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。     

基于车辆走行性能的 9号直线型道岔允许通过速度研究

基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,考虑长期运营条件下车轮廓形磨耗,针对标准及磨耗后LM型车轮踏面和9号直线型道岔,对道岔区轮轨接触几何和车辆侧向通过道岔转辙器的走行性能展开评价,并分析9号直线型道岔的允许通过速度。研究结果表明:标准LM型踏面的轮轨接触关系优于磨耗后踏面,其允许通过速度高于磨耗后踏面。在相同的速度下运行时,标准LM型踏面的安全性,平稳性均优于磨耗踏面。在标准LM型踏面下运行,道岔侧向允许通过速度由车体横向振动加速度控制,为50 km/h;考虑实际运营条件下踏面磨耗,道岔侧向允许通过速度由脱轨系数控制,为40 km/h。     

我国主型12号道岔动力学特性分析

对我国主型12号道岔进行动力学测试发现,空车通过道岔侧向时脱轨系数超过限值要求。为此实测钢轨型面,对其轮轨接触特征进行分析,发现磨耗后的道岔下股钢轨轨顶呈明显扁平状,轮轨接触点向车轮踏面外侧转移,使得轮径差减小;上股钢轨轨肩磨耗明显,形成两点接触,减小了导向力矩;双重因素作用下降低了道岔侧向通过性能。优化轮轨关系是改善道岔区动力学性能的有效途径,结合道岔区实际运营状态,提出一种适用于道岔区的钢轨打磨廓形,优化了道岔区轮轨接触参数。动力学计算结果表明:钢轨打磨廓形可有效改善轮轨相互作用特性,明显降低车辆通过道岔侧向时的动力学指标,提高道岔区安全运营裕量。     

重载货车侧向通过固定辙叉的动力学响应

针对大秦(大同—秦皇岛)重载铁路高锰钢固定辙叉磨耗严重问题,建立车辆-道岔系统动力学模型,比较车轮不同磨耗程度下重载货车侧向通过固定辙叉时的车轮滚动圆半径、轮轨垂向力、轮轨横向和纵向蠕滑力、货车过叉平顺性等动力学响应,分析不同轮叉型面的匹配规律。结果表明:当车辆由翼轨向心轨过渡时,标准车轮与磨耗初期车轮滚动圆半径突变值在4.3～6.5 mm,磨耗中后期车轮滚动圆半径突变值降低50%,减小了对辙叉的磨损,同时磨耗中后期车轮的轮轨垂向力较标准型车轮减小近1/2,降低了对心轨的垂向冲击;标准车轮与磨耗初期车轮对标准辙叉磨损较大,磨耗中后期车轮通过辙叉时各动力学性能指标均较理想,有利于改善轮叉间的相互作用。     

车轮型面演变对高速道岔区轮轨接触行为影响分析

为研究车轮型面演变对高速道岔区轮轨相互作用影响,以某CRH2型动车组和250 km/h 18号高速道岔为对象,基于迹线法原理和三维非赫兹滚动接触理论,计算分析了列车在不同运营里程下高速道岔转辙器区轮轨接触几何特性及接触力学行为特征,研究结果表明:车轮型面演变过程中轮轨接触点对分布状态发生改变,接触点不连续性和跳跃性增大;道岔横向和竖向结构不平顺幅值均发生明显变化,轮载过渡位置延后;车轮磨耗加剧,轮轨接触应力先减小,运营里程达到20万km后开始增大;结构不平顺、轮轨接触应力等指标在列车运营里程达20万km时会发生突变或有极大值。     

重载货车作用下固定辙叉心轨磨耗分析

针对大秦铁路75kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉心轨处的磨耗问题,基于Kalker简化理论,建立车辆-道岔系统动力学模型。分析比较重载C80型货车侧向通过道岔辙叉区时,不同车轮和道岔型面匹配下的轮轨蠕滑力、轮轨接触斑面积、车轮滚动圆半径与车轮磨耗功率间的关系以及轮轨型面匹配程度和变化规律。结果表明:当车辆从翼轨行进到心轨时,其标准车轮滚动圆半径的突变值在4~5mm之间,相对于标准车轮,磨耗车轮的值降低了50%,对心轨的垂向冲击较小;轮对由翼轨过渡到心轨时,其左右磨耗车轮的滚动圆半径差值小于标准车轮,磨耗车轮的纵向蠕滑力相对标准车轮减低了45%~63%;磨耗功率大小与车轮滚动圆半径以及轮轨型面匹配程度有关。     

车轮磨耗对轮轨匹配的影响规律

轮轨匹配是影响高速动车组动力学性能的重要因素,合理的车轮型面可以提高轮轨匹配特性,从而减小轮轨间作用力。选取一列状态良好、运行固定交路的高速动车组进行长期跟踪测试,对比分析不同里程下的车轮踏面状态,对照相应里程时的车辆动力学性能,分析研究各磨耗阶段轮轨匹配对车辆性能的影响。     

道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响

研究磨耗车轮通过道岔辙叉区的轮轨相互作用特性及控制摩擦因数减缓轮轨磨耗的措施,以CRH2型动车组和18号高速道岔辙叉区为研究对象,基于迹线法原理,计算不同运行里程的磨耗车轮与辙叉区钢轨特征截面的接触点分布。采用UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski的轮轨接触算法,计算不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗特性。研究结果表明：随着车轮磨耗加剧,岔区轮轨匹配趋向不良,接触点跳跃更为复杂、剧烈,跳跃宽度增大;车轮磨耗初期,轮轨动力学特性有所改善,车轮磨耗对横向力的影响较大;相对于标准新轮,运行里程为20.3万km的磨耗车轮通过辙叉区的轮载过渡位置延后0.134 m;减小轮轨摩擦因数会降低列车通过辙叉区的安全性和平稳性,但有利于减缓轮轨磨耗;当车轮运行里程达到20.3万km时,摩擦因数由0.55分别降低至0.45,0.35,0.25和0.15,钢轨磨耗指数分别下降6.3%,15.5%,34.0%和49.8%,钢轨润滑有利于减缓辙叉区钢轨磨耗,提高道岔区钢轨的使用寿命。     

车轮型面磨耗诱发高速铁路轮轨接触几何参数时变的规律

将轨道系统视为无质量的黏弹性力元,运用多体动力学软件UM建立CRH2型高速列车单个车体的车辆—轨道耦合动力学模型,并结合轮轨非椭圆滚动接触模型和车轮型面磨耗演变模型,以车轮最大磨耗深度为0.1mm作为车轮型面更新的条件,通过动力学仿真研究轨道系统振动、车辆悬挂力元非线性和轮轨接触几何非线性特性等影响下滚动圆半径差、等效锥度、接触角和接触点分布等轮轨接触几何参数的时变规律。结果表明:通过不同运营里程下车轮型面磨耗和名义滚动圆半径处磨耗仿真与实测的对比结果,验证了模型的准确性;随着运营时间的推移和运营里程的增加,车轮型面磨耗会对轮轨接触几何参数产生明显的影响:其中,等效锥度、滚动圆半径差和接触角在运营里程从0逐渐增加到10万km的过程中变化明显,而从10万km逐渐增加到20万km时变化渐缓,然后在从20万km逐渐增加到25万km的过程中车轮型面磨耗又进一步加剧,等效锥度、滚动圆半径差和接触角的变化幅度又急剧增加,轮轨接触点分布则随着运营里程的增加由一点接触逐渐向两点接触演变,车辆的动力学性能也随之下降。     

实测车轮踏面对动力学的影响研究

利用SIMPACK动力学仿真软件建立我国某现役高速动车组的动力学模型。对服役5万km, 10万km, 15万km和20万km的线路实测车轮踏面对动力学影响并进行分析。分析结果表明:随着车轮踏面服役里程的增加,车辆系统的临界速度先增加后减小再增加后趋于平缓;随车轮踏面服役里程的增加垂向平稳性指标变化不大,横向平稳性除服役10万km外均随服役里程的增加而增加;车轮踏面服役里程对脱轨系数、轮轴横向力、磨耗功率有较大影响,对轮重减载率影响不是很明显。     

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。     

武广客专动车组车轮磨耗及振动性能跟踪研究

通过对武广客专动车组车轮踏面和车辆振动性能的长期跟踪测试,得到车轮踏面磨耗、等效锥度和振动性能随运行里程的变化规律.将等效锥度作为评估车轮踏面磨耗程度的参数,探讨了车轮踏面磨耗对振动性能的影响.最后通过对比武广客专动车组降速前后车轮磨耗和车辆振动数据的差异,分析了速度下降对车辆振动性能和车轮磨耗的影响.结果显示,车轮踏面磨耗量随运行里程增加逐步增大,运行里程大于15万km后,车轮踏面磨耗速度呈逐渐增大趋势;武广客专两种不同踏面外形的主要磨耗区域基本相同,但最大磨耗位置不同;轮轨等效锥度不仅可以评估车轮踏面磨耗程度,还直接影响构架横向失稳的频率、幅值;其他条件不变的情况下,速度的调整对车轮踏面磨耗和振动性能影响显著.     

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。     

高速列车踏面凹形磨耗及其动力学影响规律

踏面凹形磨耗是我国高速列车服役过程中车轮磨耗的主要形式,踏面凹形磨耗随镟修后里程逐渐加剧,将引起轮轨接触关系的变化,进而引起车辆动力学性能的恶化。为揭示我国高速列车踏面凹形磨耗的特点和规律,通过对国内某高速动车组的部分车轮进行长期跟踪测试,并基于测试结果研究踏面不同位置的磨耗量,发现磨耗中心位置与名义滚动圆的偏离现象,提出基于离散点直接积分的磨耗面积表征方法。进一步通过数学推导、多体动力学建模与仿真、以及车载实测振动数据的分析验证,研究不同踏面凹形磨耗程度情况下,车辆临界速度、轮轨作用力、振动信号的蛇行运动频率等动力学特性和指标随车轮旋修后运行里程的变化情况,总结得到踏面凹形磨耗对高速列车动力学的影响规律。     

高速铁路道岔受限区钢轨打磨对列车动力学性能的影响北大核心

对打磨前后的高速铁路道岔打磨受限区特征断面钢轨廓形进行测量,建立车辆-道岔耦合动力学模型仿真模拟列车通过打磨前后道岔打磨受限区的动力学特性,并对车辆动力学性能进行现场实测。结果表明:廓形打磨后,道岔打磨受限区内侧工作边明显低于打磨前,且降低值得到明显优化,全新车轮及磨耗车轮与打磨后的道岔受限区特征断面接触时的等效锥度均得到明显改善且均在理想范围内;在不同运行速度下,全新车轮及磨耗车轮与打磨后的道岔受限区特征断面接触时,构架及车体横向加速度均减小,列车轮轨接触关系得到优化,列车运行横向稳定性得以提升。现场实测结果进一步验证了廓形打磨对列车运行横向稳定性的改善作用。     

车轮踏面凹形磨耗对动车组车辆运行性能的影响

基于武广线上运行的某高速动车组车轮的磨耗状态的跟踪测试,发现车轮踏面以凹形磨耗为主。对不同运行阶段实测车轮踏面磨耗状态进行分析,研究磨耗车轮与钢轨接触时的接触几何参数。根据线路上实际运行动车组性能参数,运用SIMPACK软件包完成车辆系统动力学模型,对比分析S1002CN车轮与实测踏面车辆的运行稳定性、平稳性及安全性指标,研究车轮踏面凹形磨耗对列车动力学性能的影响。研究结果表明:车轮踏面凹形磨耗将导致转向架及轮对横向加速度急剧增大,车辆稳定性、平稳性将有所降低,凹形磨耗是引起转向架横向报警的直接原因。     

轮径差对道岔区轮轨接触几何和车辆过岔走行性能的影响

高速列车车轮磨耗或加工误差引起不同车轮名义滚动圆半径偏差,在道岔区固有结构不平顺作用下,轮径差加剧轮轨系统动力性能。为揭示轮径差对高速道岔区车辆走行性能的影响,以某型高速动车组和客运专线12号道岔为主要研究对象,在综合考虑不同轮径差对岔区轮轨接触几何关系影响的基础上,建立了高速车辆-道岔耦合动力学模型,系统分析了高速车辆存在不同类型和幅值轮径差时通过道岔的稳定性、安全性和平稳性。结果表明,轮径差使轮载过渡位置提前;小轮径车轮位于尖轨侧时,轮对侧滚角增大,道岔固有横向结构不平顺变化剧烈。等值同相轮径差显著恶化车辆过岔走行性能,等值同相轮径差达2mm时,轮轨横向力和脱轨系数快速增大,车辆过岔易发生失稳,平稳性指标达到峰值。建议将同相分布同轴轮径差2 mm或反相分布同轴轮径差3mm作为运用限度,将同轴轮径差1.5mm作为一、二级检修限度。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

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。     

基于转向架悬挂参数与踏面锥度优化的高速车辆动力学性能分析

利用多体动力学仿真软件SIMPACK建立包含高速车辆车轮不同踏面和60kg/m钢轨型面的车辆系统动力学模型,研究改变车轮踏面锥度和悬挂参数对车辆动力学性能的影响,并根据计算结果得出一组新的优化参数。结果表明:车辆系统的稳定性主要由轴箱定位刚度和抗蛇行减振器阻尼决定,而舒适性主要由二系垂向阻尼、横向减振器阻尼以及系统垂向刚度决定。对于轮轨磨耗而言,优化后的高速车辆车轮踏面具有较好的耐磨性能,踏面锥度大、对中性好,不易产生较大幅度的横向振动。总体而言,优化后的车轮踏面锥度和悬挂参数在平稳性、稳定性和磨耗方面优于或接近标准参数车辆,验证了其可行性,为车辆结构参数统一化设计提供相应理论依据。