铁道车辆运行安全评判的轮对爬轨脱轨准则

为了掌握车辆爬轨脱轨机理及主要影响因素,分析了轮对的三维空间受力,推导了轮轨横向力和垂向力比值的一般表示式,假设车轮在达到最大轮缘接触角时为脱轨的临界状态,并认为这时轮轨间出现完全摩擦滑动,导出了不考虑轮对摇头角的临界脱轨判别的二维准则与考虑轮对摇头角和轮轨蠕滑率效应的三维脱轨判别准则,给出了轮轴脱轨系数的定义,采用轮轴脱轨系数和轮重减载率进行脱轨的判别。仿真计算结果表明:二维脱轨判别准则与三维准则相比偏于保守;摇头角越小甚至变负,越有利于防止脱轨,摇头角越大,三维准则的临界脱轨曲线越接近于二维准则的;减小轮轨摩擦系数与增大轮缘角均有利于防止脱轨的发生。     

轮对摇头运动对轮轨滚动接触蠕滑率／力的影响

用数值分析方法分析了单轮对的摇头运动对其左右轮轨滚动接触斑上蠕滑率／力的影响。在轮轨滚动接触蠕滑率／力关系分析方面，利用了Ｋａｌｋｅｒ的三维弹性体非赫兹滚动接触计算模型。通过分析计算可知，轮对摇头角运动参量是影响轮轮之间横向蠕滑力的主要因素。     

驱动工况单轮对横向稳定性

为了解驱动工况下轮对横向稳定性,建立了考虑驱动力矩的简化单轮对动力学模型,针对不同轮轨的黏着特性,研究了弹性定位单轮的横向蛇行稳定性.结果表明:驱动工况下,轮对横向稳定性优于惰行工况,对于弹性定位动力单轮对,当平均蠕滑率为0.8%时,横向非线性临界速度为惰行时的1.1倍;驱动时,轮轨黏着饱和导致轮对摇头力矩减小,有利于横向稳定性,但纵向切向力增加使得横向切向力减小,对轮对横向稳定性不利.     

独立旋转车轮转向架横向动力学研究

建立了独立旋转车轮转向架车辆的动力学计算模型，利用数值模拟方法得出独立旋转车轮转向架和传统轮对转向架动力学响应值，比较了两种转向架的横向动力学性能。由于独立旋转的左右车轮无转动约束，所以纵向蠕滑力很小甚至为零，从而消除了轮对蛇行现象。研究还表明，轮轨磨擦系数对独立旋转车轮的对中性能影响较大。     

纵向耦合独立旋转车轮转向架导向机理

从轮轨蠕滑力出发,研究了纵向耦合独立旋转车轮转向架的导向机理,通过建立独立旋转车轮转向架整车动力学模型,基于数值仿真方法,分析比较了采用纵向耦合独立旋转车轮转向架、横向耦合独立旋转车轮转向架与全独立旋转车轮转向架车辆的导向性能.计算结果表明:纵向耦合独立旋转车轮轮对具备直线上的对中性能和曲线上的导向性能;在曲线通过时,...     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型, 分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响, 考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响, 通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态, 推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式, 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力, 采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程, 通过数值分析计算, 得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明, 如果失效因子从0.8增大到1.0, 即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱, 钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

短波波磨状态的轮轨纵向蠕滑力特性

为了对具有简谐波形的钢轨短波波磨进行分组与分析轮轨非稳态滚动接触的纵向蠕滑力特性, 引入了波磨深度指数与波长比, 采用Kalker三维滚动接触理论计算了车轮的纵向蠕滑力, 并与采用稳态滚动理论计算结果进行了对比, 使用频率响应的系统辨识法对纵向蠕滑力的波动分量进行了拟合, 在短波波磨等深度指数条件下, 用波长比的二阶传递函数描述了轮轨纵向蠕滑力的波动分量与稳态理论波动分量之间的关系, 使用传递函数, 由稳态纵向蠕滑力的波动分量计算了非稳态纵向蠕滑力的波动分量, 进而计算了非稳态的纵向蠕滑力。计算结果表明: 在小蠕滑条件下, 由Kalker三维滚动接触理论计算出的纵向蠕滑力的波动分量随着波长比的变化产生明显的幅值衰减和相位滞后, 波长比越大, 幅值衰减越大, 相位滞后越多, 而稳态滚动理论的计算结果与波长比无关。由传递函数和Kalker数值理论计算的纵向蠕滑力的时域波形、频域幅值谱和相位谱相同。     

车轮多边形对重载机车轮轨相互作用及接触损伤的影响分析

为了研究重载机车轮轨接触损伤问题，建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型，研究车轮多边形与多种轨面摩擦条件下的机车轮轨系统动态相互作用行为.在此基础上，建立基于轮轨系统动力学响应的车轮踏面疲劳损伤预测模型，研究制动工况和轮轨接触表面变摩擦条件下车轮多边形磨耗对车轮表面磨损的影响.结果表明：严重的车轮多边形磨耗不仅加剧轮轨动态相互作用，也会增大轮轨接触界面磨耗损伤；在干燥接触条件下，车轮多边形会加剧车轮踏面疲劳损伤，车轮多边形导致机车第1位轮对和第4位轮对的损伤指数波动范围较正常车轮损伤指数的波动范围增大19.59%和39.43%；在低黏着接触条件下，车轮多边形会加剧车轮磨耗，车轮多边形导致轮轨蠕滑力波动增大5.85倍，使得机车第1位轮对和第4位轮对的磨耗数波动范围增大6.44倍和6.22倍.     

考虑尖轨变截面廓形的轮轨接触与磨耗分析

为研究尖轨变截面对曲尖轨轮轨接触行为和磨耗分布的影响,提出了一种适用于道岔区的三维非对称接触几何算法,该算法可计算车轮与曲尖轨间的真实法向间隙.使用SIMPACK建立车辆-道岔多体动力学模型,获得仿真结果;利用考虑变截面的接触模型与英国谢菲尔大学提出的USFD磨耗模型计算曲尖轨磨耗.研究结果表明：1）以S1002CN车轮与12号道岔曲尖轨为例,轮对摇头角与尖轨变截面均会引起轮轨法向间隙沿接触斑纵向非对称分布,从而导致接触斑形状与应力沿接触斑纵向非对称分布;当摇头角为10 mrad,横移量为7.5 mm时,本文算法得到的接触斑面积比未考虑尖轨变截面和摇头角的简化算法所得结果大9.2%. 2）以CRH3型车与12号曲尖轨道岔为研究对象,简化算法得到的最大磨耗深度为本文算法所得结果的0.75倍.     

牵引力对机车横向运动稳定性的影响

为了探明机车牵引状态下的横向稳定性, 采用多体动力学软件SIMPACK建立了某型提速机车动力学模型, 以非线性临界速度作为机车横向稳定性的评判指标, 并采用数值积分方法计算了机车临界速度, 研究了牵引系数对机车直线和曲线临界速度的影响规律。研究结果表明: 机车牵引力的存在改变了轮轨切向蠕滑力的大小和作用方向; 随着牵引系数的增大, 机车在直线和曲线上的临界速度均先增大后减小; 机车曲线上的临界速度低于直线上的, 同一牵引系数下, 曲线半径越小, 临界速度越低; 在牵引工况下, 轮对横移量不宜再作为机车曲线稳定性的判定指标, 采用轮轨纵向蠕滑力对稳定性进行评判更为合理。     

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.      

兰新客运专线动车组车轮多边形磨耗的机理

由于兰新客运专线的线路复杂环境,动车组车轮多边形磨耗现象严峻,加大了列车运行过程中的轮轨作用力,影响了乘客舒适性,给高速列车的安全运行造成极大威胁.为解决上述问题,基于长期跟踪客运专线获得的车轮多边形磨耗规律以及摩擦自激理论的观点,建立了轮对-钢轨-轨道板摩擦耦合自激振动模型,通过复特征值分析方法来研究车轮多边形磨耗的形成原因及其发展规律.研究结果表明,在直线线路上,轮轨间蠕滑力饱和引起的摩擦自激振动易导致车轮第15～16阶多边形磨耗;在制动系统和轮轨系统耦合的情况下,动力轮对和非动力轮对对应的不稳定振动频率分别容易引起第23～24阶和第22～23阶车轮多边形磨耗;轮轨之间的黏着系数变大可能是导致冬春季车轮多边形发展速度较夏季快的重要原因.     

基于半赫兹接触的车轮磨耗计算

为了分析轮轨接触模型对车轮磨耗计算的影响,基于半赫兹接触、赫兹接触和Kalker完全理论程序CONTACT分别计算轮轨接触应力和接触斑形状,并在Kalker简化理论基础上求解半赫兹接触的蠕滑力;基于Archard磨耗模型,计算车轮磨耗深度在踏面上的分布.计算结果表明:由于半赫兹接触考虑了接触斑内曲率的变化,则接触斑形状和最大接触应力比赫兹接触更接近于CONTACT计算结果;在大自旋蠕滑工况下,应用半赫兹接触得到的横向蠕滑力与CONTACT计算结果有较大偏差,其余工况相差不超过18%;基于半赫兹接触的FASTSIM计算时间约为基于赫兹接触的6倍,是CONTACT计算时间的1/166;半赫兹接触时,考虑弹性滑动速度的车轮磨耗深度更接近于CONTACT计算结果.     

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象,基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究.分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型,确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况;根据动力学仿真所得轮轨接触参数,建立轮对-轨道-轨枕有限元模型;采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性.研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时,导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和;轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%,轮轨接触角的偏差小于5%;相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%;缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性,故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.     

独立旋转车轮动力学特性分析

同传统的整体轮对相比,独立旋转车轮由于理论上不存在轮轨间的纵向蠕滑,在理想化的、无激扰的线路上具有较高的临界速度和较好的曲线通过性能。但在实际运用中,正是由于其缺少纵向蠕滑力的特点,使轮对在直线轨道上的对中性能下降而产生轮缘接触和曲线上只能靠轮缘导向。介绍了独立旋转车轮的运用和发展,并通过计算机模拟提出独立旋转车轮有待解决的问题。     

铁路机车车辆非线性稳态曲线通过的简化计算

本文以两轴转向架式机车为例,阐述非线性曲线通过的一种简化计算方法。对轮对纵向、横向、旋转蠕滑率的计算给出了较详细的推导。引入非线性轮轨几何关系及非线性蠕滑系数,后者采用将线性蠕滑理论的计算值按实际蠕滑饱和曲线加以缩减的方法来进行简化计算。方程式的求解采用改进的牛顿法。对所采用的实例在DJS—6计算机上进行了数值计算。计算实践表明,本文所述方法可用来预测机车车辆的稳态曲线通过性能。     

铁道货车车轮轮径差与轮轨力关系的研究

以铁路货车转向架转K6轮对为主要研究对象,建立Simpack多体动力学模型,并通过设置相应车轮轮径差,着重分析轮轨垂向力、横向力及横向位移随轮径差差值变化的变化,由不同轮径差对应的车轮轮轨力,分析其相互对应关系。分析结果表明:当轮对出现轮径差时,车轮左右轮轨垂向力和横向力都出现相应差值,且差值随轮径差增大而增长,出现轮径差的轮对横向位移值也随轮径差变大而增大,且在一定范围内,变化差值与轮径差差值基本呈一次线性关系。     

轨道模型对车辆动力学性能的影响分析

基于多体动力学软件UM建立了车辆-轨道耦合动力学模型,分别计算了车辆在无质量轨道和刚性轨道模型下的非线性临界速度、脱轨系数、车体振动加速度及轮重减载率等动力学参数.计算结果表明,车辆在刚性轨道模型下的非线性临界速度增大,同时车体的振动加速度、轮轨垂向力、轮轴横向力、轮重减载率都有不同程度上的增大,但其脱轨系数却比无质量轨道模型下的有所减小.采用刚性轨道模型较无质量轨道模型更能较真实地反映车辆的动力学性态.     

朔黄铁路不同列车编组条件下线路动态试验

对朔黄铁路不同列车编组条件下线路动态试验结果进行了分析,主要包括脱轨系数、轮重减载率、轮轨水平力、轮对横向力、钢轨横向位移、动态轨距扩大量、钢轨纵向位移与轨枕横向位移。通过与评判标准进行对比,各项参数均在国标有关规定的安全限值以内,能满足列车运行安全性和轨道稳定性要求。     

不同磨耗阶段轮轨型面匹配下重载货车的动态性能

应用轮轨型面测量仪在大秦重载线路上跟踪测量了不同磨耗阶段的轮轨型面,基于这些轮轨型面,应用多体动力学软件SIMPACK建立C80重载货车模型进行仿真计算,分析轮轨型面对重载货车动力学性能的影响．结果表明：在运行平稳性和稳定性方面,标准LM型车轮型面最佳,且随着车轮磨耗量的增加,平稳性和稳定性逐渐降低;在曲线通过性能方面,各个阶段的车轮型面都达到了评价标准,脱轨系数和轮重减载率都随着轮轨的磨耗而减小;轮轨横向力随着车轮的磨耗而逐渐减小;标准LM型和Ⅱ型车轮型面的磨耗功率较小,与磨耗稳定期钢轨相匹配能相对降低车轮的磨耗速率．