用范围;提出《铁道车辆车轴强度设计方法》中车轴强度计算的载荷工况、许用应力,介绍了载荷工况和许用应力的确定方法;提出了车轴截面应力计算方法和3种材料的许用应力。（本文有删节）     

高寒地区高速列车制动性能仿真研究

运用Simpack建立了高速列车动力学模型,分析了高寒地区列车制动过程中的受力情况,设计了400 km/h高速列车紧急制动与最大常用制动减速度曲线,并进行了黏着校核。结果显示所设计的减速度曲线能满足400 km/h高速列车的制动需求。运用MATLAB/Simulink建立制动系统模型,通过仿真计算得到高寒地区干燥和冰雪条件下紧急制动距离和最大常用制动距离。     

高速列车转向架载荷谱长期跟踪试验研究

为了建立高速列车转向架载荷谱,对武广客运专线高速列车运营全工况下的转向架载荷进行了跟踪测试,得到了动车转向架的轴箱弹簧垂向载荷和转臂横向载荷在一个镟轮周期内的变化规律,分析了高速直线和曲线工况下镟轮对轴箱弹簧垂向载荷和转臂横向载荷的影响,并基于上述载荷编制了构架浮沉、侧滚、扭转与横向载荷系谱,进行了镟轮前后各载荷谱的比较.研究结果表明,与镟轮前相比,镟轮后轴箱弹簧垂向载荷、转臂横向载荷以及构架各载荷系的幅值均减小,其中转臂横向载荷变化最明显,在高速直线和曲线工况下幅值分别减小了50%和40%,镟轮改善了构架的受力状态.      

高速列车齿轮箱应力响应与疲劳损伤评估

进行了高速列车线路试验, 研究了GPS信号与齿轮箱结构的受力特点, 获取了扭矩载荷和振动载荷作用下齿轮箱的应力时间历程曲线, 分析了在扭矩载荷、振动载荷作用下齿轮箱的应力响应特性, 并编制了应力谱, 利用疲劳损伤影响参数来反映扭矩载荷和振动载荷对齿轮箱疲劳损伤的影响程度。研究结果表明: 在扭矩载荷作用下, 列车牵引与制动的交替变化会使齿轮箱产生较大的应力响应, 最大应力幅值为25.80MPa; 在制动工况下, 齿轮箱应力呈阶梯形变化; 列车低速运行时齿轮箱吊杆座端部的高应力幅值频次大于高速阶段, 结构疲劳损伤影响参数由0.20减小到0.08, 减小了60.0%。在振动载荷作用下, 列车运行速度由350km·h^-1减小到200km·h^-1时, 齿轮箱吊杆座端部的应力响应强度由2.08MPa减小到0.97MPa, 降低了53.4%;在同一速度等级下, 列车头部齿轮箱的应力幅值低于列车尾部; 列车由牵引状态转变为惰性运行时, 齿轮箱的应力响应强度由3.4MPa减小到1.0MPa, 降低了70.6%;列车由低速运行转为高速运行时, 齿轮箱端部疲劳损伤影响参数由0.009增大到0.260, 增大了27.9倍。     

高速列车与博格板式轨道系统竖向振动分析模型

研究了博格板式轨道结构特点,提出了横向有限条与板段单元高速列车与轨道系统竖向振动分析模型,分析了此系统竖向振动特性。高速列车的动车及拖车均离散为具有二系悬挂的多刚体系统,基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车-博格板式轨道系统竖向振动方程组,采用Wilson-θ法对其求解。计算结果表明:钢轨与博格板竖向静、动态位移之差分别为1.1×10-2与2.0×10-4mm,200 km.h-1车速下此系统竖向振动响应计算波形图及量值均符合物理概念,这说明模型正确、可行。     

铁路车辆部件抗疲劳评估的进展与挑战

从铁路车辆的安全运用及服役评估出发,论述了转向架部件(如构架、车轴等)的抗疲劳评估及应用进展,重点分析了合金钢EA4T车轴和碳素钢S38C车轴的设计理念差别,阐明了车轴运用评估中存在的难定量和过保守的理论局限性; 首创了“名义应力”+“损伤容限”有机融合的阶梯疲劳评估方法,给出了样本信息聚集改进原理、基于单轴拉伸的裂纹扩展模型、应力-缺陷-寿命的三参数评估图和表面残余应力重建等四大关键技术。分析结果表明：基于传统名义应力法的抗疲劳设计给出的寿命预测偏于保守,导致车辆部件维修不足或者过度维修; 基于单轴拉伸性能的新型裂纹扩展模型的精度优于NASGRO方程; Kitagawa-Takahashi图把基于名义应力的疲劳极限和基于断裂力学的缺陷特征有机关联起来,比Goodman图更直观、定量和全面; 基于表面单位压力法,获得了与实测结果一致的S38C车轴的压缩残余应力分布,表明压缩残余应力的引入提高了新干线车轴的抗微动磨损能力和抗疲劳裂纹扩展能力; 广域环境服役、超高周疲劳、增材修复再制造、断裂求解技术及动力学和强度学结合等问题成为未来研究的重要课题。     

气动载荷影响下的高速列车车体疲劳强度评估方法

对比了国内外高速列车车体设计标准中气动载荷的设计要求, 分析了明线会车侧墙压力波, 采用时间积分法, 将车体瞬态压强转化为侧墙气动载荷, 参照标准BS EN 12663-1—2010确定了包括气动载荷的车体疲劳载荷工况, 以某型动车组头车为研究对象, 建立了车体有限元模型, 基于车体Goodman疲劳强度曲线编写了车体疲劳强度后处理程序, 研究了车体疲劳特性。计算结果表明: 在不考虑气动载荷时计算的较大应力幅值出现在底架上, 而在考虑气动载荷时计算的车体较大应力幅值出现在侧墙门角和窗角上, 最大应力幅值为33.63 MPa, 疲劳强度安全系数为2.26, 相对于侧墙, 底架的应力幅值较小, 小于10.00 MPa, 疲劳强度安全系数大于10.00。在垂向载荷作用下, 侧墙最大当量应力为68.17 MPa, 叠加气动载荷后侧墙最大当量应力为85.31 MPa, 应力增大了25.14%, 因此, 气动载荷对侧墙影响较大, 容易导致侧墙发生疲劳失效。可见, 在高速列车车体设计时, 应将气动载荷与其他疲劳载荷相组合对车体疲劳强度进行评定。     

流固耦合技术及在高速动车组结构设计中的应用

为实现流固耦合技术及验证瞬态压力对高速列车焊接结构造成的疲劳损伤,以某高速动车组设备舱为研究对象利用流体软件SC/Tetra的FLDutil模块与分析软件Ansys的输入端口进行载荷的流固耦合分析,最后采用最新的美国ASME(2007)标准中的结构应力法进行了疲劳寿命分析结果表明,通过流体软件SC/Tetra的FLDutil模块映射到Ansys中的气动载荷准确可用,为高速动车组结构在流场中的刚度强度、模态、疲劳等分析计算提供了更合理、更精确的载荷输入.     

30NiCrMoV12和EA4T材质高速动车组车轴服役性能

为全面掌握高速动车组30NiCrMoV12和EA4T两种车轴材质的服役性能，分别实测了新、旧车轴的化学成分、常规力学性能、标样疲劳特性、冲击性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值和疲劳裂纹扩展速率等，并对其金相组织进行观测，综合评价分析两种材质车轴服役性能. 结果表明:（1） 与EA4T材质相比，30NiCrMoV12材质车轴中Ni含量高10倍，Mo、V含量高2倍，C含量略高，抗拉强度高34%，屈服强度高54%，疲劳强度高30%；（2） 断裂损伤性能对比中，30NiCrMoV12材质车轴比EA4T材质车轴的常温冲击功约低12%，断裂韧性约高34%，EA4T材质新轴疲劳裂纹扩展门槛值比30NiCrMoV12新轴的高21%，旧轴时两者相当；（3） 当应力强度因子幅度小于50 MPa?m1/2时，30NiCrMoV12材质车轴裂纹扩展速率大于EA4T材质车轴，反之，30NiCrMoV12材质车轴裂纹扩展速率小于EA4T材质车轴；（4） 30NiCrMoV12材质车轴整个截面组织均为晶粒细小的贝氏体和回火马氏体，淬透性较好，制造工艺性能好；EA4T车轴在表面约30 mm深度范围为均匀的贝氏体和回火马氏体，后随深度增加逐渐出现铁素体，距表面60 mm为珠光体和铁素体，并以铁素体为主.      

基于人机工程学的高速动车组新头型优化设计

在高速列车头型设计工作中,综合考虑速度能力及司机室人机工效等设计要素,基于司机室驾驶空间与作业安全、人机工程学标准等设计原则,确定了新头型头部设计约束条件,进而采用三维变量化技术建立了高速动车组头型的参数化模型,所研究的头型设计方法有助于提升实现高速动车组设计能力.     

基于应变模态的车轴动应力仿真计算

基于动车组的动车车轴和拖车车轴的应变模态分析结果,结合线路实测数据,运用模态叠加法对动车组车轴进行了动应力的仿真计算,得出了两种车轴上相应测点的应力时间历程,并与线路测试数据进行了比较．结果表明：经过仿真计算得到的测点应力时间历程与实测结果比较吻合,从而验证了将应变模态与测试数据结合计算动应力的可行性,可以进一步开展疲劳强度分析．     

基于台架仿真模型的高速列车齿轮箱轴承动载荷获取方法

为获取高速列车齿轮箱轴承在服役振动环境下的动载荷,由动力学软件SIMPACK建立了某型高速列车齿轮箱台架仿真模型;基于谱修正的多点相干随机振动控制算法,通过虚拟激振器施加纵向、横向、垂向的轴箱实测加速度功率谱,再现了齿轮箱受到的多点相干线路激励;通过台架仿真模型获取了齿轮箱输入轴电机侧圆柱滚子轴承在服役振动环境下的轴承径向载荷、轴承中心轨迹和滚子与外圈滚道接触载荷。研究结果表明：通过谱修正控制算法,在优化速度指数为0.3,进行10次迭代后,轴箱的仿真与实测加速度功率谱相对误差趋于稳定,最大相对误差小于10%;不同的电机输入扭矩下,有无线路激励齿轮箱轴承动载荷表明,电机输入扭矩决定了齿轮箱轴承动载荷均值,而线路激励是齿轮箱轴承动载荷波动的主要原因;频谱分析显示,线路激励增大了轴承径向载荷在中低频带与齿轮啮合频率处的能量;同时线路激励增大了滚子与外圈滚道接触载荷,但是接触载荷的接触区和均值无明显变化;当无线路激励时,轴承中心轨迹沿齿轮的压力角振动,与垂直轴夹角为26°;线路激励使轴承中心轨迹波动范围更大、更随机,在方向上没有明显特征。可见,电机输入扭矩和线路激励是高速列车齿轮箱轴承动载荷的主要来源,台架仿真模型可为高速列车齿轮箱轴承动响应评估和载荷谱建立提供有价值的参考。     

公路客运与高速铁路客运竞争中经济运距的探讨

随着我国高速铁路建设的加快,特别是城际列车及动车组开行,公路客运面临的竞争压力加大,市场份额下降明显。由于公路客运和高速铁路客运彼此有着不可忽略的强替代性,两者之间的竞争不可避免。讨论公路客运与高速铁路客运的经济运距,在此基础上分析得出两者各自的优势,提出相关策略和建议,使公路客运的整体竞争力有所提升。