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。     

车轮滑行轮轨热接触耦合有限元分析

为研究轮轨接触温升和热应力规律,用有限元法分别建立锥型踏面车轮和磨耗型踏面车轮在60kg／m钢轨上滑行的三维热接触耦合模型．考虑温度场与结构场相互影响、相关材料参数随温度变化以及轮轨接触问题,对在一定速度下抱死滑行时轮轨温度场和应力场的热一结构直接耦合进行分析．结果表明磨耗型踏面车轮的接触斑面积大于锥型踏面车轮的接触斑面积,且前者接触斑趋近于圆形,后者接触斑为细长椭圆形;材料参数随温度的变化对轮轨温度场和应力场影响很大,不可忽略;温度场对应力场的影响很大,温度升高的趋势与应力升高的趋势相同;磨耗型踏面对轮轨的热损伤比锥型踏面小很多．     

轻轨线路曲线半径对车轮磨耗的影响

为分析线路曲线半径对轻轨列车车轮磨耗的影响,以长春市轻轨3号线70％低地板轻轨列车车轮为研究对象,建立独立旋转轮对的轻轨车辆-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,对轻轨列车车轮磨耗进行仿真分析.计算结果表明:轻轨列车通过半径为50 m的曲线时,圆曲线上的车轮磨耗比缓和曲线更严重,整体轮对比独立轮对磨耗更严重;曲线半径大于150 m时,内、外侧车轮磨耗随着曲线半径增大而减小,并且在曲线半径相同的条件下,独立轮对各车轮磨耗量均比整体轮对各车轮磨耗量约大2 ～3 mm;随着列车行驶里程的增加,车轮磨耗率有先增大后减小的变化趋势,即可以将车轮磨耗分为快速磨耗和稳定磨耗2个阶段.轻轨车辆外侧车轮的磨耗率大于内侧车轮,说明车轮磨耗主要发生在外侧车轮.     

基于Gocator视觉传感器的轨头参数计算

轮轨间紧密接触使轨头轮廓产生不规则变化,传统钢轨检测方法主要测量钢轨的垂直磨耗和水平磨耗,不能全面反映钢轨横截面的轮廓信息。基于Gocator视觉传感器采集、拼接得到的完整轨头轮廓数据及标准钢轨轨头轮廓曲线解析式,提出计算轨头剩余面积、轨头45°角磨耗和轨头角度参数的计算方法。该方法通过传感器拼接得到的离散点数据,采用优化分段三次的拟合方法进行多项式拟合,依次对多项式积分得到整个轨头剩余面积;通过轨头45°角所在直线与测量轮廓的交点计算其磨耗;通过计算轨头圆弧相交点处切线斜率得到轨头角度。实验数据表明,在钢轨同一截面计算得到的参数误差小,精度高,计算速度快,这些参数的有效测量值为钢轨自动化打磨维护提供指导意义。     

基于轨面辨识的电力机车粘着控制仿真研究

针对避免因轨面粘着条件变化而造成车轮空转,提出了基于模糊理论的轨面辨识控制方法,将实时蠕滑速度和全维状态观测器实时估计,并利用粘着系数通过模糊逻辑推理判断的当前轨面与标准轨面的相似度,快速、准确地辨识出当前轨面的粘着峰值点.最后通过对牵引电机的输出转矩动态调整,以实现充分利用当前轨面轮轨间接触力的目的.在MATLAB/Simulink中建立四轴电力机车模型进行仿真研究.仿真结果表明:基于模糊理论的轨面辨识粘着控制方法有效的防止了车轮空转,提高了列车运行的稳定性和铁路运输效率.     

上海地铁统型车轮热机耦合有限元分析

为分析上海地铁统型车轮踏面制动时的热应力,建立上海地铁13号线车轮及上海地铁统型车轮的有限元模型,依据美国铁路协会(Association of American Railroads,AAR)S-660标准、欧洲的BS EN标准、国际铁路联盟UIC 510-5标准,模拟在踏面制动时这二种车轮在曲线、直线和道岔工况下的热机耦合应力场.结果表明,在踏面制动时,上海地铁13号线采用的直辐板车轮和上海地铁统型车轮的应力均满足标准要求,且后者性能优于前者.     

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。     

上海地铁车辆统型车轮疲劳强度分析

为分析上海地铁车辆统型车轮的疲劳强度,建立上海地铁车辆统型车轮和上海地铁11号线车轮的有限元模型,依据国际铁路联盟的UIC标准以及欧洲的EN标准模拟车轮在直线、曲线和道岔等工况下的应力;分析车轮疲劳强度的计算方法,并依据Haigh图评估分析这2种车轮的疲劳强度.结果表明,2种车轮均具有良好的静强度和疲劳强度性能,都能满...     

应变电测法监测无缝线路实际锁定轨温的变化

实际锁定轨温是铁路部门衡量无缝线路钢轨应力状态的标准和轨道安全性的重要指标。采用应变电测法监测实际锁定轨温的变化,通过无线传感器网络的方式采集和传输数据,在1500m长的无缝线路段进行了一个月的在线监测试验,解算出了不同区段实际锁定轨温的变化,其中道岔区附近起点处较大（±10℃左右）,远离道岔区的轨道段变化较小（过渡段为±5℃以内;有砟轨道段为±3℃以内）。经分析和试验验证：应变电测法能够满足铁路部门对该无缝线路段长期在线安全监测的技术要求。     

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。     

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.     

滚动接触疲劳载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹应力强度系数的影响

为研究轮轨滚动接触疲劳(Rolling Contact Fatigue,RCF)载荷对铁轨表面裂纹应力强度系数的影响,以UIC60铁轨轮廓尺寸为依据建立轮轨接触的三维有限元模型,通过改变RCF载荷大小、轮轨表面摩擦因数和接触中心位置等轮轨接触的输入参数,计算铁轨表面接触裂纹尖端的应力强度系数,分析RCF载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹的影响.结果表明RCF载荷作为控制铁轨表面接触裂纹的重要因素,其变化直接导致裂纹尖端应力强度系数的变化,从而改变裂纹的扩展状况.为减缓铁轨表面裂纹的扩展,可以针对载荷采取均匀分布载重量、使用润滑剂降低轮轨摩擦因数等相应措施.     

轮轴压装过程的有限元分析

由于轮轴压装质量直接影响轨道列车的安全运行,针对轮轴压装不当产生轮轴内表面严重机械损伤的问题,应用有限元法对其进行研究.用Abaqus建立过盈配合下轮轴的有限元模型,仿真分析压装过程中压装力和等效应力的变化及分布规律,发现应力集中位置位于车轴轮座与轮毂孔的结合处及注油孔的外沿,因此应对应力集中位置做重点探伤;压装过程中压装力和最大等效接触应力都不断变化,其中压装力随着压装位移的增大而逐渐增大,而最大等效接触应力随着压装位移的增大呈先增大后减小的趋势;通过对比不同压入位移时轮轴的等效应力发现,压入位移超过190 mm时,车轴左端卸荷槽处开始发生形变,出现应力集中现象,因此压入位移应控制在190 mm以内.     

Wheel/rail contact dynamics in turnout negotiations with combined nodal and non-conformal contact approach

In railroad turnouts, geometries of tongue and crossing rails are very complex and their shapes are changing along the track. Therefore, wheels are subjected to not only tread and flange contacts, but also the back-of-flange and top-of-flange contacts in the case of spring switches of tram vehicles. For this reason, one needs to deal with significant jumps in contact points for solving wheel/rail contact problems in turnout, and an accurate prediction of jumps in contact points is one of the most important issues that need to be carefully handled in the dynamic simulation of vehicle/turnout interactions. In this investigation, a numerical procedure that can be used for solving such a complex wheel/rail contact problem in turnout is proposed. In particular, a combined nodal and non-conformal contact approach is developed such that significant jumps in contact points are detected using the nodal search, while the exact location of contact point is then determined with continuous surface parameterizations using non-conformal contact equations. With this combined nodal and non-conformal contact approach for the contact geometry analysis of vehicle/turnout interactions, multiple look-up contact tables can be generated in an efficient way without losing accuracy. Since detailed contact search is performed off-line to obtain look-up contact tables, significant changes in contact points in turnout can be efficiently predicted on-line with tabular data to be interpolated in a standard way. Several numerical examples are presented in order to demonstrate the use of the numerical procedure developed in this investigation.     

Metamodelling of wheel–rail normal contact in railway crossings with elasto-plastic material behaviour

A metamodel considering material plasticity is presented for computationally efficient prediction of wheel–rail normal contact in railway switches and crossings (S&C). The metamodel is inspired by the contact theory of Hertz, and for a given material, it computes the size of the contact patch and the maximum contact pressure as a function of the normal force and the local curvatures of the bodies in contact. The model is calibrated based on finite element (FE) simulations with an elasto-plastic material model and is demonstrated for rail steel grade R350HT. The error of simplifying the contact geometry is discussed and quantified. For a moderate difference in contact curvature between wheel and rail, the metamodel is able to accurately predict the size of the contact patch and the maximum contact pressure. The accuracy is worse when there is a small difference in contact curvature, where the influence of variation in curvature within the contact patch becomes more significant. However, it is shown that such conditions lead to contact stresses that contribute less to accumulated plastic deformation. The metamodel allows for a vast reduction of computational effort compared to the original FE model as it is given in analytical form.

     

起重机轮轨接触分析的参数化建模方法及其应用

为准确快速地对起重机钢制车轮踏面与轨道接触应力的分布状况进行有限元分析,运用ANSYS APDL参数化建模,建立常见的起重机车轮与轨道接触分析的数值模型。该模型通过输入必要的车轮几何参数、网格划分参数和载荷参数即可自行完成实体建模、网格划分、载荷施加和求解。实例应用结果证明整合几何参数化和网格划分参数化的建模方法可大大提高起重机轮轨接触分析效率。     

滚动接触疲劳载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹应力强度因子的影响

为研究轮轨滚动接触疲劳（Rolling Contact Fatigue,RCF）载荷对铁轨表面裂纹应力强度因子的影响,以UIC60铁轨轮廓尺寸为依据建立轮轨接触的三维有限元模型,通过改变RCF载荷大小、轮轨表面摩擦因数和接触中心位置等轮轨接触的输入参数,计算铁轨表面接触裂纹尖端的应力强度因子,分析RCF载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹的影响. 结果表明RCF载荷作为控制铁轨表面接触裂纹的重要因素,其变化直接导致裂纹尖端应力强度因子的变化,从而改变裂纹的扩展状况;为减缓铁轨表面裂纹的扩展,可以针对载荷采取均匀分布载重量、使用润滑剂降低轮轨摩擦因数等相应措施.     

基于多体系统动力学和有限元法的联合仿真在车桥耦合振动研究中的应用*

为了实现车桥耦合振动精细化仿真研究,利用多体系统动力学软件SIMPACK建立完整的车辆空间模型,采用空间杆系和板壳混合单元有限元方法建立桥梁的动力分析模型;然后将车辆和桥梁两个子系统在轮轨接触面离散的信息点上进行数据交换,实现车桥耦合振动联合仿真分析。以高速铁路上的简支梁桥为研究对象,采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了弹性轮轨接触时动车组列车以不同车速通过桥梁的空间耦合振动响应,证明了该研究方法的可行性。     

基于多体动力学的车辆道岔通过性能研究

道岔复杂的轮轨关系及其变截面特性是车辆通过道岔时引起振动甚至脱轨的关键因素.根据60kg/m钢轨18号可动心轨道岔设计布置图,在多体动力学软件中建立车辆—道岔耦合系统模型,在此基础上对车辆—道岔系统模型进行验证,仿真计算车辆侧向和直向通过道岔的动力学响应.结果表明转辙器区、辙叉区轨道截面变化和轮轨型面匹配是影响车辆动力学性能的主要因素.最后,对车辆侧向通过离散轨道模型工况下的动力学响应进行仿真计算,讨论道岔轨下整体刚度和阻尼对模型动力学性能的影响,为改善车辆通过道岔时的动力学性能、道岔轨下刚度与阻尼参数匹配提供理论基础.     

Railway multibody simulation with the knife-edge-equivalent wheel–rail constraint equations

This paper describes a new numerical procedure for the modelling and simulation of the wheel–rail contact in railway dynamic simulations. The method is called knife-edge-equivalent contact constraint method, or simply KEC-method. Using this method, the wheel–rail contact is modelled as rigid or constraint-based using a set of kinematic constraints that eliminates one-degree of freedom of relative wheel–rail motion. The KEC-method uses a transformed but equivalent wheel profile in contact with a single-point rail. This equivalent profile has the property of producing the same wheelset-rail relative kinematics as the real wheel–rail profiles. The method can be used efficiently online while achieving better computational times than using contact lookup tables. Compared with existing constraint methods, the KEC-method has the following advantages: (1) simplification of the wheel–rail contact constraints, (2) simplified wheel–rail profiles, (3) online solution of the contact constraints, (4) reduction of the number of surface parameters, and (5) increased computational efficiency. A comparative study with respect to the use of efficient contact lookup tables in the simulation of Metro de Sevilla (metropolitan train in the city of Sevilla) shows that this contact method is appropriate to simulate the dynamics of a railway vehicle efficiently.