轮轨非线性几何接触对铁道车辆稳定性影响的研究

与一般的机械系统相比,铁道车辆系统有着特殊的轮轨接触关系。尽管在理论上轮轨接触的几何关系是确定的,但是它具有很强的非线性特征,在高速运行条件下对铁道车辆运行稳定性有很大的影响。分析了轮轨滚动接触的几何线性和非线性参数表达,并通过车辆临界速度分叉图讨论了它们对车辆运行稳定性的影响。分析结果显示:随着车轮踏面名义等效锥度的减小,会使车辆线性临界速度和非线性临界速度增大;而在名义等效锥度大致相同时,轮轨接触的几何非线性参数的变化对车辆的动力学响应有比较大的影响,随着它的减小,速度分叉图中轮对横移幅值小的临界速度明显减小。从现场实测数据分析也能得到相似的结果。     

基于3种典型踏面的高速转向架稳定性研究

在分析高速轮轨匹配特征的基础上,以350 km.h-1速度等级的CRH3动车组作为研究对象,应用线性稳定性分析方法绘制高速轮轨空间的稳定安全裕度3维图。线性稳定性计算表明:等效锥度越大,转向架蛇行振动固有频率越高,因而必须不断增强抗蛇行减振器的串联刚度。非线性稳定性仿真计算表明:抗蛇行减振器需要利用其动态液压刚度的非线性形成宽频带吸能特性,以满足衰减蛇行振动、控制蛇行振幅和权衡准静态曲线通过性能等要求。仿真计算得出的动车转向架横向加速度值与实际测试的加速度值相吻合。根据曲线踏面磨耗情况确定了CRH3动车组选用3个典型车轮踏面(XP55,S1002CN和LMA)可以达到的最高商业运营速度。     

基于初态激扰法的铁道车辆蛇行运动不稳定极限环求解

针对铁道车辆蛇行运动分岔图中不稳定极限环通过整车动力学仿真求解困难的问题，提出直接积分求解不稳定极限环的方法——初态激扰法。该方法利用多体系统动力学软件Simpack建立高速列车动力学模型，采用Matlab软件对拟周期解进行动态加权调整后作为车辆系统主要部件的初始状态，在光滑轨道上时域积分获取刚体运动状态，在轮对横移幅值随运行速度变化的分岔图中绘制不稳定极限环及平衡点和稳定极限环，从而得到完整的车辆蛇行运动分岔图。以某高速列车为例，基于初态激扰法求解不同轮轨接触工况和抗蛇行减振器故障工况下蛇行运动分岔曲线。结果表明：新轮和磨耗轮工况的车辆蛇行运动分别对应Hopf亚临界分岔和超临界分岔行为，且磨耗轮工况下蛇行运动由亚临界分岔变为超临界分岔；不改变抗蛇行减振器阻尼仅减小卸荷力，对车辆Hopf分岔临界速度没有影响，但会降低车辆LPC (Limit Point Bifurcation of Circles)分岔临界速度并减小不稳定极限环的幅值，从而降低车辆横向稳定性。     

高速车辆横向稳定性的非线性影响因素研究

为了研究高速转向架非线性因素对横向稳定性的影响和评价4种车轮踏面的动力学性能,根据CRH5型动车组转向架的构造特点,建立了高速转向架非线性模型.与ALSTOM公司所采用的模型相比,高速转向架非线性模型充分考虑了一系定位机构所形成的轮对纵向非线性约束刚度,因而两者的临界速度分析结果基本一致,但轮轨力计算存在差距.相对而言,高速转向架非线性模型更好地体现了轮轴横向力与纵向蠕滑力间的相互制衡关系,有利于非线性稳态曲线通过性能分析.动态仿真数据分析表明:LMA型车轮踏面可以满足300 km/h ～350 km/h高速轮轨技术要求,而XP55型踏面则可以满足250 km/h ～ 300 km/h速度的要求;LM型踏面的主要问题是等效锥度比较大,从而造成轮轨横向力也比较大,S1002型踏面对轮轨存在比较严重的有害磨耗问题.     

等效锥度曲线非线性特性及影响研究

服役动车组跨线失稳显示转向架横向稳定性不但与名义等效锥度相关,等效锥度曲线非线性特征也对其有很大影响。定义了非线性因子并修正名义等效锥度,得到了非线性等效锥度指标。通过线路试验、仿真分析、主要服役踏面外形的长期跟踪,研究了车辆稳定性、跨线失稳与非线性等效锥度的关系。研究表明:非线性等效锥度结合了轮轨非线性特征与名义等效锥度值,更准确地反映我国动车组服役稳定性演变规律;动车组从哈齐线跨线至哈大线出现转向架失稳,非线性等效锥度过大是导致转向架失稳的原因。通过动车组踏面磨耗跟踪,踏面凹磨将导致非线性等效锥度增加并降低车辆稳定性。     

基于动车组横向稳定性的等效锥度限值研究

轮轨接触几何匹配关系直接影响动车组的振动性能,轮轨接触不匹配可造成动车组构架横向加速度报警、车体晃车等问题。通过对镟修后初始等效锥度和车体晃车进行研究,提出镟修后初始等效锥度限值,评价镟修质量。通过对服役动车组等效锥度的跟踪、镟修到限等效锥度分布范围与报警轮对等效锥度值的统计,提出LMA、LMB、LMC、LMD型4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值,评估动车组横向稳定性。根据等效锥度限值对车轮进行管理可以控制轮轨型面与接触关系,有效缓解构架横向加速度报警与车体晃车问题,实现车轮状态修,提高镟修经济性。     

轮轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响研究

为分析车轮和钢轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响,在北京地铁6号线选取典型车辆和区段分别开展了车轮踏面外形和钢轨廓形测试,并在Simpack软件中建立地铁B型车拖车动力学仿真模型。研究结果表明:车轮磨耗存在偏磨现象,且轮缘磨耗严重;等效锥度与车轮磨耗正相关,随着车轮磨耗的增大而增大,与钢轨磨耗负相关,随着钢轨磨耗的增大而减小;等效锥度小于0.07时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而增大;等效锥度大于0.5时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而减小;等效锥度在0.08~0.12时,车辆的非线性临界速度最高,其稳定性裕度最大。     

构架报警动车组运行稳定性的线路试验研究

服役动车组多次出现构架失稳报警。为评估报警时的运行安全,制定对应措施,组织了专项试验,采用轮轨力的试验方法研究构架报警时的运行稳定性和横向稳定性问题。通过将报警车轮制作成测力轮对,测试构架报警时的轮轨作用力和振动特性;通过建立仿真模型,开展计算分析,结合线路测试数据统计,综合分析构架横向失稳时的列车运行安全性。通过长期跟踪动车组车轮踏面磨耗状态,分析轮轨等效锥度与构架报警关系,提出了根据轮轨等效锥度实施动态旋修,减少构架报警的措施;结果显示:动车组构架报警时,列车有一定的安全裕量;在线路条件不变的情况下,轮轨等效锥度超过0.35mm后易出现构架报警,根据轮轨等效锥度可以评估服役动车组的横向稳定性,根据轮轨等效锥度实施动态旋修可有效减少构架报警。     

基于稳定性分析的动力集中动力车车轮踏面匹配研究

针对160km/h速度等级动力集中动力车,采用SIMPACK软件建立了整车动力学计算模型,对比分析了JM_3和LM_A踏面与60kg/m钢轨匹配时的动力车稳定性;基于振动模态,结合一系纵向刚度,分析了踏面磨耗过程中等效锥度变化对整车稳定性的影响,发现当车轮踏面等效锥度从0.01增大到0.5,在临界速度达到最高时,动力车失稳模态由车体侧滚转变为驱动摇头,随后临界速度下降。结果表明,采用JM_3踏面动力车能获得更好的稳定性。     

高速铁路轮轨型面匹配对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路LMA,S1002CN,XP55这3种典型型面车轮与60,60N和60D这3种廓形钢轨匹配的情况,建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合等效锥度、Polach指数、轮轨接触带宽变化率和接触点移动速率,分析新轮与新轨匹配和磨耗车轮的型面与钢轨原始廓形在服役条件下匹配的轮轨三维接触非线性关系,研究轮轨接触非线性关系对车辆动力学性能的影响。结果表明:S1002CN型面车轮时轮轨接触点跳跃最明显,LMA型面车轮时轮轨接触点分布最均匀,XP55型面车轮时轮轨接触带宽最窄,而且新轮与60N和60D钢轨匹配时轮轨接触点较60钢轨更集中在轨头中心处;S1002CN型面磨耗车轮与60钢轨匹配时脱轨系数、轮重减载率的相对增长率均大于与60N和60D钢轨匹配时;在1个镟修周期内,S1002CN型面车轮与3种廓形钢轨匹配时,随着运营里程的增加,滚动圆附近轮轨接触带宽和接触点移动速率均增大,且与60N和60D钢轨匹配时Polach指数由正值变为负值,影响车辆的蛇行失稳临界速度、失稳后的蛇行振动幅值以及车辆蛇行失稳极限环分岔特征。     

钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究

为解决动车组车辆在运行中出现的晃车及加速度异常情况,对磨耗后钢轨型面进行打磨,并通过仿真分析以及跟踪测量对打磨效果进行评估。分析结果表明,打磨后轮轨接触点对分布较打磨前更窄,分布于滚动圆附近,轮对发生横移时滚动圆半径变化较小,但由于其较小的接触面积导致接触应力较大,易产生较大的垂磨;打磨后钢轨匹配时由于等效锥度较小,对车辆运行稳定性及车体振动起到改善作用;打磨后钢轨的磨耗位置居中,磨耗面积小但垂直磨耗大,在运行一段时间后,轮轨接触光带会缓慢增大。因此,钢轨打磨缓解了车辆运行过程中构架横向加速度异常的情况,虽其滚动圆处垂磨较大,但其总磨耗量较打磨前小,且降低了对钢轨的损伤,有利于延长钢轨的寿命。     

轮轨滚动噪声激扰模型研究

为解决轮轨高频非线性接触问题和预测轮轨滚动噪声,需研究轮轨表面粗糙度的时域模型。在基于线性化理论的轮轨表面粗糙度频域表示方法的基础上,为满足轮轨非线性接触的要求,采用时频转换的方法建立轮轨表面粗糙度时域输入模型,并以Sato轮轨表面粗糙度谱为例,运用所建立的轮轨噪声预测模型及开发的轮轨噪声预测分析软件对轮轨滚动噪声辐射进行了仿真计算,将得到的轮轨滚动噪声频谱特征及其时域特点与工程实际监测结果进行对比分析,证明模型是可靠的。     

CHN60轨与59R2槽型轨对现代有轨电车轮轨匹配性能的影响分析

为研究CHN60钢轨型面、59R2钢轨型面与现代有轨电车不同磨耗车轮型面的匹配性能,对国内一现代有轨电车车轮型面进行现场测量,将运行不同里程后磨耗车轮型面分别与CHN60钢轨型面、59R2槽型轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮轨弹塑性接触有限元模型,对有轨电车轮轨接触的Mises应力、接触状态进行了研究。研究结果表明:新车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力相差不大;随着运行里程的增加,磨耗车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力先增加后减少;有轨电车磨耗车轮与59R2槽型轨匹配的接触斑面积大,最大等效应力小,且形状更接近于椭圆形,轮轨匹配性能较好。     

道岔区轮轨力转移与分配特性研究

道岔区复杂的轮轨接触状态决定了其轮轨力特性与一般线路相比存在较大的差异。利用空间轮轨接触几何关系理论和Hertz非线性弹性接触理论，研究道岔区车轮与同侧并列的2股钢轨同时接触的2点接触问题。依据2点接触时轮轨弹性压缩量计算每一接触点上的轮轨力，由此确定车辆侧向和直向通过时的轮轨2点接触范围以及轮轨力转移和分配特性。结果表明：2股钢轨上轮轨力转移和分配特性不仅与钢轨外形、轨顶高度和宽度有关，而且与车辆过岔方式有关；考虑轮轨2点接触后的计算方法，消除了单点接触轮轨力计算中轮轨接触点从一股钢轨转移到另一股钢轨上时引起的轮轨力突变，使得轮轨力变化更为平顺和真实。     

地震荷载作用下轮轨系统振动特性分析

为了分析轮轨系统在地震荷载激励下的动力响应,根据振动力学和有限元理论,利用ANAYS结构分析软件,建立三维轮轨系统接触的有限元模型,模型中考虑轮轨之间的实际接触状态,计算在地震荷载激励下的轮轨系统的振动特性。结果表明:地震荷载下轮轨接触应力是静力时的1.8倍,并且轮轨出现短暂的分离,接触区域的等效Mises应力有不同程度增大,车体加速度超出限值14.3%。     

有轨电车轮轨型面匹配问题的研究

利用轮轨型面测量仪测量大量即将磨耗到限的车轮踏面和钢轨轨头型面(简称旧轮和旧轨型面),从中选取具有一般性的型面建立三维有限元模型,分别研究了新旧车轮与新旧钢轨配合接触问题。通过几种轮轨接触模型的计算,总结了不同模型的接触斑面积、形状、位置,以及接触力分布和等效应力的变化规律,并分析了旧轮和旧轨被挤压出飞边的原因。结果表明:新轮-旧轨接触模型的接触斑面积较小,等效应力较大,接触位置在轨顶的两侧,说明磨耗到限旧轮踏面被镟修成标准轮踏面形状的不合理性。旧轮-旧轨配合,与其他模型相比接触斑面积最大,轮轨匹配相对较好,因此,适应旧轨轨头型面的车轮踏面形状设计对于减缓轮轨磨耗具有重要的意义。     

CRH2010A综合检测车测力车轮与钢轨滚动接触弹塑性分析

运用非线性有限元分析软件ABAQUS,考虑通过直线、曲线线路和道岔3种工况,建立CRH2010A综合检测车的测力车轮与钢轨的三维滚动接触有限元模型,进行不同工况下测力车轮与钢轨的滚动接触特性及车轮辐板和轴毂的受力分析。结果表明:测力车轮的滚动接触特性与动车车轮相似;通过直线线路且轮对横移量为8mm时,产生轮缘效应,车轮磨损加剧;通过曲线线路时,左侧车轮与钢轨出现两点接触中心区;通过道岔时,左侧车轮与长心轨均发生塑性变形,车轮和钢轨的磨耗加剧;轴毂的过盈连接对轮轨接触特性的影响,远小于其对轴毂连接区域和辐板加工区域应力的影响;在这3种工况下测力车轮均满足静强度要求。     

铁路货车轴重与轮轨动态相互作用研究

大轴重货车已被公认为铁路重载运输的发展方向之一。但是,轴重增加将加剧轮轨动态相互作用。分析轴重增加对动力学性能,特别是磨耗问题和轮轨动态相互作用的影响规律。表明小曲线半径条件下,随着轴重的提高,轮轨动态相互作用加剧;在曲线半径较小的情况下,轴重越大,导致的钢轨RCF损伤越明显;而且,轮轨接触应力随着轴重的增加而增加。充分分析轴重与轮轨动态相互作用的关系将有利于重载运输的安全性,减缓对线路的破坏作用。     

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。