长春轻轨3号线钢轨轨底坡对列车车轮磨耗的影响

摘要： 为探究小半径曲线钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响规律,建立长春市轻轨3号线70%低地板轻轨列车车轮磨耗预测分析模型,包括独立旋转轮对的车辆 轨道耦合动力学计算模型、轮轨接触模型和Archard材料磨耗模型,并采用这些模型分析轻轨列车通过小半径曲线轨道时轨底坡对车轮磨耗的影响。分析结果表明：轻轨列车通过小半径曲线轨道时,动车轮对的磨耗程度比拖车轮对更严重,动车轮对总磨耗量为拖车轮对总磨耗量的159%;从轮对自身来看,内侧车轮的磨耗均比外侧车轮的磨耗严重,内侧车轮总磨耗量为外侧车轮总磨耗量的165%;钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响显著,车轮踏面最大磨耗量出现位置随轨底坡变化的规律较为复杂,车轮轮缘磨耗量在轨底坡为1/20时最小。     

不同线路条件对车辆动力学性能的影响

为探查不同曲线半径和线路激励对车辆动力学性能的影响,应用动力学方法建立车辆-轨道系统动力学模型,计算各动力学评价指标的变化情况.研究结果表明:增加曲线半径有利于增加车辆通过曲线的安全性;车辆经过曲线线路连接处时脱轨概率较大,可重点考虑曲线线路连接位置车辆的运行状态;适当增大曲线半径可以减少轮轨间磨耗,有效降低车轮与轨道的磨耗速度;轨道激励变化对车辆临界速度的影响较大,可根据实际运行工况计算最佳临界速度范围.     

轴箱内置与外置直线电机地铁车辆曲线通过性能对比

为比较轴箱内置与外置直线电机地铁车辆的曲线通过性能,建立直线电机地铁车辆-无砟轨道耦合动力学模型.模型将直线电机定子和转子考虑为Euler梁,将定子与转子之间的垂向电磁力作为气隙的函数,将轨道系统简化为梁-三维实体有限元模型.详细比较轴箱内置与外置直线电机车辆曲线通过时的轮对冲角、轮轨横向力、脱轨因数、运行平稳性和车轮磨耗指数.结果表明:在不同的曲线半径和行车速度以及车轮踏面周向存在非均匀磨耗的状态下,轴箱内置直线电机车辆的曲线通过性能均优于轴箱外置车辆;随着曲线半径增加,轴箱外置直线电机车辆动力学性能迅速减小,而轴箱内置式车辆缓慢减小.     

分数阶PID扭矩控制在边驱耦合轻轨车辆的应用研究

边驱耦合独立轮对(Independently rotating wheelset,IRW)技术是100%低地板轻轨车(Low floor tram,LFT)的关键技术之一,边驱电机的扭矩控制策略直接影响轻轨车的动力学性能.本文基于5自由度独立轮对的轨行机理,搭建了考虑边驱传动系统的单节轻轨车动力学模型.应用了一种分数阶PID(Fractional order PID,FOPID)扭矩控制策略,优化了车辆的曲线通过性能.采用Riemann-Liouville(RL)分数阶微积分理论及Oustaloup滤波器数值逼近法构成FOPID控制器,通过寻优运算对FOPID参数进行整定,在Simulink平台下建立了整车的集成控制系统.通过扭矩控制器与整车动力学模型s函数联合仿真的方式,开展了100%低地板轻轨车辆的直线与曲线运行特性研究,并将计算结果与无控制的独立轮对模型、传统轮对模型进行了对比分析.研究结果表明,在直线运行下,FOPID控制下的轻轨车能够提高车辆的稳定性,受控轮对的抗轨道不平顺激扰能力较强.在大半径曲线下,无控制的独立轮对曲线通过性较差,而受分数阶PID控制的独立轮对能够表现出与传统轮对一样优异的曲线通过性能;在小半径曲线下,分数阶PID扭矩控制策略能够使轻轨车获得足够的导向力,曲线通过性能明显优于其他模型.     

月球车驱动轮爬坡性能的影响因素研究

研究了驱动轮的滑转率、结构参数和载荷对月球车爬坡性能的影响。针对月表复杂路况下车辆通过性较差问题,为提高月球车爬坡性能,基于车辆地面力学中土壤的承压和剪切特性理论,建立了刚性驱动轮与月面斜坡松软月壤间的相互作用模型。通过车轮实例对月球车爬坡性能进行预测和分析。实验结果表明,增大驱动轮的滑转率、半径、宽度、轮刺高度和减小载荷能够增强月球车爬坡能力和提高车轮驱动效率,但随着爬坡能力的增强,车轮驱动效率呈现先增大后减小的趋势。研究结果为月球车轮结构设计以及控制策略的研究提供了参考。     

农用履带车辆软地转向特性建模与仿真

在履带车辆软地转向建模问题的研究中,为有效预测农用履带车辆在软地面上的转向特性,根据作用在转向车辆上的力和力矩建立了车辆稳态转向力学模型,进行了数值仿真,并对模型车辆进行了软地转向行驶试验.结果认为:当外侧履带打滑率增大时,履带车辆有效牵引力和内侧履带的打滑率逐渐增大,但转向力矩逐渐减小;当车辆转向比的减小时,履带车辆有效牵引力、内侧履带打滑率及转向半径随之减小,但转向力矩增大.建立的转向力学模型能够预测履带车辆的沉陷量、转向半径和内、外履带的打滑率,并且预测最大误差小于试验值的15％.研究结果为准确、有效地预测农用履带车辆软地转向性能提供了参考依据.     

耦合车轮导向机理分析及导向性能对比研究*

不同耦合方式的车轮,其车辆的导向性能有明显不同.建立传统轮对、独立旋转车轮、纵向耦合轮对和弹性阻尼耦合轮对转向架动力学模型,分析其导向机理及纵向蠕滑力的产生,通过仿真确定不同耦合方式车轮车辆的曲线通过规律.计算结果表明传统轮对能够产生同位车轮大小相等、方向相反的纵向蠕滑力且导向能力最优;独立旋转车轮不能产生纵向蠕滑力,通过曲线时只能依靠轮缘进行导向;纵向耦合轮对产生同侧前后大小相等、方向相反的纵向蠕滑力,导向能力优于独立旋转车轮;弹性阻尼耦合轮对产生的纵向蠕滑力规律与传统轮对纵向蠕滑力规律基本一致,其导向性能略差于传统轮对,优于纵向耦合轮对.     

基于LMM和NARNN的车轮踏面退化状态预测

作为列车的关键走行部件,车轮的退化状态对列车的安全具有重要影响。以车轮踏面磨耗量为研究对象,将历史车轮踏面磨耗数据作为输入,分别采用线性混合模型(LMM)和非线性自回归神经网络(NARNN)对车轮踏面磨耗进行建模。首先,对比不同随机效应的LMM,选择随机系数相关的LMM,进而预测车轮踏面磨耗量;其次,使用随机搜索算法优化NARNN中的参数。结果显示,基于LMM的踏面磨耗值的预测精度更高。     

基于梯度提升决策树的车轮轮缘厚度磨耗预测

轮对在列车走行过程中起着导向、承受以及传递载荷的作用，其踏面及轮缘磨耗对地铁列车运行安全性和钢轨的寿命都将产生重要影响。根据地铁列车车轮磨耗机理，分析车轮尺寸数据特点，针对轮缘厚度这一型面参数，基于梯度提升决策树算法构建轮缘厚度磨耗预测模型。在该模型的基础上，任意选取某轮对数据进行验证分析，结果表明：基于梯度提升决策树的轮对磨耗预测模型具有较好的预测精度，可预测出1~6个月的轮缘厚度变化趋势范围，预测时间范围较长，可为地铁维保部门对轮对的维修方式由状态修转为预防修提供指导性建议。     

月球车驱动轮爬坡牵引性能预测

月球表面可通过性较差,预测月球车驱动轮的爬坡牵引性能,对于保证探测工作的正常进行有重要意义。在传统地面车辆理论与研究方法的基础上,考虑斜坡角度对浅层月壤应力分布的影响和轮刺作用,给出了刚性车轮与月壤的相互作用模型。通过实例,计算和分析了不同参数的变化对车轮牵引性能的影响。分析结果表明:车轮的挂钩牵引力和滚动阻转矩受到车轮滑转率、结构尺寸和轮刺高度等参数变化的影响;车轮驱动效率随滑转率变化呈现先增大后减小的趋势,在最优的滑转率区间内能获得较大值。分析结论为月球车车轮的设计和控制提供了参考。     

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.     

基于不同线路条件下的车辆动力学性能分析

随着我国在既有线上的线路改造和载运量的不断增加,对线路参数的设计要求也随之提高。应用动力学方法建立车辆-轨道系统动力学模型,研究不同曲线半径和线路激励对车辆动力学性能的影响。研究结果表明：增加曲线半径有利于增加车辆曲线通过安全性,车辆经过曲线线路连接处时脱轨概率变大,驶入曲线时的脱轨系数明显高于驶出曲线,重点考虑曲线线路连接位置处的车辆通过速度以及车辆运行状态;适当增加曲线半径可以减少轮轨间磨耗,有效降低磨耗速度;轨道激励变化对车辆临界速度的影响较大,应根据实际运行工况模拟得出最佳临界速度范围。     

A numerical method for prediction of curved rail wear

Important published papers on rail wear in the past were reviewed. A numerical method was put forward to predict curved rail wear during a railway vehicle curving. The numerical method was discussed in detail. It considered a combination of Kalker’s non-Hertzian rolling contact theory, rail material wear model, the coupling dynamics of the vehicle and track, and the three-dimensional contact geometry analysis of wheel-rail. In its numerical implementation, the dynamical parameters of all the parts of the vehicle and track, such as normal loads and creepages of the wheels and rails, were firstly obtained through the curving dynamics analysis. The wheel-rail contact geometry calculation gave the wheel-rail contact geometry parameters, which were used in the wheel-rail rolling contact calculation with Kalker’s non-Hertzian rolling contact theory modified. The friction work densities on the contact areas of the wheels and rails were obtained in the rolling contact calculation, and were used to predict the rail running surface wears caused by the multiple wheels of the vehicle simultaneously with the rail material wear model. In the rail material wear model, it was assumed that the mass loss of each unit area was proportional to the frictional work density in the contact area. A numerical example was present to verify the present method. The numerical results of the example are reasonable, and indicate that the high rail wear of the curved track caused by the leading wheelset is much more serious than those caused by the other three wheels of the same bogie.     

基于卡尔曼滤波的轮对速度估计及仿真

高速列车在制动防滑过程中,由于轮轨蠕滑率很小,采用传统的速度测量和估计方法难以获得轮对速度的快速动态变化,为此建立了车辆系统离散状态方程,采用卡尔曼滤波的方法对轮对速度进行估计,并根据车轮速度和轮对减速度随着轨面条件的变化,实时修正协方差矩阵,以保证估计的稳定性和准确性。通过几种估计方法的对比分析结果表明,在轮对速度发生突变时,平均值估算法将严重偏离实际值。受轨面条件的影响,最大值估算法存在较大的波动,不适合应用于防滑过程中轮对速度的估计。卡尔曼估计法在各种条件下具有有效性和准确性。     

车轮与高速道岔翼轨的接触分析

为合理设计道岔,更好地匹配轮对和道岔型面,用有限元法求解车轮与高速道岔翼轨的接触问题.建立4种不同型面车轮与高速道岔翼轨接触的有限元模型,分析车轮通过高速道岔翼轨的轮岔接触斑和等效应力的变化规律,计算结果表明:机车车轮与翼轨的接触斑位于翼轨轨顸外侧,动车车轮与翼轨接触的接触斑位置在翼轨轨顶中部;磨耗后JM3型面车轮与翼轨接触时,容易出现应力集中,尤其是在距离心轨尖端50 cm位置处;磨耗后JM3型面车轮与翼轨接触产生的等效应力最大.     

Development of a model for the simultaneous analysis of wheel and rail wear in railway systems

The prediction of wheel and rail wear is a fundamental issue in the railway field, both in terms of vehicle stability and in terms of economic costs (planning of maintenance interventions). In particular the need of an accurate wear model arises from the interest of Trenitalia S.p.A. and Rete Ferroviara Italiana in designing new wheel and rail profiles and new bogie architectures optimized from the wear viewpoint with the aim of improving the wear and stability behavior of the standard ORE S1002 wheel profile matched with the UIC60 rail profile canted at 1/20 rad (which represents the wheel–rail combination adopted by the Italian railway line). In this work the authors present a wear model specifically developed for the evaluation of the wheel and rail profile evolution, the layout of which is made up of two mutually interactive but separate units: a vehicle model for the dynamical analysis and a model for the wear evaluation. Subsequently the new model has been compared with the wear evaluation procedure implemented in Simpack, a widely tested and validated multibody software for the analysis of the railway vehicle dynamics; the comparison aims both to evaluate the model performance (in terms of accuracy and efficiency) and to further validate the wear model (just tested, as regards the wheel wear prediction, in previous works related to the critical Aosta–Pre Saint Didier line). The comparison has been carried out considering a benchmark train composed by a locomotive (E.464) and a passenger vehicle (Vivalto) provided by Trenitalia while the simulations have been performed on a mean Italian railway line (obtained by means of a statistical analysis of the data relative to the whole Italian railway network provided by Rete Ferroviaria Italiana (RFI)).