高速车轮椭圆化对车辆系统行为的影响

建立考虑车轮椭圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型,基于此模型,发展相应的数值方法,分析计算高速运行状态下车轮椭圆化程度对车辆系统动态行为的影响,给出车速200～350 km/h时车体横移、轮对横移、轮轨垂向力和轮重减载率等关键指标,确定高速行车条件下车轮圆度的临界范围.数值结果分析表明,在车轮椭圆化的情况下,车辆系统动力学响应关键指标与行车速度、车轮的圆度以及轮对左右车轮椭圆形状的相位有密切联系.高速车轮椭圆化将导致车辆系统动力学性能的显著变化,随着车轮圆度的增大,车辆系统运行品质严重恶化,其横向稳定性和轮重减载率大大降低,从而减小车辆/轨道系统各部件使用寿命、增大脱轨风险.     

高速车轮椭圆化问题及其对车辆横向稳定性的影响

对铁路车轮运行过程中非圆化问题进行分析和非圆化形式进行定义分类.建立一个新的真实模拟车轮椭圆化的数学模型,结合车辆/轨道空间耦合动力学模型,分析计算出高速车轮椭圆化引起的车辆轮对横向动力响应,确定了车速200 km/h轮对椭圆度对蛇行运动影响范围.数值结果分析表明,高速车轮椭圆化将导致车辆系统横向蛇行失稳,严重恶化其运行品质,并大大降低其横向稳定性.轮对蛇形运动状态和行车速度、轮对左右轮椭圆形状的相位以及椭圆度有密切联系.     

轨行式电动起重机运行机构打滑验算

轨行式起重机运行机构是靠主动车轮与轨道之间的粘着力使起重机运行的。如果这粘着力过小,便会出现打滑现象,这时主动车轮在轨道上不作纯滚动,而是连滚带滑,甚至会只滑不滚。为了避免打滑现象,须使起动或制动时期通过主动车轮与轨道之间摩擦所传递的力小于它们之间的粘着力,因而应进行打滑验算。打滑验算可以从驱动力方面算,也可以从外阻力方面算。     

基于摩擦因数预测模型优选湿热地区高速列车车轮型面

基于考虑温湿度影响的摩擦因数预测模型及mixed Lagrangian/Eulerian方法建立高速轮轨稳态滚动接触有限元模型,在不考虑横移及冲角的条件下,对比分析XP55、S1002以及LMa车轮型面分别与CHN60轨相接触时的接触特性及磨耗特性,优选出一种最适合湿热地区高速列车车轮型面。结果表明:XP55车轮型面牵引性能、轮对恢复对中性能最好,但是耐磨性及临界速度均最差;S1002车轮型面与CHN60轨匹配性能最差,同时牵引性能、轮对恢复对中性能最差,易发生失稳,但耐磨性及临界速度均最好;LMa车轮型面接触特性及磨耗特性均介于两者之间,相对更加适合湿热地区高速列车。     

轨道结构参数对轮轨滚动接触应力影响

利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT,并借助于弹性力学中的Bossinesq-Cerruti力1位移公式和Gauss数值积分方法,分析JM3型踏面轮对沿曲线轨道滚动接触时轨底坡、轨距和曲线半径等轨道参数对轮轨滚动接触斑最大切应力、等效应力、正压力和磨耗数的影响.数值结果表明,当内外轨底坡为1/20时,轮轨接触斑的应力、磨耗数及正压力分布达到最小值,其中最大切应力与等效应力可分别降低40.15%、39.37%;现行使用1/40轨底坡情况下轮轨接触斑正压力较大,建议对磨耗型车轮踏面进行优化设计.适当增加轨距能达到降低轮轨最大切应力、等效应力和正压力的效果.曲线工况下接触斑正压力值显著增加,曲线半径能改变轮轨接触斑粘滑区的分布且减小曲线半径值会增加接触斑的总滑动量,从而导致轮轨磨耗数的显著增加.     

高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性分析

为研究高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性,建立谐波磨耗车轮高速轮轨滚动接触数值分析模型。该模型考虑了车辆系统的一、二系非线性悬挂力、轮轨非线性接触几何关系并考虑了钢轨振动及轮轨间的激励响应对接触蠕滑的影响。以CRH2型高速列车为研究对象,运用多体动力学软件UM参数化建立其动力学数值模型;对实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗以及波深0.1 mm和0.3 mm下车轮的蠕滑率/力进行分析;以不同阶数、波深车轮的蠕滑特性参数为疲劳模型的输入参数,研究谐波磨耗车轮的疲劳特性。结果表明:无谐波磨耗车轮处于弹性安定状态,1阶波深0.1 mm和0.3 mm车轮和6、11阶波深0.1 mm车轮都处于棘轮效应状态,6、11阶波深0.3mm处于塑性安定状态;低阶小波深车轮以疲劳为主,高阶大波深车轮以磨耗为主;与阶数相比,滚动接触疲劳、磨耗对波深的变化更为敏感,波深的增加会促进车轮蠕滑力/率的进一步快速增大,从而车轮的切向力迅速增大。     

基于轮轨法向间隙的车轮踏面优化方法

为了寻求基于目标的铁路车辆车轮踏面数值优化技术,开发一种考虑轮轨法向间隙参数的车轮踏面优化方法。利用该方法优化我国高速列车车轮LMa型面。并发现优化后的LMa车轮和CHN60钢轨滚动接触接触时,轮轨界面之间具有较好的“共形”特性,这样能有效降低轮轨接触应力以达到降低滚动接触疲劳目的。并用车辆轨道耦合动力学理论分析优化的车轮型面对车辆动态特性的影响。数值结果表明,在不降低车辆动力学性能的情况下,此方法可以有效改善轮轨接触点对分布,降低轮轨接触应力。     

高速铁路轮轨磨损特征、机理、影响和对策——车轮踏面横向磨耗

系统分析总结我国高速铁路轮轨断面横向磨耗情况、特征、形成机理、对车辆动态行为的影响以及对策研究。高速车轮踏面横向磨耗以在名义滚动圆处形成凹坑磨耗和轮缘磨耗为主,主要发生在相对高的等效锥度和具有较厚轮缘的轮对上。车轮踏面横向凹坑磨耗与高速轨道高平直度和高速列车高运行平稳性密切相关。轮轨平稳地高速滚动接触,导致轮轨接触光带狭窄平直,且主要集中在名义滚动圆附近,此处车轮踏面材料磨耗累积迅速形成凹坑,轮对的等效锥度迅速增大。凹坑磨耗在一定深度范围内,将会引起轮对横向晃动,影响车辆的舒适性。提出7个方面的措施,来抑制或减缓车轮踏面凹坑磨耗。最后讨论了钢轨断面横向磨耗情况,主要反映在小半径曲线处外轨内侧磨耗,原因类似普通线路小半径曲线钢轨侧磨情况,也是车轮轮缘磨耗的主要原因,简单讨论减缓措施。所做的工作将对我国高速铁路轮轨型面和硬度匹配深入研究提供重要的参考依据。     

小车轮压作用处偏轨箱形梁主腹板的局部应力研究

小车轮压作用下,轨道与偏轨箱形梁之间力的传递属于接触非线性问题,接触面间的变形和应力分布存在相互耦合的关系。本论文的主要内容：将Hertz接触理论和有限元软件ANSYS结合起来,把主腹板的局部受力问题视为小车轮与轨道及轨道与上翼缘板之间发生接触行为作用下的受力问题,建立了小车轮压作用处偏轨箱形梁主腹板局部受力的接触分析模型,研究不同情况（小车轮压、箱形梁几何参数和轨道截面惯性矩）下局部应力的变化规律,得出相关结论;最后将经验公式解与ANSYS数值解进行对比分析论证。研究结果表明：ANSYS数值解的主要影响因素为小车轮压、主腹板厚度和轨道截面惯性矩;通过在相同情况下对比2种解,得出ANSYS数值解与经验公式解在数值上很接近,经验公式解能够满足工程实际需要。     

轮轨粘着面积的数值研究

利用非Hertz滚动接触理论,应用数值方法CONTACT,分别计算了我国列车常用的两种车轮踏面(磨耗型和锥形)在列车静态接触情况下曲线半径、横移量和轮对摇头角对接触斑总面积和粘/滑区占接触斑总面积比重的影响.经过计算分析表明:在各种工况下,锥形踏面的接触斑总面积都大于相应磨耗型的,随着钢轨曲线半径的增大,接触斑面积无变化,粘着系数增大,接触斑中粘着区所占面积比重减小;当横移量增大到10 mm时,接触斑面积骤减,粘着占总面积比重亦骤减,进入全滑动区,出现爬轨;随着轮对摇头角的变化,接触斑面积几乎无变化,当轮对摇头角大于0.4°时,接触斑处于全滑动状态,粘着占总面积比重骤减.     

两种型面轮轨滚动接触应力分析

利用非Hertz滚动接触理论分析计算了磨耗型轮对、锥型轮对与钢轨之间滚动接触斑的作用力分布。再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况。数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据。     

轨底坡对轮轨滚动接触行为的影响

为了探讨轨底坡与轮轨滚动接触行为的内在联系,针对高速客运专线轮轨接触状况,即轮对踏面为LMA和钢轨为国产CN60,利用改进的三维接触几何程序、Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论及其CONTACT数值程序,分析比较轨底坡对轮轨接触几何参数、接触斑形状、接触斑滑动量、摩擦功、接触应力等的影响.通过分析计算可得,轨底坡对轮轨滚动接触行为有很大影响.尤其当轮对相对轨道横移在6 mm～9 mm范围内变化时,随着轨底坡从1/20到1/40的逐渐减小,轮对左右轮滚动半径差和等效锥度增大,这说明在1/40轨底坡下,轮对恢复对中的能力更好,更有利于曲线通过.1/40轨底坡对应的最大正压力、等效应力等较小,其对应的摩擦功较大.1/20轨底坡的情况刚好相反.综合考虑各种因素,对于LMA-CN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20轨底坡的接触状态更好.数值结果为轨底坡的设计提供重要的参考依据.     

EFFECT OF DISCRETE SUPPORTS OF RAIL ON INITIATION AND EVOLUTION OF RAIL CORRUGATION

The effect of discrete support of rail on the formation and evolution of rail corrugation is primarily investigated with numerical method in the situation of wheelset curving steadily and repeatedly. In the numerical analysis of corrugation it is considered that a combination of Kalker's rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. And the uneven support stiffness of rail in the vertical direction due to discrete sleeper support and the different running speed of the wheelset are taken into consideration. The damage on the running surface of rail, concerning rail corrugation formation, is restricted to wear mechanism of rail material. The numerical results obtained indicate that the discrete supports of rail by sleepers have a great influence on the formation of the corrugation under the condition of non-zero and stable creepages of wheelset and track.     

单节八轴机车转向架动力学研究

针对B0B0-B0B0轴式的单节八轴机车转向架结构,提出一种采用中间构架连接两台B0转向架实现三系悬挂支撑车体,并应用单牵引杆直接连接两轴构架与车体传递纵向力的结构形式。该方案结构简单并能实现高粘着利用率,具有可行性和良好的动力学性能。三系悬挂使得机车车体具有优良的平稳性,同速度等级和轴重的2C0机车进行对比计算,机车R300 m小半径曲线通过时,机车导向轮对轮轴横向力及导向轮轮缘磨耗因子相对2C0机车减小35%左右;R800 m半径曲线通过时,轮轴横向力减小15%,轮缘磨耗因子减小23%。     

单轮对轮轨蠕滑力试验研究

利用原型尺寸单轮对试验装置和滚振试验台,进行单轮对（货车）运动过程中轮轨之间蠕滑力试验研究,试验中考虑到轮对位置和轮轨表面之间有污染因素影响。试验结果反映了轮轨之间蠕滑力和轮对运动位置（轮对横移和摇头角）之关系,对其进行了详细讨论。并对部分试验结果同Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论计算的结果作了比较。     

ANALYSIS OF CREEP FORCES OF WHEEL/RAIL

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳｙ1———Ｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｖ1———Ｌａｔｅｒａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔφ———Ｙａｗａｎｇｌｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔω———Ｙａｗａｎｇｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖ———Ｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ,ｏｒｎｏｍｉｎａｌｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｒｉ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｉｎｓｔａｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｗｈｅｅｌｒ0 ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｒｏｌｌｉｎｇｃｉ…     

轮对蛇行运动的相位同步模态分析

基于单轮对蛇行运动模型，推导了考虑悬挂系统刚度和阻尼的系统特征根解析式，根据Routh-Hurwitz稳定性判据导出了轮对蛇行运动临界速度和频率公式。应用相位同步模态分析法，消除系统阻尼引起的相位差异，实现了轮对蛇行运动的非保守系统方程实模态解耦。研究表明，减小轮对质量、转动惯量及等效锥度，增大一系横向和纵向定位刚度及阻尼，增大轮径和接触点跨距能够提高蛇行临界速度，蠕滑系数降低不会降低蛇行临界速度；减小轮对质量和转动惯量，增大一系横向和纵向定位刚度，减小接触点跨距会增大临界速度对应的蛇行运动频率，悬挂系统阻尼对临界速度时的蛇行运动频率影响不大，而等效锥度、轮径和蠕滑系数对临界速度时的蛇行频率无影响。通过一系悬挂系统刚度优化可在理论上实现足够大的轮对蛇行运动临界速度。在任意运行速度时，均存在蛇行共振响应，响应幅值和频率随速度提高而增大。轮对蛇行运动中高阻尼模态在所有速度范围内均呈现过阻尼特征，轮对蛇行响应由低阻尼振动模态主导。     

轮轨结构横向变形对轮轨滚动接触蠕滑力的影响

从数值方面详细分析轮轨结构横向弹性变形对轮轨蠕滑力的影响。借助于有限元方法分析计算轮对和轨道结构横向弹性变形与横向作用力的关系，确定轮轨接触斑处横向单位作用力引起轮轨横向变形的影响系数。用这些影响系数修正Kalker非赫兹滚动接触理论中无限弹性半空间上单位力的影响系数，并分别用没有修正的和修正了的Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论分析计算轮轨滚动接触蠕滑力。从数值结果看，轮轨的结构变形对轮轨蠕滑力的影响是十分大的。因此，用现有基于弹性半空间理论的滚动接触理论分析轮轨蠕滑力，其结果大于实际轮轨滚动接触蠕滑力。     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of rail corrugation

The effect of a scratch formed on the running surface of a curved rail, due to the slide of a locomotive wheel, on the formation and evolution of rail corrugation is investigated in detail with numerical methods when a wheelset is steadily and repeatedly curving. In the calculation we consider a combination of Kalker’s rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. Also the influence of different speeds of wheelset curving through the scratch on the development of the corrugation is taken into account. The numerical results indicate that a scratch causes strong contact vibration between the wheel and rail, and initiation and development of rail corrugation under the condition of steady creepage occurring between the wheel and curved rail. The wave-length of the corrugation depends on the speed of wheelset curving and the natural frequencies of the track.     

Effect of passenger car curving on rail corrugation at a curved track

The paper presents a corrugation calculation model, which considers Kalker's non-Hertzian rolling contact theory to be modified, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics of a half passenger car and a curved track. The dynamics characters of the curved track model in frequency domain were investigated by the commercial finite element code ANSYS, and some results concerning rail corrugation are presented in this paper. During a passenger car passing a curved track the dynamical performance of the vehicle and track and the initiation and growth of the curved rail corrugation are analyzed with the present corrugation calculation model. In the numerical calculation, two track states are investigated. One is that the track does not have any congenital defect except for the discrete rail support by sleepers. The other is that the track has a lateral dent on the gauge corner of the high rail. The rail corrugations analyzed are attributed to the material wear mechanism. The numerical results obtained indicate that (1) a high passing frequency corrugation initiates on the smooth running surface of the curved rail during the first passing of the passenger car through the curved track without defects; (2) the initial corrugation develops quickly and its passing frequencies change with an increase of passenger car passage; (3) the interaction of the leading wheelset of the bogie and the curved rails causes more severe corrugation and wear on the rail running surface than that of the trailing wheelset of the same bogie; (4) discrete rail support by sleepers is the congenital defect leading to rail corrugation formation.