基于柔性轮轨模型的车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动影响的仿真研究

采用ANSYS有限元软件结合SIMPACK动力学软件建立基于Timoshenko梁的柔性轨和柔性轮模型的车辆—轨道耦合动力学模型,以典型的高阶车轮谐波磨耗(阶次为18~21阶,幅值为0.01~0.04mm)激扰作为系统的输入激励,对比分析在柔性轮柔性轨模型与刚性轮轨、柔性轮刚性轨和柔性轨刚性轮模型下高阶车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动响应的影响。结果表明:当车轮谐波磨耗激扰激发轮对固有模态引起共振时,基于柔性体模型计算出的振动响应幅值大于基于刚性体模型计算的结果,而当激扰频率远离共振模态频率时,基于刚性体模型计算的振动幅值大于基于柔性体模型计算的结果;总体上,轮轨垂向力、钢轨及轴箱振动加速度随着车轮谐波磨耗幅值、阶次及列车运行速度的增大而增大;在车辆速度300km·h-1、车轮多边形阶次为20时,车轮多边形幅值0.04mm激起的钢轨及轴箱振动加速度峰值约为幅值0.01mm下的2.5倍;当车轮多边形幅值固定、阶次由18阶增至21阶时,激起的钢轨振动加速度仅增大约1.6倍、轴箱振动加速度级增大约5.7dB,相较于多边形幅值而言,多边形阶次对轮轨系统振动响应的影响较小。     

柔性轮轨下轮轨波磨综合作用的振动特性研究

运用ANSYS联合SIMPACK建立基于柔性轮轨下的某型高速动车组的车辆-轨道耦合振动模型,选取典型的车轮谐波磨耗(20阶,幅值0.01～0.03mm)及钢轨波磨(波长120～150mm,幅值0.01～0.04mm)进行综合分析,对比分析4种模型在不同磨耗下的振动特性。结果表明:模态共振导致柔性体振动幅值大于刚性体振动幅值,而远离模态共振时,柔性体产生的振动幅值小于刚性体振动幅值;考虑轮轨柔性状态时,轮轨非均匀磨耗综合作用产生的轮轨力大于单独考虑轮对或钢轨磨耗时产生的轮轨力;轮轨非均匀磨耗综合作用下产生的轮轨力、轮轨振动加速度随幅值增大而增大,与速度、钢轨波磨波长呈非线性关系;轮轨非均匀磨耗综合作用下,轮对振动加速度及轮轨垂向力呈周期性包络现象。     

动车组车轮多边形磨耗形成与发展过程仿真研究

针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,基于车辆-轨道耦合动力学模型、轮轨接触模型、Archard磨耗模型和循环迭代模型,建立车轮多边形磨耗长期磨损迭代模型;模拟我国某型高速动车组20阶车轮多边形的发展过程,结果与实际情况吻合,证实模型的准确性。基于长期磨损迭代模型,研究车辆运行速度、轮轨模态振动特性和轨道参数对车轮多边形发展的影响。结果表明:随着车辆运行速度增大,最终形成的车轮多边形主导阶次逐渐减小,但产生的激励频率始终在550~600 Hz之间,验证了“频率固定”机理的可靠性;对比分析柔性轮轨、刚性轮柔性轨、柔性轮刚性轨、刚性轮轨4种工况下车轮多边形的发展过程,发现钢轨模态的振动特性对于高阶车轮多边形的产生具有一定的促进作用;增大扣件的刚度可抑制高阶车轮多边形的产生和发展,而增大扣件阻尼则可抑制车轮多边形整体的发展速度。     

弹性车轮动力学复合模型及其性能研究

为深入研究轻轨车辆弹性车轮的动力学作用,基于压剪复合型弹性车轮的结构,在弹性车轮动力学传统模型的基础上,综合考虑弹性车轮轮芯相对于轮毂的6个自由度,建立弹性车轮动力学复合模型。利用多体动力学软件SIMPACK进行仿真计算,对比分析传统模型和复合模型下弹性车轮车辆以及刚性车轮车辆的临界速度、平稳性、曲线通过性能和轮轨磨耗等指标。结果表明:由于传统模型未考虑车轮与车轴之间的偏转刚度和轮对两车轮之间的扭转刚度,因此计算误差较大;采用复合模型得到的弹性车轮车辆的临界速度、运行平稳性指标,以及通过小半径曲线时的轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等较刚性车轮车辆都有不同程度的降低;弹性车轮车辆的轮轨磨耗情况在直线通过时与刚性车轮车辆的相似,而曲线通过时相比刚性车轮车辆降低了约5.3%。     

基于柔性旋转轮对的车轮多边形磨耗对轮轨力的影响分析

为研究考虑柔性轮对旋转效应时车轮多边形磨耗对轮轨力的影响,结合有限元法和多体动力学理论,建立了带有车轮多边形磨耗的车辆轨道刚柔耦合动力学模型,编写了车辆轨道耦合动力学程序及欧拉坐标系下的柔性轮对计算程序,并在此基础上计算了刚性轮对、忽略旋转效应的柔性轮对和考虑旋转效应的柔性轮对存在多边形磨耗时的轮轨力,分析了多边形阶数、磨耗程度对轮轨力的影响。研究表明:在考虑柔性轮对旋转效应的车轮多边形磨耗影响下,轮轨力响应存在主频分离现象,对轮轨力的波动影响较明显;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形阶数为24～28阶时,轮轨垂向力出现了拍振现象且波动较大,相对于轨枕位置存在约0. 5π的相位超前;当多边形磨耗严重时,高阶多边形引起的2倍频能量上升,对轮轨力的波动幅值影响较大。     

柔性轨道下高速列车车轮谐波磨耗对轮轨滚动接触蠕滑特性的影响

针对柔性轨道下因谐波磨耗车轮激励而引发钢轨和轮对振动时的轮轨蠕滑问题,在分析柔性轨道下轮轨间滚动接触振动对轮轨蠕滑特性影响机理的基础上,基于CRTS型双块式无砟轨道和CRH2型高速列车,采用ANSYS和UM软件建立柔性轨道下高速列车的动力学数值模型;选取6种典型谐波磨耗(阶数分别为1,6和11阶;对应波深分别为0.1和0.3mm)车轮,进行轮轨滚动接触振动特性、轮轨蠕滑力和蠕滑率的分析。结果表明:车轮谐波磨耗阶数和波深的增加均导致钢轨垂向加速度、轮对垂向加速度、轮轨垂向力及轮轨蠕滑力和蠕滑率的大幅增加,且与阶数的影响相比,波深对滚动接触蠕滑特性的影响更大;当车轮的谐波磨耗取11阶和0.3mm波深时,轮轨垂向力最大值、钢轨垂向加速度最大值、轮对垂向加速度最大值和平均值、纵向蠕滑率平均值、纵向蠕滑力绝对平均值、横向蠕滑力最大值、纵向蠕滑力最大值分别约为车轮无谐波磨耗时的7.27,49.6,20.35,15.18,7.8,9.064,6.7和8.57倍;考虑柔性轨道后,轮轨接触脱离时间明显增加,轮轨蠕滑率和蠕滑力也有明显增大。     

柔性轮对的轮轨静态接触和车辆动态性能研究

分别研究了考虑轮对柔性时对轮轨静态接触几何关系和车辆动态性能的影响。首先在假设车轮不变形的前提下,将车轴简化为欧拉-伯努利梁模型,并以LM磨耗形踏面和标准60钢轨为研究对象,求解车轴运动微分方程以获得车轴的变形信息,再基于传统迹线法自编程序进行几何计算,求解变形后的轮轨接触几何参数,并与刚性轮对进行对比。结果表明,在横移量较小的情况下,柔性轮对与刚性轮对接触几何参数差别不大,当横移量较大时,两者有明显差异。其次,在车辆-轨道系统动力学模型中,利用模态叠加法将轮对考虑为柔性,并利用自编动力学积分程序计算常规工况和初始不称重特殊工况,分析其对轮轨力和一系悬挂力影响。结果表明常规工况下考虑轮对柔性的影响较小,而在特殊工况下,由于激励覆盖频率较高,柔性轮对的固有模态容易被激发,对轮轨力和一系悬挂力造成明显影响。     

高速列车车轮不圆顺磨耗仿真及分析

为了研究高速列车车轮不圆顺磨耗的发展规律及其对动力学性能的影响,建立车辆-轨道系统动力学和车轮圆周磨耗预测相结合的耦合模型。模型中考虑了车辆系统的一、二系非线性悬挂力、轮轨非线性接触几何关系和非线性蠕滑力,并考虑了轮对的一阶弹性弯曲和扭转振动。轨道模型包括基于Euler梁的弹性钢轨和刚性轨枕。假设车轮型面不发生变化,只有车轮圆周方向不圆度发生变化,并假设车轮不圆顺的发展由磨耗引起。采用Herzt接触弹簧计算轮轨法向力,采用迹线法实时计算轮轨接触几何关系。通过数值仿真研究车轮不圆顺对车辆动力学性能的影响和不圆度的扩展规律。计算结果表明,车轮不圆顺会引起较大的轮轨垂向力,并与车轮不圆顺的谐波阶数、波深和车速有密切关系。由于车轮不圆顺引起的振动频率一般较高,车体平稳性指标对其不一定很敏感,但会增大车体振动响应,影响乘坐舒适性。在车轮初始不圆顺的情况下,随着运行距离的增加,车轮会因磨耗而加剧其不圆顺。轨道激扰不会掩盖车轮不圆度的扩展规律。     

高速列车型面不同磨耗状态下的过岔性能研究分析

基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,以国内某型号动车组和客运专线18号道岔为对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,分别计算与分析高速列车车轮磨耗状态下轮岔作用及对车辆过岔动力学性能相关问题。模型中考虑了车辆悬挂力元非线性、轮轨接触几何非线性特性等非线性因素,采用更贴合实际的轮轨非椭圆多点接触算法研究高速列车不同运营里程下的型面磨耗对列车通过道岔区间的动力学性能影响。结果表明:型面磨耗会导致轮轨垂向力增大,横向力减小;对车体、构架和轮对垂向振动特性影响大于横向振动特性;对脱轨系数影响较小,对磨耗功率和轮重减载率影响较大;对道岔钢轨振动特性影响横向大于垂向。     

车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响分析

为了研究车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响,基于多体动力学理论和滚动接触简化理论,建立考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆动力学模型,分析车轮扁疤参数变化对高速列车轮轨力和蠕滑力等特性的影响,并结合轮重减载率和轮轨垂向力指标得到车轮扁疤长度的安全限值。结果表明:考虑轮对柔性能更好地反映轮轨接触状态;在轮轨滚动接触过程中,车轮扁疤过长会导致轮对发生跳轨现象,严重时导致车辆脱轨,应及时根据扁疤长度限值镟修轮对;结合轮重减载率和轮轨垂向力制定车轮扁疤长度安全限值为27 mm,该限值可以更有效地保障高速列车安全运行。     

40t轴重下曲线半径与轮轨磨耗及疲劳损伤的关系

轮轨磨耗及滚动接触疲劳损伤是影响大轴重列车运行安全的重要因素,本文基于多体动力学软件UM建立了40 t轴重重载货车动力学模型,从轮轨磨耗、疲劳损伤2个角度,研究曲线半径对40 t轴重货车通过曲线时动力性能的影响,给出最小曲线半径的建议取值。研究结果表明:货车在曲线上运行时,轮轨磨耗和疲劳损伤均在小半径曲线上更严重;与400 m曲线半径相比,曲线半径800 m时轮轨磨耗降低68%,轮轨间出现轮缘接触的频次得到有效控制;曲线半径1 200 m时轮轨磨耗和疲劳损伤分别降低80%,58%,滚动圆外侧10~30 mm内基本不再出现疲劳损伤。建议最小曲线半径一般情况下取1 200 m,困难情况下取800 m。     

轮对柔性对车辆动态曲线通过性能的影响研究

为了研究车辆系统中轮对的弹性效应对车辆动态曲线通过性能的影响,运用多体系统刚柔耦合动力学理论,通过有限元软件ANSYS将轮对柔性化处理后导入多体动力学软件UM中,建立考虑轮对为柔性的某型高速车辆刚柔耦合动力学模型,研究轮对柔性对高速车辆动态曲线通过的各项安全性能指标及平稳性的影响,对比分析不同工况下轮对刚性与柔性对高速车辆动态曲线通过时的动力学响应。结果表明:刚柔耦合动力学模型的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和垂向平稳性指数较多刚体动力学模型均有不同程度的降低,而轮轨接触角、轮对侧滚角位移和横向平稳性指数较多刚体动力学模型有所升高。考虑轮对的弹性效应对车辆动态曲线通过性能有一定的影响,柔性轮对较刚性轮对更能真实地反映车辆系统的动力学性能。     

电传动机车轮轨动力学性能研究

采和机车－轨道耦合动力学理论与方法，研究了电传动机车与轨道的动态相互作用问题，以抱轴式驱动系统电力机车为例，建立了机车一轨道查互作用统一的模型，运用ＶＩＬＴ领导具软件分析比较了弹性和风性抱轴式电传动机车对轨道的动力作用及牵引电机的振动特性，文章还讨论了牵引中种悬挂方法以动力学性能影响的特征，从而指出其适应范围。     

重载道岔轨底坡设置研究

轨底坡作为道岔的主要参数,直接影响钢轨使用寿命,结合30 t轴重重载道岔研究需要,对轨底坡进行系统研究。针对重载线路道岔鱼鳞纹、掉块、肥边等病害,运用车辆轨道耦合动力学理论,对25 t轴重货车通过不同轨底坡道岔时的动力响应进行分析。结果表明:轨底坡增加,横向轮轨力、接触应力和安全指标,导曲线上股钢轨磨耗功都有不同程度的降低,长期观测结果显示,采用1∶20轨道坡的试验道岔,导曲线钢轨光带居中,未见伤损。     

重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究

基于车辆动力学、非Hertz轮轨滚动接触理论和Archard磨损模型建立车轮磨耗预测模型.利用该模型和安定图对重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳性能进行定性分析.在数值计算中,主要考察轴重为25 t和30 t货车的车轮硬度对车轮磨耗和滚动接触疲劳性能的影响.研究表明,轮轨间高应力水平的出现频次、车轮磨耗和疲劳破坏的几率随着轴重的增加而增大;随着硬度的增加,车轮磨耗和疲劳破坏现象得到改善.结合国外重载铁路轮轨匹配经验,建议轴重为30 t车轮的硬度大于340 HB.     

空间耦合振动下车轮谐波磨耗对车辆运行安全的影响

车轮谐波磨耗造成的轮轨间高频接触振动和冲击,是高速列车运行不可忽略的问题,会对列车运行安全性造成重大影响。阐述了车轮谐波磨耗形式,建立了包含柔性钢轨及路基的列车-轨道-路基耦合系统动力学仿真模型。根据实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗、波深为0.1 mm和0.3 mm的6种典型谐波磨耗进行了轮轨横向振动加速度分析,并研究了轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标。依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比,结果表明:最大轮轨横向振动加速度在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时达到峰值;最大轮轨横向力在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时接近国标限定值;最大轮重减载率在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时超过安全限值;最大脱轨系数在不同形态谐波磨耗下均在安全限度范围内,不会发生脱轨现象。     

考虑轮对弹性的轮轨接触点算法

研究轮对动力学相关问题时要考虑轮对的弹性变形,本文在传统迹线法的基础上发展一种考虑轮对弹性的轮轨接触点计算方法。该方法通过计算滚动圆上的点和该点在轨道上的投影点的法向矢量确定可能接触点,形成接触迹线,根据迹线和轨道型面的垂向最小距离确定最终的接触点。利用该方法,本文建立单轮对刚柔耦合系统动力学方程来求解轮轨接触点,并通过刚性轮对与弹性轮对的计算结果对比,讨论轮对弹性变形对接触点位置和轮轨蠕滑率的影响。结果表明,该方法可有效解决考虑轮对弹性的轮轨接触计算问题。     

浮置板轨道结构对地铁车辆轨道耦合系统动力性能影响分析

以北京地铁6号线车辆为样本,研究了浮置板轨道对于车辆轨道耦合动力学模型的影响。建模时将浮置板轨道考虑成柔性体,用有限元实体单元建模,并利用模态叠加法进行求解。仿真后得出如下结论:与轨道不平顺引起的冲击相比,采用浮置板轨道后所产生的枕跨冲击、过渡冲击、轨道板冲击并不明显。车辆在浮置板轨道上行驶时,其竖向悬挂系统能够较好地降低轮轨的冲击力;轨道垫板刚度的主要影响是频率在60~150 Hz范围内的振动,对低频振动影响较小。随着轨道垫板刚度的变大,轮轨垂向力和轮重减载率逐渐变大,但其对轮轴横向力和脱轨系数影响很小,对车体振动几乎没有影响。轨道垫板刚度的主要影响是频率在10 Hz左右的轨道板的振动,对浮置板钢弹簧支承力的影响较小,即对路基的减振效果影响较小。     

高铁轮轨钢的发展及高速下的轮轨损伤

随着列车运行速度的提高,车轮和轨道用钢也在不断更新换代。通过对比国内外车轮和轨道用钢的化学成分、力学性能,指明微合金化是提高高速列车轮轨钢性能的关键因素:微合金化能够在保证高强度的同时显著提高钢的韧性,从而提高钢的抗疲劳性能。并对近期关于高速列车轮轨磨损、滚动接触疲劳以及磨损和滚动接触疲劳之间关系的研究进展进行了综述。