小半径曲线段钢轨打磨方案比选及动力特性研究

小半径曲线段钢轨廓形质量对轮轨接触关系及钢轨使用寿命有着关键影响。为探究个性化打磨对小半径曲线段磨耗廓形的轮轨接触改善及延长钢轨使用寿命效果,选取沪昆普速铁路小半径曲线段两组磨耗钢轨进行打磨方案研究;基于现场实测数据及病害分析,与消除表面病害为目的的修复性打磨方案作比较,对钢轨进行个性化打磨廓形设计;跟踪观测钢轨表面状态,结合GQI(grinding quality index)及轮轨接触分析,建立车辆-轨道动力学模型计算打磨方案对轮轨动力特性的影响,综合评价打磨效果;结果表明：修复性打磨仅对钢轨表面病害进行处理,并未实际改善轮轨关系,廓形保持能力不佳,后续动力学指标评价也无明显改善;相比之下,个性化打磨廓形保持能力更佳,GQI指数明显提升,轮轨关系改善显著,提高了车辆曲线通过能力;动力学方面,个性化打磨方案的轮轨横、纵向蠕滑率和磨耗指数分别降低60.45%,33.95%和24.13%,有效缓解了轮轨间的磨耗,延长了钢轨使用寿命与打磨周期;车体横向、垂向加速度和脱轨系数分别降低19.69%,30.74%和26.11%,列车运行平稳性得到良好改善,提高了列车运行安全性。由此可见,个性化打...     

小半径曲线段钢轨打磨对轮轨动力特性影响分析

针对铁路小半径曲线钢轨病害实施个性化钢轨廓形打磨，定期观测打磨后线路状态，通过钢轨廓形采集及轨面状态分析，结合车辆-轨道动力学模型对钢轨打磨效果进行评价，探讨钢轨廓形保持水平及合理养护周期。研究结果表明：个性化钢轨廓形打磨后，轮轨接触关系得到显著改善，算例中车体横向加速度、垂向加速度、轮轨横向力分别降低9.58%、8.09%、15.81%；轮轨磨耗指数降低22.99%，有效降低钢轨磨耗速率，延长使用寿命。在打磨12个月后，各项动力学指标表现仍优于打磨前，验证个性化钢轨廓形打磨是可行的。随着打磨后通过总重的增加，12个月左右钢轨表面开始出现病害并快速发展，廓形产生较为明显的磨耗，建议将此时线路通过总重所经历的时间作为钢轨廓形的打磨周期。     

高寒动车组车轮磨耗演变特性及其影响分析

对某线路上运行的高寒动车组车轮磨耗进行长期跟踪测试,得到车轮磨耗演变规律。将实测车轮踏面分别与CHN60轨和60 N轨匹配,分析车轮磨耗对轮轨接触几何关系和接触力学特性的影响。利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆动力学仿真模型,研究车轮磨耗过程中车辆动力学性能的演变规律。研究结果表明:车轮踏面磨耗随运行里程呈线性增加趋势,动车和拖车平均磨耗速率分别为0.0434 mm/万千米和0.0398 mm/万千米,且几乎没有轮缘磨耗。等效锥度随运行里程呈前期增长较快后期平缓的非线性特性,且与CHN60匹配时等效锥度明显高于与60 N轨匹配。实测轮轨匹配下的力学特性及动力学性能均略有下降,车辆与60 N轨匹配时体现出更好的服役性能。     

基于可变刚度抗蛇行减振器的车辆动力学性能研究

CRH3系列高速动车组在长期服役过程中偶有发生蛇行运动稳定性裕量不足的问题,车辆装配T60型抗蛇行减振器,在车轮磨耗末期易发生构架横向加速度报警问题,装配T70型抗蛇行减振器,则在新轮或车轮磨耗初期易发生“晃车”的问题。针对晃车和报警问题开展可变刚度抗蛇行减振器的仿真与试验研究,以满足车辆在不同轮轨接触状态下车辆的蛇行运动稳定性需求。动力学仿真表明,可变刚度抗蛇行减振器能有效兼顾解决“晃车”和“报警”问题;进一步分析可变刚度抗蛇行减振器与两种高速踏面的适应性,采用S1002CN踏面时车辆临界速度高于350 km/h,而采用LMB10踏面时仅为220 km/h,且S1002CN踏面对应的平稳性和舒适度指标都优于LMB10踏面。最后通过整车滚振台架试验对变刚度抗蛇行减振器性能进行了试验验证,结果表明该减振器可以兼顾轮轨低锥度和高锥度匹配状态,可使车辆均具有良好的动力学性能。     

高速列车车轮磨耗引起的轮轨接触非对称问题研究

高速列车在实际运行过程中,由于同一轮对左右车轮磨耗不均会引起轮轨的非对称接触,对车辆的动力学性能影响较大。本文对由于车轮磨耗引起的踏面外形变化对车轮运行的影响进行了的原理进行了简单的阐述,并结合实测的车轮踏面磨耗数据建立某型动车的动力学仿真模型,分析不同磨耗工况下车辆的动力学性能。分析结果表明,随着车轮踏面磨耗的加剧,车辆的稳定性、横向平稳性、脱轨系数、轮轴横向力、摩擦功率和轴箱处的横向加速度均有一定程度的恶化,而且磨耗越严重,恶化趋势越明显。     

高速列车半主动悬挂可变刚度和阻尼减振器适应性研究

针对中国高速列车运行速度高、运营里程长、轮轨磨耗加剧,被动悬挂式抗蛇行减振器适应性较差,导致转向架抗蛇行稳定性能不足的情况,开展半主动悬挂抗蛇行减振器研究。首先,基于高速列车悬挂系统非线性和轮轨接触非线性特征,建立了高速列车模型、磁流变阻尼器模型、可变刚度和阻尼抗蛇行减振器模型;然后分析了抗蛇行刚度和阻尼参数对新轮轨和磨耗轮轨的车辆动力学性能的影响,并针对磨耗轮轨接触提出了半主动悬挂控制策略;最后,对比分析了被动悬挂和半主动悬挂车辆运行性能的差异。结果表明:通过采用半主动悬挂调整抗蛇行减振器的刚度和阻尼参数可大幅改善磨耗轮轨接触的车辆运行性能,保证构架不发生蛇行失稳,与采用被动悬挂抗蛇行减振器的车辆相比,车体横向加速度和构架横向加速度分别降低22.4%和16.0%。     

高速车辆车轮磨耗与轮轨接触几何关系的研究

根据线路实际测量的高速车辆车轮踏面外形,分析了不同磨耗里程下的S1002G踏面的轮轨接触几何关系的变化规律。研究结果表明S1002G踏面随着运营里程的增加,等效锥度逐渐增大,特别是在轮对横移量2mm以内表现最明显。随着轮对横移量的增加等效锥度呈现先减小后增大的变化趋势,这说明S1002G踏面在京沪线实际运营过程中以凹形磨耗为主。通过建立高速动车组单车动力学模型,采用磨耗前后的轮轨型面,分析了三种不同类型转向架车辆模型的运动稳定性。分析结果表明磨耗导致轮轨匹配关系发生变化从而大大降低了车辆的临界速度;而一系纵向定位刚度无论是磨耗前还是磨耗后都会对车辆稳定性造成重要的影响,相对来说柔性转向架更有利于车辆的运动稳定性。轨道参数对轮轨接触几何关系有着非常重要的影响,因此研究车辆稳定性问题必须要考虑轨道几何参数的作用。     

地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响

对某地铁线路轮轨磨耗进行测试,分析实测型面与CN60钢轨匹配的轮轨接触几何关系,并利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论对轮轨接触力学特性进行分析。利用UM多体动力学软件建立某B型地铁车辆动力学仿真模型,分析轮轨磨耗对车辆动力学性能及轮轨接触损伤特性的影响。结果表明:该线路车轮踏面磨耗较均匀,存在明显轮缘磨耗现象。不同运行里程下实测车轮踏面外形基本相似,导致车轮磨耗对轮轨接触几何关系、轮轨接触力学特性及车辆动力学性能的影响较小。实测轮轨匹配下的动力学性能略有下降。随着运行里程增大磨耗指数变化不大,表明车轮磨耗稳定。车轮磨耗后表面疲劳指数大于标准型面,出现滚动接触疲劳的可能性增大。     

提速条件下万吨重载列车通过曲线的车辆稳定性及轮轨动态相互作用试验研究

为研究重载铁路既有线提速（由80km/h提至90km/h）对列车通过曲线的稳定性及其轮轨动态相互作用的影响,开展车辆动力学及轨道动力学试验。试验结果表明：车辆稳定性测试中,随运行速度提高,万吨重载列车的车体、构架及承载鞍加速度普遍小幅增大,其范围分别为0.02g～0.20g、0.13g～0.33g和5.2g～48.8g,相比重车工况而言,空车工况下构架加速度受列车运行速度变化的影响更为显著;轨道结构测试中,轮轨垂向力及横向力的范围分别为101.91～168.30kN和23.51～86.22kN,重载列车提速引起轮轨横向力小幅波动;钢轨及轨枕的垂向加速度范围分别为20.32g～59.32g、2.75g～7.50g,钢轨及轨枕加速度均随列车速度的增加而增大;测试中,车辆稳定性及轮轨动态相互作用指标均小于安全限值。     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明:CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。     

铁路钢轨打磨目标型面研究

提出一种基于轮轨接触界面法向间隙的钢轨踏面设计方法,寻找了重载线路上较小轮轨接触应力水平的钢轨打磨目标型面,为新铺设钢轨预打磨及预防性打磨方案的设计提供理论依据。根据三维非赫兹滚动接触理论寻找了轨头的优化范围,在此范围内能保证轮对动态横移过程中,轮轨接触点附近最小法向间隙的钢轨轨头外形。针对重载线路轮轨伤损严重的问题,利用目前的方法对现有的60kg/m钢轨进行了优化设计。利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后钢轨踏面与原车轮接触时静态接触性能及动态接触性能进行了分析。结果表明,优化后轮轨界面之间具有较好的"共形"接触特性,在不降低车轮其他动力学性能的情况下,钢轨踏面优化后的轮轨接触应力显著地降低,并且使左右轮轨磨耗程度趋于均衡,可以有效降低轮轨磨耗与滚动接触疲劳。     

钢轨件磨耗状态下高速道岔达速运行适应性研究

对实际运营条件下高速道岔钢轨磨耗廓形进行了测试。基于实测数据建立了高速车辆-道岔耦合动力学计算模型,对现行速度条件下岔区钢轨件磨耗对列车过岔动力性能的影响进行了仿真分析,进而对磨耗状态下高速道岔达速运行的适应性进行了探究。结果表明:长期运营条件下,高速道岔尖轨、基本轨、翼轨、心轨均出现了不同程度的磨耗,导致轨头廓形及钢轨件之间的相对位置关系较初始状态发生了较为明显的变化;钢轨磨耗状态下列车进岔时所产生的轮轨冲击作用提前了,转辙器区轮载过渡规律发生了明显的改变,列车通过辙叉区时轮轨的相互作用及安全性参数均增加,列车进岔后轮对蛇行运动趋势增大,导致出岔后发生轮缘接触,轮对及车辆振动也呈加剧的趋势,随着磨耗程度的加深,列车过岔时轮轨磨耗发展速率逐渐减缓,道岔钢轨磨耗发展呈逐渐收敛的趋势;道岔钢轨磨耗状态下,列车过岔速度的提升进一步压缩安全和疲劳性能裕量,并且会改变道岔钢轨件磨耗发展的收敛趋势。磨耗状态下高速道岔虽能适应达速运行条件,但需重点关注钢轨件的进一步磨耗和部件伤损加速的情况。     

岔区轨件打磨对高速列车动力特性影响分析

针对福州工务段在杭深客运专线部分岔区采用的轨件打磨方案。在实测岔区轨件打磨前、后关键断面廓形的基础上,基于车辆-道岔动态相互作用,建立了车辆-道岔仿真模型,以列车250 km/h速度直逆向过岔为例,对打磨前、后两种工况的动力响应特征进行了深入对比分析。结果表明:轨件打磨作业后,列车第一轮对右侧脱轨系数幅值降低27.7%、横向轮轨力幅值降低27.4%,车体横向振动加速度和横移量幅值分别降低了56.8%和47.7%,列车过岔安全性及动力特性得到了明显改善;工务段晃车仪、添乘仪以及动检车的检测结果显示,岔区轨件打磨作业后,线路设备质量得到了显著提升,列车过岔时的车体横向加速度明显降低;根据岔区轨件打磨经验表明:钢轨打磨是改善岔区轮轨接触关系、提升动车组运行品质的有效手段;理论研究成果验证了福州工务段为解决管内岔区"晃车"问题所采用的轨件打磨方案的合理性,为高速铁路岔区轨件廓形优化打磨提供了理论支持。     

轮轨磨耗状态下悬挂参数失效对车辆动力学性能影响

为了研究悬挂参数失效对车辆系统动力学性能的影响,建立高速车辆系统动力学模型和悬挂参数失效模型,针对新轮轨、磨耗后轮轨进行轮轨接触几何关系和动力学仿真计算,分析当悬挂参数正常工作和失效时,车辆动力学性能的变化。结果表明：与新轮轨相比,轮轨磨耗状态下的等效锥度、滚动圆半径差和左右轮轨接触角度差变大;轮轨磨耗造成蛇行失稳临界速度下降,运行平稳性和曲线通过能力变差;悬挂系统失效方式不同,对车辆系统动力学的性能和车体的动态响应影响程度不同;车辆的悬挂参数优化应考虑轮轨磨耗的影响。     

城际列车晃车机理试验研究

针对某在线运营的城际列车的晃车现象,实测整车不同位置处的振动信号,对比分析在晃车与非晃车时间段内车辆的运行平稳性、时频特征以及车辆不同部位的信号相干特征,据此初步了解车辆在晃车时的典型特征;进而基于ODS分析理论,掌握车辆晃动时的整体振动情况,并基于构架稳定性分析结果,发现并验证城际列车晃车的机理。结果表明,发生晃车时,车辆横向平稳性指标大于2.5,晃车主频在4 Hz左右,相干性分析表明车体晃动与转向架振动有直接关系;基于ODS分析结果发现晃车时转向架蛇行与车体摇头反相耦合,此时转向架的蛇行稳定性不足,该蛇行频率与基于实测轮轨匹配等效锥度所得的理论计算频率基本一致,因此车辆系统稳定性裕量不足,转向架在较高运行速度工况下接近蛇行失稳状态是晃车的主要原因。     

轮轨横向滑动稳定性对曲线啸叫噪声的影响

车轮相对于钢轨发生横向滑动时,轮轨接触面上的摩擦力变化会引起曲线啸叫噪声。因此首先建立了车轮的状态空间模型和轮轨接触摩擦模型,对轮轨横向接触过程采用4阶Runge-Kutta法进行了时域分析,研究了如横向滑动速度、接触力、阻尼等因素对滑动过程稳定性的影响,并结合实例计算进行了验证,最终得出结论:轮轨横向滑动过程出现不稳定的主要原因是接触面间摩擦系数变化引起的自激振动;当车轮阻尼大于等效阻尼临界值时会使滑动过程稳定;轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性研究EI北大核心CSCD

地铁提速是未来轨道交通发展的必然趋势,服役条件下的车轮磨损会导致车轮半径减小和等效锥度增大,容易造成车辆蛇行失稳。为了保持服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性,通过调研获取了上海某线路地铁车辆的车轮磨损情况,建立了含抗蛇行减振器的地铁横向动力学模型,研究了车轮磨损对于地铁车辆横向运动稳定性的影响,对比服役条件下有无抗蛇行减振器的车辆临界速度,指明了安装抗蛇行减振器对于服役地铁提速的必要性。结果表明,服役条件下的地铁车辆车轮半径减小以及等效锥度增大会降低车辆的临界速度,增大蛇行运动幅值。通过安装抗蛇行减振器,能有效地解决地铁车辆车轮磨损以及提速带来的横向运动稳定性裕量不足的问题,同时也能避免地铁车辆在异常参数匹配下发生一次蛇行运动。论文工作对探究服役地铁车辆进一步提速以及车轮和钢轨的维护保养具有一定的参考价值。     

标准动车组车轮磨耗特征研究

通过对标准动车组车轮踏面磨耗进行跟踪测试,分析总结实测车轮踏面外形和与标准TB60钢轨匹配的轮轨接触几何关系变化规律。讨论不同速度和线路条件下车轮多边形发展演变规律。结果表明:车轮踏面磨耗深度与运营里程基本呈线性关系;轮缘损失量达到2.7 mm后,轮缘不再发生磨损。镟后27.3万公里在名义滚动圆处出现大于0.2 mm的凹坑磨损现象。凹坑磨损会导致接触点对分布在凹坑两侧,轮对的等效锥度增大较快。在580 Hz附近,转向架轮对和构架存在模态耦合共振问题,在350 km/h和300 km/h速度工况下分别形成16、17边形和19、20边形,在哈大线运行时形成的12、14、22和23边形对应351 Hz、410 Hz、643 Hz和672 Hz的振动频率,可能与轨道系统固有特性有关。     

钢轨横向动态位移及振动水平对轨道安全性及钢轨波浪磨耗的影响

基于"轮轨柔度差变"机理,研究了弯道线路不同轨道支承系统钢轨横向动态位移、振动水平及钢轨表面粗糙度的变化,结果表明,降低轮轨横向柔度差变及控制钢轨横向振动是有效抑制减振轨道系统钢轨波浪磨耗的形成与发展的关键措施之一。     

地铁波磨对轮轨动力特性影响及其安全阈值分析EI北大核心CSCD

现场测试某地铁线路普通道床地段钢轨波磨和钢轨振动加速度,建立了地铁车辆-轨道耦合动力学模型,分析了不同特征钢轨波磨对轮轨系统动力特性的影响,提出了指导钢轨打磨控制波磨的波深安全阈值。结果表明:钢轨波磨主要发生在小半径曲线地段圆曲线内轨,主波长200~250 mm,最大波深约0.8 mm,直线地段出现短波波磨,主波长40 mm,最大波深约0.1 mm;波磨主要波长与轨道结构振动主频对应;钢轨波磨激励导致轨道结构振动较大,轮轨系统动力响应剧烈,尤其是70 mm以下的短波波磨;轮轨垂向力呈周期性波动,波动周期与波磨波长相同,周期内1/4波长处轮轨冲击振动达到峰值;钢轨波磨对轮轨系统动力响应的影响随着波长减小、波深增大而加剧;现有规程中指导钢轨打磨的波磨安全限值适用于长波波磨,对于波长30、40、50、60 mm的短波波磨,运营速度80 km/h情况下,建议波深安全阈值为0.08、0.11、0.12、0.21 mm,波深超出安全阈值后应及时打磨。