高速列车轮轨参数对车轮踏面磨耗的影响

建立了高速列车多体动力学仿真模型和车轮踏面磨耗计算模型, 通过动力学模拟计算了轮轨接触关系和接触力, 用FASTSIM重新计算轮轨接触斑内的滑动速度、轮轨切向力和摩擦功率的分布, 采用基于摩擦功的轮轨磨耗模型计算了车轮滚过一圈时踏面上一个接触斑的磨耗质量, 再通过累积得到运行一定距离后的踏面磨耗深度。采用数值仿真方法研究了不同车轮踏面外形、轮对内侧距、轨底坡和车速对踏面磨耗深度和磨耗分布的影响。计算结果表明: LMA和S1002踏面的磨耗分布比较均匀, LM踏面的磨耗深度最大, LM和XP55踏面的磨耗区域更靠近轮缘; 在LMA踏面标准轮轨匹配参数下, 轮对内侧距增加会增加磨耗, 磨耗深度随着轨底坡减小而增大; 高速列车车轮踏面磨耗与等效锥度密切相关, 较小的等效锥度会减小磨耗, 但等效锥度的选择需要兼顾动力学性能的其他方面。     

高速列车车轮偏心磨耗的形成机理与发展规律

为了研究高速列车车轮偏心磨耗的形成机理,根据现场测试和多体动力学仿真结果,建立了高速列车车轮-钢轨系统有限元模型,采用瞬时动态仿真分析了车轮残余静不平衡对轮轨法向接触力的影响;对最高速度为250 km·h^-1动车组列车的运营速度进行现场测试,计算了列车匀速运行区间的平均速度;基于摩擦功周期性波动引起轮轨非均匀磨耗的观点,分析了车轮残余静不平衡量对轮轨接触力的影响,研究了车轮偏心磨耗的成因;通过改变轮轨有限元模型中车轮辐板上特定区域的材料密度来模拟残余静不平衡量,研究了偏心磨耗与残余静不平衡量大小的关系;通过重新编译有限元模型节点坐标来模拟偏心磨耗后车轮踏面的真实轮廓,研究了车轮偏心磨耗的发展规律。仿真结果表明：当高速列车以237 km·h^-1的速度匀速运行时,车轮残余静不平衡会引起轮轨系统发生约24 Hz的振动,导致轮轨法向接触力周期性变化,引起车轮踏面发生1阶非圆磨耗,即车轮偏心磨耗;随着磨耗的不断加深,轮轨系统约48、72 Hz的振动被激励,引起2、3阶车轮多边形磨耗;当磨耗后的车轮踏面最大径跳大于0.15 mm时,在0~150 Hz的频率范围内,72 Hz的振动强度最大,导致车轮3阶多边形磨耗迅速增加;降低车轮残余静不平衡量可减缓1阶非圆车轮的形成。     

中国高速列车车轮多边形磨耗特征分析

车轮失圆问题广泛存在于我国高速列车,对列车乘坐舒适性和运行安全性有显著影响.从2011年至2020年,测试了12条高铁线路中9种型号高速动车组的车轮不圆度,包括200、250、300、350 km/h 4种运营速度,共3.05万个车轮;对车轮不圆度测试数据进行特征分析,掌握我国高速动车组车轮多边形磨耗的发展规律;分析影响车轮多边形发展的关键因素,包括车辆轴距、轨道结构和研磨子修形.结果表明：高速动车组车轮存在10～30阶多边形磨耗,多边形波长为90～288 mm,且在100～178 mm波长范围的多边形磨耗最为严重;车辆轴距、扣件类型和环境温度与车轮多边形磨耗形成密切相关,通过改善研磨子和车轮踏面匹配关系,保证踏面横向和圆周处于良好的磨耗状态,使高阶车轮多边形粗糙度水平最大下降60%.     

道岔钢轨病害打磨对高速列车动力学性能影响研究

选取京沪高铁1组轨面病害较为严重的道岔作为道岔钢轨病害打磨研究对象,进行长期跟踪观测,并分析打磨前后轮轨几何关系,建立车辆—道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型,研究对比打磨前后高速列车动力学特性。结果表明:通过道岔钢轨病害打磨,钢轨轨面病害得到较好改善,但道岔钢轨工作边出现棱角,轨面出现双光带现象;轮轨等效锥度均未在理想范围以内;列车通过道岔岔中区域时,高速列车动力学特性得到较好的改善,但列车通过岔前及岔后区域时,高速列车动力学特性不如打磨前。建议高速道岔打磨时需要充分考虑轮轨关系,不应仅仅对轨面病害进行打磨。     

中国列车空气动力学研究进展

论述了列车空气动力学研究方法: 数值模拟计算、风洞试验、动模型试验和在线实车试验; 讨论了几种典型列车的空气动力性能: 中华之星高速列车、双层集装箱货运列车、磁浮高速列车; 建立了列车交会压力波、线间距、安全退避距离的理论关系式; 研究了列车流线形外形与气动性能的关系: 流线形头形、车身截面外形、列车编组方式、车体表面以及影响气动性能的受电弓导流罩、外风挡、底罩及裙板、导流板等主要部件, 介绍了研制流线形列车车体的成套技术及全面推广应用情况; 研究了隧道-列车耦合空气动力特性; 论述了为既有线5次大提速、百里强风区的兰新铁路解决的列车空气动力影响行车安全问题。     

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.      

准高速列车气动性能试验研究

介绍了以东风１１型内燃机车牵引的准高速列车风洞模型试验，包括以韶山型电力机车作牵引的对比试验。分别对４种列车牵引编组方案进行了气动阻力，列车表面压力及列车会车时的空气压力测量，于不同工况下共测得数据１８０组。在对测试结果进行分析研究的基础上，对其空气动力性能作了客观评价并对存在问题提出了建议。     

系统参数对高速列车车轮踏面凹陷磨耗的影响

为了探明高速列车车轮踏面凹陷的原因, 建立了以车辆-轨道系统动力学模型与磨耗模型为一体的磨耗预测模型, 在轮轨法向接触中采用Herz接触理论进行接触斑形状和法向力分布的计算, 在轮轨切向接触中采用Kalker简化理论计算切向力, 采用Achard磨耗模型计算磨耗量。为了修正磨耗预测模型, 仿真分析了CRH₃型高速列车在武广线上运行时的车轮踏面磨耗形状, 并与实测车轮踏面磨耗形状进行了对比。为了得到与实测结果比较接近的磨耗规律, 考虑磨耗系数的不确定性, 在磨耗预测时初始的磨耗系数应除以10。利用修正的理论模型, 研究了钢轨型面、车轮型面、运行速度、轨道不平顺、线路条件、转向架结构和悬挂参数对高速列车车轮踏面磨耗规律的影响。研究结果表明: 车轮型面和钢轨型面影响车轮踏面磨耗位置、磨耗深度与磨耗宽度, 运行速度影响车轮踏面磨耗深度, 轨道不平顺影响车轮踏面磨耗深度和宽度, 线路曲线半径影响车轮踏面磨耗深度和宽度, 过高的运行速度、不合理的轮轨匹配关系和过高的轨道平直度容易引起车轮集中磨耗, 导致车轮踏面出现凹陷, 转向架悬挂和结构参数对踏面凹磨产生的影响较小。     

轨道车辆车轮多边形研究进展

针对轨道车辆普遍存在的车轮多边形问题, 从轨道车辆的稳定性、曲线通过能力、平稳性三方面阐述车轮多边形对轨道车辆动力学性能的影响, 从疲劳寿命角度评价车轮多边形对车辆-轨道系统零部件的影响; 基于轮轴和轨道结构特性、轮轨间动力作用、车轮材料及加工工艺方面研究, 对车轮多边形形成机理进行了归类; 归纳了车轮多边形产生的影响及其成因, 概括了现有车轮多边形检测与控制方法; 提出了车轮多边形研究展望, 为后续车轮多边形问题研究提供参考。研究结果表明: 车轮多边形会威胁到车辆系统稳定性, 降低车辆的曲线通过性能及车辆平稳性, 影响了旅客乘坐舒适性, 并对车辆-轨道零部件产生共振疲劳损伤; 轮轴共振是引起低速车辆车轮多边形的原因之一, 钢轨在外部激励下的响应以及局部模态与车轮多边形的形成也有必然联系, 轮轨摩擦振动则普遍适用于解释所有轨道车辆车轮多边形的产生, 车轮自身材质特性及制造镟修工艺也是车轮多边形现象发生的潜在因素; 动静态检测是处理车轮多边形现象的方法之一, 另外就是通过优化车辆-轨道系统结构、加强车轮生产工艺、对车轮踏面圆度及时修正等措施实现对车轮多边形现象的控制; 目前, 镟修仍是车轮多边形最直接处理手段, 应当改善镟修工艺。     

高速列车气动性能低温风洞试验

采用低温风洞试验对比了中国高速列车HST、法国高速列车TGV和德国高速列车ICE3的气动性能; 基于EN 14067和TSI标准在铝质材料模型上测试了不同侧偏角下列车阻力、升力和倾覆力矩; 利用粒子图像测速技术测量了列车周围流场, 得到了高速列车与空气的相互作用机理和气动现象; 采用计算流体力学方法模拟了高速列车实际运行情况, 并与低温风洞试验流场测试结果进行了对比。研究结果表明: 0°~10°侧偏角下列车阻力系数绝对值从大到小依次为HST、ICE3、TGV, 侧偏角为0°时, 3种列车的阻力系数分别为0.223、0.166、0.140;0°~5°侧偏角下列车升力系数绝对值从大到小依次为TGV、ICE3、HST, 且数值均接近0, 其中ICE3、HST为正升力, 列车受压向轨面力, TGV为负升力, 列车受上浮力; 0°~5°侧偏角下列车倾覆力矩系数绝对值从大到小依次为TGV、HST、ICE3, 侧偏角为0°时, 3种列车倾覆力矩系数分别为0.021、0.019、0.011;HST高速列车由于头部双层造型设计, 在头部曲面过渡处出现流动分离, 增大了列车摩擦阻力和压差阻力, 导致列车阻力系数比TGV和ICE3偏大一些, 但阻力系数在高速列车头型设计技术要求限值0.25之内, 且升力和倾覆力矩性能较好, 列车具有良好的稳定性, 满足高速列车头型气动设计的工程需求。     

国内外高速列车动力学评价标准综述

针对高速列车的动力学性能评价标准中所涉及的评价内容、评价方法、评价指标及限值展开综述,围绕蛇行运动稳定性、脱轨安全性和运行平稳性展开标准分析和对比,包括ISO系列、UIC系列、EN系列、TSI系列、FRA系列、APTA系列和中国国标等法律规范、行业标准、技术规范等,指出不足或改进建议; 对具有代表性的动力学标准进行详细对比,包括新旧版本国标《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599)、国际铁路联盟Testing and Approval of Railway Vehicles from the Point of View of Their Dynamic Behaviour—Safety—Track Fatigue—Running Behaviour (UIC 518)、俄罗斯Railway Multiple Units—Durability and Dynamics Requirements (GOST/R 55495)等; 对北美FRA和APTA系列标准规定的理想轨道激励下动态响应、准静态性能评价方法等进行应用示范。研究结果表明：蛇行运动稳定性均通过构架横向加速度、构架力或轮轨力进行评判,而数值仿真、台架和线路试验需选择对应适用的方法; 结合现阶段中国高速列车的长期服役动力学性能,若列车以400 km·h^-1及以上速度运行时,建议加速度滤波带宽仍采用0.5~10.0 Hz,幅值限值建议7 Hz以内为8 m·s^-2,而7~9 Hz放宽至10 m·s^-2,并持续10次、2 s或100 m; 针对爬轨脱轨安全性评估,现有标准均基于轮轨力和车轮抬升量进行动态和静态评判,但在指标限值、持续作用时间或运行距离上存在差异,建议采用车轮脱轨系数和轮重减载率的联合评判方法; 新版GB/T 5599删除了倾覆系数和轮轨横向力指标,放宽了轮重减载率限值,轮轴横向力限值维持不变; GOST/R 55495评价方法不区分车辆类型,采用构架力而非轮轨力对运行安全性进行评价,横垂向平稳性指标计算时采用相同的频域加权,且低频段加权带宽及幅值显著比GB/T 5599大,不对平稳性指标进行分级评价; 复兴号CR400BF动车组的运行安全性指标和平稳性指标同时满足GB/T 5599和GOST/R 55495标准要求; 采用北美标准对某160 km·h^-1客车进行理想轨道激励下动态响应分析,8类不平顺激扰中的重复高低和单次高低不平顺工况较为恶劣,6个评价指标中的轮重减载率和车体垂向加速度容易超限。     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h^-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s^-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明：在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s^-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h^-1,以保证列车行车安全。     

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h^-1时, 200 km·h^-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h^-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h^-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h^-1, 降雨强度为100 mm·h^-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。     

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响,分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析,通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型,分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响,并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验,在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验;对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验,论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明：在钢轨波长为120 mm,车轮多边形为20阶,钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下,当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m^-1增加到200 MN·m^-1时,钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变,在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下,轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响;随着疲劳试验次数的增加,轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降,退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变,芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹,开胶和裂纹深度不大于5 mm,橡胶本体均无裂纹,各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。     

高速列车风阻制动试验方法综述

针对高速列车风阻制动试验方法缺少统一标准的问题,从气动特性和装置工作特性两方面系统梳理了风阻制动的相关成果与进展;分析了风翼板形状、尺寸、安装位置和间距对气动特性的影响,装置结构、工作原理和配置对工作特性的影响,阐明了制动系统性能的试验需求;分析了风阻制动对车上其他设备、轮轨/磁浮列车运行稳定性、气动噪声的影响,阐明了风阻制动运行影响性的试验需求;分析了物体撞击、平均风载荷和脉动风载荷对风阻制动装置的影响,以及风阻制动装置安装对车体结构强度的影响,阐明了风阻制动结构强度的试验需求。研究结果表明：随着新型复合材料风翼板的应用,需采用高速摄影机记录等方式获取更详细的鸟撞试验过程信息;风载荷试验便于模拟验证不同运行工况下装置的制动能力、强度和气动噪声,但受空间和成本的限制,难以进行制动系统和车体的试验;线路试验可以验证制动性能、运行影响性和结构强度,但受天气条件影响,难以模拟所有运行工况,未来需进一步研究风阻制动的标准试验方法,探索不同装置位置、运行工况和故障状态下地面风载荷试验和线路试验模拟方法,完善试验结果的评价标准。