牵引及制动操纵对重载机车轮轨动力作用的影响

基于列车纵向动力学理论和车辆—轨道耦合动力学理论,建立考虑钩缓系统中车钩纵向、横向和垂向作用力的重载列车—轨道耦合动力学模型。以机车牵引万吨列车为考核工况,分析牵引和制动时机车的受力特点,研究牵引力、制动力及车钩力对机车运行性能的影响过程和影响程度,并对理论模型进行试验验证。结果表明:在牵引、电制动及紧急制动工况下,直线线路上机车的轮重分别较惰行工况降低了约13,7和4kN,单纯的牵引或制动力可降低轮轨横向蠕滑力,间接造成轮轨横向力的小幅增大,但轮轴横向力基本不变;车钩力可通过车钩摆角产生横向分量,并传递到轮轨界面,改变轮轴横向力的整体变化趋势;若车钩偏转3°,在电制动工况下,前部机车承受的压钩力较大,引起的轮轴横向力增幅达18kN,在紧急制动工况下,机车上的压钩力幅值小,引起的轮轴横向力在8kN以内。     

基于轮对模型的铁道车辆脱轨安全性评估

考虑轮对摇头和侧滚运动,推导轮对的三维爬轨脱轨准则,采用轮轴脱轨系数和轮重减载率的联合安全域进行脱轨安全性评估。建立轮对横向和侧滚运动方程,推导轮轴横向力和轮轨垂向力的计算公式。提出一种轮轨力间接测量方法,利用轴箱加速度、一系悬挂相对位移以及转臂应变等测试量,进行轮轨力的反演识别。通过轴箱转臂标定试验,获得转臂定位节点横向力和转臂应变之间的关系。针对某高速客车进行环线线路试验,对比分析测力轮对和间接测量方法获得的轮轨力。结果表明:间接测量方法得到的轮轴横向力和轮轨垂向力与测力轮对波形吻合,峰值误差分别为11.2%和4.3%。直线段的轮轴脱轨系数和轮重减载率均较低,曲线段二者均显著增大,缓和曲线段的轮重减载率逐渐增大而轮轴脱轨系数变化平缓。     

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。     

纵向力作用下重载机车运行安全性试验

为研究纵向力作用下重载机车运行安全性,通过对比分析重载机车在不同线路工况、不同车钩力状态、不同车钩转角下的动力学性能,得到了纵向力作用下重载机车运行安全性与车钩力状态、线路工况以及车钩转角的对应关系。结果表明:机车运行安全性指标随着线路曲率的增大而增大;机车在曲线上运行时,在压钩力作用下的机车运行安全性指标明显增大;压钩力作用时无论在直线还是在曲线线路上,机车车钩都会出现不同程度的水平偏转,车钩角明显增大。建议在纵向力作用下重载机车通过小半径曲线时要合理控制机车再生制动力,从而避免出现机车车钩受压失稳的危险。     

2万t重载组合列车的从控机车运行安全性仿真研究

用自主研制的纵向动力学仿真软件及多体动力学仿真软件SIMPACK,建立大秦线1+1编组的2万t重载组合列车从控机车纵横向耦合动力学模型,并以实测线路不平顺为输入,验证模型的准确性.应用该模型,分析常用全制动和紧急制动工况下LOCOTROL延迟时间为2.0和2.5s时从控机车的横向运行安全性.结果表明:在常用全制动和紧急制动工况下,从控机车的轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率等指标随时间的变化规律基本相同,车钩力对机车A节各项安全指标的影响较B节明显;同一工况下,LOCOTROL延迟时间越长,从控机车的轮轨横向力和脱轨系数越大;紧急制动工况下从控机车的轮轨横向力、脱轨系数均比常用全制动工况大;为确定合理的车钩自由角,需要综合考虑机车的横向运行安全性和相邻机车车体之间的振动耦合作用.     

不同轴重重载列车作用下轮轨垂向力试验研究

依托重载铁路30 t轴重实车综合试验,获得大量轮轨垂向力实测数据,运用数理统计分析,揭示不同轴重重载列车作用下轮轨垂向力分布特征以及变化规律,提出轮轨垂向力概率密度分布函数,以及轮轨垂向力平均值、标准差与轴重和速度的联合关系式。研究结果表明:轮轨垂向力平均值和最大值随着轴重增加线性增大,标准差随轴重增加呈负指数函数式减小;轮轨垂向力平均值随速度呈指数式增长,最大值、标准差以及变异系数均随着车速增大线性增长;不同轴重重载列车轮轨垂向力均服从正态分布;根据轮轨垂向力与轴重、速度的联合关系式可对不同轴重列车以不同速度运行时轮轨垂向力平均和标准差做出预测。研究成果对于重载铁路工程结构设计和养护维修具有指导意义。     

土质路基上板式无砟轨道结构的动力学性能仿真研究

依据系统工程理论的思想,基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,建立机车车辆和板式无砟轨道结构的力学模型,采用ABAQUS软件实现滚动接触过程的轮轨接触的模拟,对铁路客运专线土质路基板式无砟轨道结构在高速行车条件下的动力学性能进行仿真分析研究。结果表明：板式无砟轨道结构的平顺性很好;动车组轮轨垂向力、轮重减载率、轮轨垂向力动载系数和各轮脱轨系数的最大值及其离散性均随着列车速度的提高而增大,整个动车组所有车轮的轮轨横向力最大值以及各轴的轮轴横向力均远小于安全控制值;板式无砟轨道结构各部分的振动加速度和主要振动频带范围随着列车速度的增大而增大;板式无砟轨道结构的振动衰减情况良好。     

轮对间隙对可变轨距机车动力学性能的影响研究

基于动力学仿真分析，建立了一种适用于1 435/1 520 mm轨距转换的25 t轴重变轨距转向架机车的动力学模型；重点计算了轮对周向间隙和轴向间隙（统称为轮对间隙）对轮轨相互作用的影响，分析了轮对间隙增大对机车运行性能影响，结合相关动力学指标对各项动力学性能进行评定。分析结果表明：变轨距机车考虑轮对间隙后，机车在相同运行条件下的轮轨垂向力、轮轴横向力、轮对垂向加速度和轮对横向加速度峰值略有增大，但增幅在可接受范围内；考虑轮对间隙由设计值增大到磨耗限值时，变轨距机车运行稳定性和平稳性指标略有变差，但各项指标值均在标准规定的限值范围内，表明25 t轴重变轨距机车的轮对间隙设计限值合理可行。     

轮对结构弹性对高速动车曲线通过性能的影响

为了研究轮对扭转、弯曲和伞形特征模态对车辆曲线通过性能的影响,将轮对分别视为刚性体和弹性体,建立了车辆—轨道系统动力学模型。根据UIC518,采用轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率评定车辆曲线通过性能。研究结果表明:轮对一阶弯曲模态对车辆曲线通过性能的影响最大,轮对模态特征频率降低使车辆曲线通过性能指标值增大。将轮对考虑为弹性体,轮对一阶扭转模态、一阶对称和反对称弯曲模态的特征频率分别为46 Hz、62 Hz和128 Hz时,导向轮对的轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率与刚性轮对模型的结果的比值为1.010、1.167、1.241和1.033。轮对结构弹性对轮轴横向力和脱轨系数的影响较大。     

重载机车二系横向止挡纵向间距对车钩受压稳定性的影响

针对摩擦式车钩受压偏转行为,分析了重载机车二系横向止挡纵向间距对车钩偏转角的关系,通过建立由2台8轴重载机车、1台虚拟货车与4组缓冲器具有迟滞特性的摩擦式钩缓系统组成的列车动力学模型,研究了制动条件下机车二系横向止挡纵向间距对车钩稳定性能与列车运行安全性能的影响规律。计算结果表明:二系横向止挡纵向间距对车钩受压稳定性能及列车运行安全性有重要影响。在500 kN压钩力作用下,当二系横向止挡纵向间距为10 m时,车钩最大偏转角和车体横向错位分别为10°和60 mm,列车安全性指标超出安全限值;当二系横向止挡纵向间距增加至14 m时,车钩最大偏转角和车体横向错位分别减少了70%和67%,列车安全性指标远低于安全限值。在机车设计中,应该适当地增加二系横向止挡纵向间距提高制动条件下列车安全运行性能。     

102型车钩与重载机车二系悬挂参数匹配研究

机车二系悬挂参数对重载车钩受压稳定性影响显著，为了探究102型车钩与重载机车二系悬挂参数的合理匹配，文章利用SIMPACK软件建立了详细的102车钩与HXD1型八轴重载机车组成的双机重联动力学模型，分析了不同计算工况下车钩力学特性与重载机车的安全性能；对比了不同车钩自由角及纵向力作用下，二系悬挂参数对机车安全性的影响。结果表明：当纵向压力较小时车钩转角稳定在自由角，机车轮轴横向力随车钩自由角及机车二系悬挂横向刚度增大而增大，与车钩纵向力无关。当纵向车钩压力增大到车钩需克服复原块预压缩载荷发生偏转时，车钩转角进一步增大，此时适当增加机车二系横向刚度有利于车钩稳定且影响较小。为保障制动工况下列车的运行安全，建议控制车钩自由角在6°以内，转向架单侧二系横向刚度范围在0.45～0.60 kN/mm；二系横向止挡间隙选择35 mm自由间隙及5 mm弹性间隙。     

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。     

重载机车车钩自由角对轮轨动态安全性能的影响

为了探明重载机车车钩自由角对机车运用安全性能的影响规律,运用大系统动力学理论,仿真计算相同制动速度不同车钩自由角、不同制动速度相同车钩自由角时的轮轨动态安全性能标.结果表明:在相同初始制动速度(80 km·h~(-1))条件下,当车钩最大自由角为3°时,轮轨动态安全性指标满足运行要求,轨距动态扩大量较小,轮轨接触点分布正常;当车钩最大自由角为4°时,则轮轴横向力不能满足安全运行要求,轨距动态扩大非常明显,出现了轮缘和钢轨侧面接触、轮轨接触点集中等异常现象.车钩最大自由角为3°时的制动初始速度的安全限值为82 km·h~(-1).计算结果与实际运用得出的结论一致.     

车轮多边形对米轨机车动力学性能影响的研究

为研究米轨机车车轮多边形化对机车系统动力学性能的影响,建立米轨机车动力学模型,研究车轮多边形的谐波阶数和波深幅值对动力学性能的影响,并计算不同谐波阶数下车轮多边形的波深限值,最后对车轮多边形和轨道激励共同作用下轮轨垂向力的变化趋势进行分析。结果表明:由于米轨机车运行速度较低,车轮多边形化会导致低频振动,使得车体振动响应增大;车轮多边形化会极大地增加轮轨垂向力,但对脱轨系数影响不大;波深限值与机车运行速度及车轮多边形谐波阶数成反比;轨道激励不仅不会掩盖多边形的作用趋势,而且会极大地增加轮轨垂向力。机车在线路上运行时应经常检测车轮不圆度,并及时镟修或者更换车轮,防止出现轮轨垂向力过大或跳轨现象。     

货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案(续完)——轮轨垂向力及车钩力的评定标准

为了满足我国铁路货物运输重载化发展应用需要，提出在《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中增加轮轨垂向力及车钩力评定标准的建议，并具体给出了轮轨垂向力和车钩力评定标准的建议方案，实施细则说明其增加依据。     

重载铁路小半径曲线钢轨波磨对机车曲线通过安全性的影响研究

随着机车轴重的不断增加,轮轨磨耗加剧,重载铁路小半径曲线上的钢轨波磨越发普遍。文章基于车辆系统动力学理论,建立C_0-C_0型30 t轴重重载机车模型,利用MATLAB软件模拟小半径曲线上的钢轨波磨作为外部激扰输入,研究了小半径曲线钢轨波磨对机车曲线通过安全性的影响。结果表明,轮轨垂向力随着波磨波深的增大而增大,随着波长的增大而减小,当机车以不低于70 km/h的速度通过小半径曲线钢轨波磨区间时,极有可能出现轮轨瞬时脱离现象。为了保障机车曲线安全通过,以动态轮重减载率、脱轨系数和倾覆系数为评价指标,针对小半径曲线上不同波深和波长的钢轨波磨,给出了行车速度建议:对于波长为300 mm、波深为0.8 mm的钢轨波磨区间,机车安全通过速度不能超过70 km/h;当波磨进一步发展,波深达到1.0 mm时,机车安全通过速度不能超过60 km/h。     

重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.     

HX_D2型电力机车车轮型面的多目标优化

为优化HXD2型大功率交流传动电力机车的车轮型面,建立该机车的动力学模型,并根据大秦线直线以及800和1 000m半径曲线的线路参数分别设置2种线型。以轮轨磨耗、轮轨最大接触应力和轮轴横向力为目标函数,以4段衔接的不同半径圆弧描述车轮型面与钢轨的接触部分,将两端圆弧的半径以及两中间圆弧的圆心坐标作为设计变量,以满足临界速度、轮轨最大接触应力、横向平稳性、垂向平稳性、车轮疲劳因子、轮轨横向力和脱轨系数的要求为约束条件,建立HXD2型电力机车车轮型面多目标优化模型。采用基于高斯径向基响应面的多目标优化方法求解该模型,得到新的车轮型面。结果表明:新车轮型面可使HXD2型电力机车在800和1 000m半径曲线线路上运行时一位轮对的磨耗指数分别降低19.16%和15.95%,一位轮对外侧的轮轨最大接触应力分别降低28.72%和31.44%,一位轮对的轮轴横向力分别降低22.63%和18.57%。     

竖曲线参数对200km/h速度等级机车动力学性能的影响

文章利用多体动力学软件SIMPACK建立了200 km/h速度等级机车动力学模型,分析了两种形式竖曲线的半径对垂向加速度、轮轨垂向力和轮重减载率的影响,并且根据现行铁道机车车辆动力学性能评定规范加以评价。结果表明:随着竖曲线半径的增大,车体垂向加速度逐渐减小,并趋于平稳,竖曲线半径对轮轨垂向力和轮重减载率影响较小;考虑轨道随机不平顺时,根据车体垂向加速度判断,凸形竖曲线略好于凹形竖曲线;随着半径的变化,机车轮轨垂向力和轮重减载率变化不大,且均属优良范围。     

局部平顶型不平顺激扰下的轮轨动力分析

通过MATLAB软件模拟平顶型不平顺,作为机车模型的外部激扰输入,根据机车动力学理论,以机车轮轨动力指标为依据,运用SIMPACK多体动力学仿真软件,分析了小跨度桥的局部平顶型不平顺的幅值A、与不平顺波长相关的系数K和平顶长度L对轮轨系统动力性能的影响,给出了80~160 km/h速度下,轮轨垂向力、轮重减载率等重要指标,确定出危险速度。仿真结果表明,平顶型不平顺的幅值A和不平顺的系数K的增大,对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值都有不同程度的影响;但平顶长度L对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值几乎没有影响。