弹性车轮对地铁列车碰撞安全性的影响

为了研究弹性车轮在碰撞过程中对地铁列车安全性的影响,以某4节编组地铁列车为研究对象,建立了分别采用弹性车轮和刚性车轮的地铁车辆有限元模型。设计了载客量为空载和定员载荷的情况下,地铁列车以25 km/h速度分别在直线轨道和半径为800 m的曲线轨道上碰撞另一列相同的静止列车的8种碰撞场景,使用LS-DYNA显示动力学软件模拟碰撞过程。研究结果表明:和刚性轮相比,弹性车轮的车轮抬升量在空载工况下能够大幅度地减少,而在定员载荷工况下其略有增加;在不同的载荷工况下,弹性轮都能够在一定程度上减少轮重减载超过限值0.65的最大作用时间,并大大降低了曲线轨道上脱轨系数的最大值及其超过限值1.0的最大作用时间。     

地铁列车曲线碰撞仿真研究

为对比分析地铁列车在曲线和直线轨道上碰撞后的结果,以某4节编组地铁列车为研究对象,建立了有限元模型,使用LS-Dyna显示动力学软件模拟列车分别在曲线和直线上以25km/h速度碰撞另一列相同的静止列车的3种碰撞场景,分别是直线轨道(碰撞场景1)、半径为800m的曲线轨道(碰撞场景2)和半径为600m的曲线轨道(碰撞场景3)。研究表明,地铁列车在曲线和直线上的碰撞结果存在一定的差异。随着轨道半径的减小,车辆加速度变大,车体前端和底架变形越严重,变形位置所承受的弯曲力矩越大。依据对脱轨系数和车轮抬升量的判断,车辆在曲线轨道碰撞时更接近于发生脱轨行为。     

三维碰撞车辆移动轨道建模与研究

为掌握直线轨道上车辆发生正面对心碰撞时的动态响应规律,建立三维碰撞车辆移动轨道模型。分别建立碰撞车辆模型和轨道模型。然后,提出了处理轮轨非线性几何的向量法,将三维车辆模型和移动轨道模型耦合起来。采用一种简化的钩缓装置模型连接车辆端部和外部系统。利用一种新的时间积分算法对三维动力学模型进行计算。采用上述方法研究了车辆中低速撞击刚性墙的碰撞场景,得到车辆的动态响应。研究结果表明:中低速车辆在直线轨道正面对心碰撞时,车辆一般不产生横向运动和侧滚运动,由非线性轮轨几何引起的横向轮轨力对车辆的动态响应几乎没有影响。碰撞结束后,车体和轮对在纵向不断振荡。轮轨垂向相对位移在准静态压缩量上下波动,最大的车轮抬升量出现在第3个轮对上。     

基于ADAMS的铁道车辆脱轨后动态行为分析

采用ADAMS仿真软件建立了脱轨前的车辆系统动力学轮轨接触模型和脱轨后的多刚体接触碰撞模型来研究制动盘对铁道车辆脱轨后运行行为的影响。为了真实地模拟车辆脱轨后的运行行为和接触力,接触模型包含车轮-轨道板和制动盘-钢轨两对接触,设置了合理的接触参数并使用了真实的三维几何外形和非线性接触算法。仿真结果表明,制动盘在车辆脱轨后与钢轨发生了连续的接触碰撞,可以抑制脱轨车辆进一步脱离线路。     

基于燕尾突变的车辆脱轨机理研究

基于初等突变理论中的燕尾突变,主要考虑影响车辆脱轨的3个因素——脱轨系数、冲角和脱轨系数超限时间,建立车辆脱轨事故燕尾突变模型。结合该模型,讨论了燕尾突变发生的可能情形,通过燕尾突变模型的分叉集给出了车辆脱轨的临界区和脱轨区。利用Simpack软件,建立车辆动力学模型,验证这个方法的有效性。仿真结果表明:当脱轨系数、冲角和脱轨系数超限时间3个控制变量同时满足条件时,车辆就会发生脱轨事故。     

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.     

有轨电车平交道口碰撞仿真

运用多刚体动力学理论对有轨电车与汽车在平交道口的碰撞进行仿真分析,该方法相比于传统的有限元仿真具有明显的计算速度优势,便于开展轨道车辆碰撞的动态响应分析。研究结果表明有轨电车在平交道口受到汽车以20 km/h的速度侧面撞击时,被撞击的有轨电车主要发生横向水平运动,其侧滚运动则相对较小。与此同时,有轨电车的最大脱轨系数达到1.63,超过标准GB5599-1985中规定的第一限度(1.2),具有较大的脱轨风险。此外,当有轨电车前后两端头车受到汽车撞击时,被撞击车辆承受的横向碰撞力仅能通过一侧的车间铰接结构向其他车辆进行传递,导致有轨电车脱轨系数较高。不仅如此,针对现有有轨电车空间结构的局限,提出通过设置二系横向阻尼并增加横向间隙的方法来加大碰撞力从车体到轮对传递过程中的衰减程度,进而降低施加在轮对上的横向力,抑制有轨电车的脱轨风险。计算结果表明,改进后有轨电车的最大脱轨系数从1.63降低至0.79,减少了52%。     

矿用电机车动力学性能计算分析——井下大吨位电机车动力学计算分析

根据采用动力学分析软件SIMPACK软件,对井下大吨位电机车模型进行简化,进而对电机车进行动力学性能进行分析计算,模拟电机车在极限工况下的动力学性能,通过计算脱轨系数、横向稳定性系数、轮重减载率、平稳性评定;模态分析、时域分析等结果评定,参照《TB/T 2360-1993铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》与《GB 5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》,得出电机车的曲线通过性、稳性评定运行的安全性和平稳性指标,验证和优化电机车技术参数,为后续电机车结构设计提供重要的理论依据。     

胶轮牵引式路轨两用车动力学分析

目前,国内针对路轨两用车的动力学性能参数评定主要是参照国标GB5599-1985。该标准完全适用于钢轮牵引导向式路轨两用车评定,但是胶轮牵引式路轨两用车在胶轮影响下评定效果如何不得而知。文章先分别对胶轮牵引式路轨两用车钢轮和胶轮的轮轨相互作用力做了理论分析,再结合采集到的某型胶轮牵引式路轨两用车试验数据,按照GB 5599—1985对动力学参数进行计算。研究分析认为:胶轮的存在会抵消一部分车辆横向振动产生的侧向力;胶轮牵引式路轨两用车的脱轨系数以及轮重减载率应定得更大一些。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨力和转向架振动行为的影响

列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度,恶化车辆系统和轨道部件的工作环境,严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型,用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗,作为车辆轨道耦合动态行为分析时的激励输入,计算车轮多边形磨耗阶次、车辆运行速度和运行里程对轮轨力的影响,并分析车轮多边形磨耗与轮轨力之间的相位关系;建立转向架系统高频振动全有限元模型,以时域轮轨力作为模型输入,分析车轮多边形磨耗参数对转向架轴箱、构架振动响应的影响。计算结果显示,随着列车运行速度、车轮多边形磨耗幅值和阶数的提高,轮轨垂向作用力波动范围和转向架振动响应均会显著增大。所得的结果可为高速列车车轮多边形形成的机理和抑制措施的进一步研究提供参考和指导。     

组合轮径差对地铁车辆动力学性能的影响

为了研究各种轮径差组合形式对地铁车辆动力学性能的影响,基于车辆系统动力学和赫兹非线性接触理论,建立地铁动车非线性动力学模型,分析各种轮径差组合工况下地铁车辆的临界速度、平稳性、安全性和磨耗功率及其变化规律。结果表明:在多种轮径差组合工况下,轮径差增大会使地铁车辆的临界速度有较大幅度降低,会使地铁车辆的横向平稳性和磨耗功率明显增大;轮径差对地铁车辆的垂向平稳性、轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率影响较小;通过左、右曲线时,轮径差对磨耗功率增幅的影响存在差异,但变化规律一致。     

Assessment of running safety of railway vehicles using multibody dynamics

An analysis model for multibody systems was developed to assess the running safety of the Saemaeul train passing through curves. Sensitivity analyses based on the variation of parameters related to derailments were conducted using this model and the ADAMS/Rail software package. These analyses showed that the derailment coefficient and the unload ratio of the right wheel were higher than that of the left wheel at low speed, but lower at high speed. The derailment coefficient and the unload ratio increased as the curve radius decreased. The derailment coefficient increased but there was no change in the unload ratio as the length of transition curves increased. The derailment coefficient and the unload rate increased in proportion to the increase in track cant.     

Optimization on the Crosswind Stability of Trains Using Neural Network Surrogate Model

Under the influence of crosswinds,the running safety of trains will decrease sharply,so it is necessary to optimize the suspension parameters of trains.This paper studies the dynamic performance of high-speed trains under cross-wind conditions,and optimizes the running safety of train.A computational fluid dynamics simulation was used to determine the aerodynamic loads and moments experienced by a train.A series of dynamic models of a train,with different dynamic parameters were constructed,and analyzed,with safety metrics for these being determined.Finally,a surrogate model was built and an optimization algorithm was used upon this surrogate model,to find the mini-mum possible values for:derailment coefficient,vertical wheel-rail contact force,wheel load reduction ratio,wheel lateral force and overturning coefficient.There were 9 design variables,all associated with the dynamic parameters of the bogie.When the train was running with the speed of 350 km/h,under a crosswind speed of 15 m/s,the bench-mark dynamic model performed poorly.The derailment coefficient was 1.31.The vertical wheel-rail contact force was 133.30 kN.The wheel load reduction rate was 0.643.The wheel lateral force was 85.67 kN,and the overturning coef-ficient was 0.425.After optimization,under the same running conditions,the metrics of the train were 0.268,100.44 kN,0.474,34.36 kN,and 0.421,respectively.This paper show that by combining train aerodynamics,vehicle system dynamics and many-objective optimization theory,a train's stability can be more comprehensively analyzed,with more safety metrics being considered.     

A new derailment coefficient considering dynamic and geometrical effects of a single wheelset

A new derailment coefficient of a single wheelset was theoretically developed by considering the dynamic and geometric effects from lateral acceleration and gyro factors as well as mechanical factors like flange angle, frictional coefficient, wheel-unloading, wheel radius, track gauge and position of axle bearings. This new derailment coefficient (lateral force over vertical wheel load, P/Q) can predict the commencement of various derailments, such as wheel climbing and lifting types, roll-over types and their combined types. In addition, this derailment coefficient can analyze the various dynamic and geometrical effects of a wheelset, which are not considered in the conventional derailment coefficients of Nadal’s and Weinstock’s formulas. This derailment coefficient was verified by comparing its theoretical anticipations of several examples with numerical simulation results using a commercial dynamic S/W, RecurDyn.     

十自由度车-轨耦合仿真分析

文章以十自由度车轨耦合模型为例,探究由轨道不平顺所导致车-轨耦合垂向振动的问题,由功率谱密度计算确定了轨道不平顺并以此作为激励源,计算分析车辆与轨道之间的垂向耦合振动响应。通过MATLAB仿真结果图分析得出,轨下的高底不平顺主要影响的是构架和轮对的振动频率,对车体的影响并不大,因此要减轻车-轨系统的振动主要从一系悬挂和轮轨的接触两个方面考虑。     

高速列车车轮型面多目标优化研究

对于动车组车轮磨耗引起的动力学性能降低问题,车轮型面优化是一个很好的解决方案。采用旋转压缩微调法（Rotary-scaling fine-tuning method,RSFT）进行型面生成;建立某型动车组车辆动力学模型,采用该模型计算相应的优化目标和约束条件;利用径向基神经网络-粒子群（Radial-based neural network-particle swarm optimization,RBF-PSO）算法优化出最优廓形。通过对比优化前后车轮型面的动力学性能和磨耗性能,可以发现：优化后车轮型面临界速度为424.6 km/h,增大10.2%;横向平稳性和垂向平稳性指标整体减小,同时提高了曲线通过时的安全性指标,脱轨系数、倾覆系数和轮轴横向力都进一步减小。优化后车轮型面接触点分布相对更加均匀,等效锥度减小。同时优化后车轮型面有效减小车轮磨耗深度,并减小了轮缘根部磨耗,车轮最大磨耗深度减小9.8%。     

Theoretical cross-wind speed against rail vehicle derailment considering the cross-running wind of trains and the dynamic wheel-rail effects

In this paper, a theoretical formula was proposed that predicts the derailment index due to a cross wind applied to a rail vehicle considering the cross running wind condition of two running trains as well as the dynamic wheel-rail effects. The recently developed derailment theory on a wheelset was applied to this new cross wind derailment formula. Contrary to the conventional formulas, this new derailment formula was derived considering a dynamic derailment coefficient (Q/P) under normal running, the friction coefficient between the wheel and the rail, the wheel load variation, the cross running wind effects, and the cross wind. Using this proposed formula, the derailment pattern and the critical cross wind speed of derailment could be predicted for various cross running wind conditions of two running trains. Finally, for some typical examples, the results of this proposed formula were compared and verified with those of the conventional formulas and the numerical simulation of multi-body dynamics software, Recurdyn.     

轮对扁疤对高速列车转向架振动特性的影响

为准确预测高速列车轮对擦伤对车辆性能的影响,基于车轨耦合动力学和非赫兹接触理论,对新旧两种轮对扁疤的几何外形进行数值描述,建立了考虑轮对扁疤的高速列车动力学模型,分析了轮对扁疤激扰对车辆走行部的影响。结果表明,旧扁疤对走行部冲击要大于新扁疤,随着扁疤尺寸的增大,走行部各部件受到的冲击载荷与振动加速度逐渐增大;随着速度增大,轮轨间垂向冲击先增大、后减少;当扁疤长度为10mm,速度为100km/h 时,轮轨垂向力达到最大值;随着速度增加,走行部簧下部件与簧上部件的振动特性差异不断加大。以轮轨垂向力为判断标准时,轮对扁疤尺寸应限制在30mm以内。     

车轮磨耗计算模型及其数值方法

综述国内外车轮磨耗理论模型及其数值方法,提出基于车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和材料摩擦磨耗模型为一体的车轮磨损计算模型, 并发展相应的数值方法。模型中车辆结构和钢轨下部结构被简化成等效质量、弹簧和阻尼系统, 而钢轨用Euler 梁代替, 并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形。利用修改的KALKER三维弹性体非Hertz 滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和滑动量等参量;根据Archard材料磨损模型计算车轮的磨耗深度。利用该模型和相应的数值方法分析不同曲线半径情况下车轮的磨损情况,结果表明该模型可以较好地模拟车轮磨损的演化过程。给出列车通过曲线半径为350 m时车轮的磨损情况。数值结果表明,每个转向架下前轮对比后轮对磨耗严重,外轨上的车轮比内轨上的车轮磨耗严重。     

我国干线轨道谱理论分析及试验研究

运用车辆、轨道耦合大系统思想,将轨道高低、水平、方向和轨距四种不平顺视为平稳的各态历经随机过程,进行了车辆、轨道系统的动力学分析,仿真计算了250 km/h速度的高速铁路轨道不平顺管理的安全目标值。同时利用线路试验和滚动振动台试验探讨我国干线轨道谱与国外典型轨道谱的区别与联系。