两种驱动电机地铁车辆轮轨动态相互作用对比分析

为研究驱动作用下直线电机地铁车辆和旋转电机地铁车辆的轮轨系统动力学响应特性,利用KALKER线性蠕滑理论分析比较电机驱动下两种地铁车辆曲线通过时的轮对导向能力,分别建立直线电机地铁车辆-轨道三维耦合动力学模型和传统旋转电机地铁车辆-轨道三维耦合动力学模型,对比分析驱动作用和曲线半径对两种地铁车辆轮轨动态相互作用的影响。研究结果表明:驱动工况下,不同于传统旋转电机地铁车辆,直线电机地铁车辆的轮轨蠕滑特性和系统动态响应几乎不受牵引载荷的影响,其轮轨蠕滑力不受到轮轨黏着的限制。曲线通过时直线电机地铁车辆导向轮对的导向能力优于传统旋转电机地铁车辆。     

曲线钢轨初始波磨形成的机理分析

利用数值方法分析钢轨离散支撑引发曲线钢轨初始波浪形磨损形成的机理.建立车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨界面材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型.考虑半个车辆模型和有限计算长度的轨道模型,利用Hertz非线性接触弹簧和沈志云-Hydrick-Elkins非线性蠕滑理论耦合车辆和轨道的计算模型来计算轮轨的法向载荷和切向载荷.通过车辆过曲线动力学分析,确定轮轨的瞬时接触位置、法向载荷、蠕滑率等.根据修改的Kalker三维滚动接触理论计算轮轨滚动接触力学行为,再利用轮轨材料摩擦磨损模型计算钢轨的磨损量.对曲线两端的缓和曲线和圆曲线的初始波磨形成过程作详细分析,并对波动频率也作了调查.数值结果显示,同一个转向架4个车轮引起的磨损波长和波深是不同的;不同曲线位置初始波磨的波深和波长也有区别;波磨的频率和轮轨接触振动密切相关;波磨的频率不仅包含轨枕的通过频率,也包含轨道被激发的更高振动频率.     

轮轨高频动力作用模拟中接触模型的影响分析

轮轨高频动力分析模型目前多沿用了传统的赫兹接触模型,其在高速轮轨系统上的适用性尚未得到验证。针对赫兹接触工况,建立基于多体动力学的车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型,其中轮轨法向接触由赫兹弹簧表征,作为对比也建立基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,采用可考虑三维接触几何的"面-面"接触算法精确求解轮轨接触。对比150～500km/h速度范围内典型钢轨短波波磨(波长20～140mm、波深0.01～0.20mm)激励下的高频轮轨力结果,发现三种模型预测的幅值存在显著差异,但未发生轮轨脱离时(波磨尚浅),三种模型预测的幅值均与波深线性正相关。具体而言,相较于瞬态滚动接触模型,车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型预测的垂向轮轨力更大,其特征幅值的最大差值分别为静轮重的39.2%和88.4%,三种模型预测波长30mm波磨的临界波深(恰好发生轮轨脱离)相应地高于0.2mm、0.14mm和0.05mm。开展高速、高频轮轨动力分析时,传统的赫兹接触弹簧会带来不可忽略的计算误差。     

整车无砟轨道钢轨波磨计算模型

概述了钢轨波磨研究现状及现有钢轨波磨计算模型。基于刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型、改进的轮轨非赫兹滚动接触力学模型、钢轨材料摩擦磨损模型和磨耗叠加计算模型,建立整车-无砟轨道钢轨波磨计算模型。其中刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型可以同时考虑钢轨、轨道板柔性以及钢轨周期离散支撑条件等因素;改进的三维非赫兹接触模型考虑不均匀磨损对轮轨接触的影响;材料摩擦磨损模型考虑自旋对磨耗的贡献。钢轨波磨计算模型考虑了轮轨之间的动力作用对波磨形成和发展的影响,以及波磨导致接触表面改变后其对轮轨接触及动力学的反馈作用。该模型可以模拟整车八个车轮和钢轨相互作用所形成的波磨。利用该模型再现了现场残余波磨的初期演化情况,该项研究可为钢轨波磨的减缓和治理提供理论基础和技术手段。     

基于钢轨型面扩展法的车轮型面设计

首先对欧洲国际铁路联盟(Union enternationale des chemins der fer, UIC)高速轮轨型面S1002/UIC60和我国准高速型面LMa/CHN60进行接触几何分析,认为LMa/CHN60型面共形度太低,对钢轨磨损以及滚动接触疲劳极为不利.以改善钢轨的受力状态为出发点,在对钢轨型面扩展法进行数值研究的基础上,采用钢轨局部型面扩展法,根据我国60 kg/m钢轨设计出共形度较高的车轮型面.通过车辆轨道耦合动力学仿真确定车辆临界速度约为400 km/h,且具有较好的曲线通过性能.轮轨非赫兹滚动接触分析表明,在靠近钢轨一侧接触斑面积、应力等较LMa型面变化不大的情况下,离开钢轨一侧接触斑面积明显增大,接触应力降低约20%,钢轨与车轮的接触带变宽,钢轨接触频次得到改善.在车轮型面优化设计做了尝试性工作,以期为我国高速、重载以及城市轨道交通车辆车轮型面优化设计提供借鉴.     

谐波转矩对机车传动系统动态特性的影响研究

牵引电机谐波转矩对由牵引电机、齿轮传动、轮轨接触等组成的铁路机车传动系统动态载荷、振动噪声等动态特性有着重要影响。本文基于国内某交流电力机车牵引电机的结构参数和功能特点，通过虚位移原理获得了脉动谐波转矩，并将其作为激励输入到建立的考虑齿轮传动系统动态啮合的车辆-轨道垂-纵耦合动力学模型中，研究了牵引电机谐波转矩对机车传动系统动态特性的影响规律。研究结果表明，谐波转矩会加剧传动系统齿轮动态啮合力和动态传递误差的幅值波动，从而进一步导致轮轨动态相互作用力波动程度加剧，但受轴重转移影响，轮轨黏着系数均方根值增载位轮对小于减载位轮对，且增载位轮对受谐波转矩影响较小，而减载位轮对受谐波转矩影响较大。     

车轮磨耗影响下驱动系统对轮轨动态特性的影响研究

作为轨道车辆常见的车轮损伤类型，车轮异常磨耗对列车安全运营形成巨大挑战，严重影响轨道交通高质量发展，同时，其形成机理及关键影响因素也长期困扰着铁路科研人员。作为轨道车辆传递牵引动力的关键装置，驱动及传动系统作为激励源和激励传递路径参与整车耦合振动，特别是扭转振动，显著影响着轮轨动态相互作用，而在车轮磨耗研究中却是常被忽略的因素。本文基于模态叠加法和多体动力学理论，在考虑柔性车轮的基础上，分别建立考虑驱动与传动系统和不考虑驱动与传动系统的刚柔耦合车辆动力学模型，通过Fa Strip与USFD相结合建立的磨耗模型，分析在车轮磨耗影响下驱动与传动系统对轮轨动态接触特性的影响。研究结果表明，驱动及传动系统对车轮磨耗的发展起到了明显的促进作用，从而对轮轨接触动态响应的影响显著，特别是考虑驱动及传动系统后，柔性车轮齿轮一节径模态伴随轮对横向弯曲容易被激发，对轮轨横向蠕滑率影响远远大于对纵向蠕滑率和自旋蠕滑率的影响。因此，在进行车轮磨耗机理分析及激励计算时应考虑驱动及传动系统的影响。     

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。     

制动时低黏着区处轮轨瞬态滚动接触行为分析

建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,于时域内分析制动车轮通过长度1m以下的短低黏着区时的瞬态滚动接触行为。模型采用了面面接触算法求解轮轨间滚动接触,考虑了轮轨真实三维几何和材料非线性。着重分析了低黏着区附近的轮轨力、应力、粘滑分布和摩擦功分布等的瞬态变化,结果显示:车轮进入低黏着区时,轮轨接触斑尺寸基本不变,但蠕滑力、接触斑内黏着区面积和摩擦功均显著降低,蠕滑率上升;待离开低黏着区并重新进入正常黏着钢轨后,显著升高的蠕滑率会使得蠕滑力和摩擦功显著高于滚入低黏着区之前的水平;低黏着区越长,发生磨损的可能性和严重程度越大;牵引与制动工况相比,蠕滑力/率方向相反,但黏着区的影响规律基本相同。     

基于高频轮轨接触模型的轨道短波不平顺敏感波长特性分析

轨道短波不平顺是引起轨道-车辆系统高频振动的主要根源,造成轮轨之间剧烈的相互作用力。利用ABAQUS计算软件显式模块建立的轮轨接触有限元模型,用于求解车辆高速运行时轨道短波不平顺作用条件下的高频轮轨接触力。该模型采用轮轨的真实形状建模,并且可引入任意形状的轨道短波不平顺及轨道状态参数。以某高铁线路上实测轨道短波不平顺作为输入,接触模型仿真输出的轮轨垂向力与高速综合检测列车在对应区段上实测轮轨垂向力数据之间的相关系数为0.82,验证了所建模型的正确性。利用高频轮轨模型计算不同速度条件下不同参数的余弦型轨道短波不平顺引起的动态轮轨垂向力,对比分析计算结果表明:动态轮轨垂向力不仅与轨道短波不平顺的幅值有关,还车辆与轨道短波不平顺波长敏感程度有关,在车辆运行速度不低于200 km/h的条件下,车辆对轨道短波不平顺的敏感波长分布在100～200 mm。     

考虑摩擦因数与滑动速度相关时的轮轨滚动接触有限元分析

使用与滑动速度相关的摩擦因数替代库伦摩擦定律中的常系数,结合mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,分析牵引力主导的蠕滑工况下的干燥状态的轮轨滚动接触特性。通过与摩擦因数取值为常数的轮轨滚动接触分析结果对比发现:与滑动速度相关的摩擦因数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响不大,均在1%以内;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大,特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%;更需要引起注意的是对轮轨滚动接触摩擦力矢量分布和切向塑性应变分布影响明显,这对轮轨滚动接触疲劳损伤分析非常重要。     

轮缘润滑对列车曲线通过动态响应影响分析*

为研究轮缘润滑对重载列车曲线通过性能的影响,建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型,该模型主要包含重载列车系统模型、有砟轨道系统模型和考虑多点接触和复杂接触状态的轮轨滚动接触模型。利用该模型对比分析惰行工况和驱动工况下,轮缘润滑对重载列车曲线通过时轮轨动态相互作用的影响。研究结果表明：轮缘润滑对机车曲线通过时的轮轨动力相互作用影响显著,在机车轮对通过小半径圆曲线过程中,当存在轮缘润滑时,外侧轮缘位置处的轮轨纵向蠕滑力明显较无轮缘润滑时明显降低,轮对导向能力削弱;在惰行和牵引工况下通过圆曲线时,存在轮缘润滑的轮对冲角均明显增大;轮缘润滑对重载列车钩缓系统响应影响不大。     

钢轨脱碳层对轮轨瞬态滚动接触行为的影响分析

采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型,将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆—轨道高频动力作用充分考虑在内,采用"面-面"接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为,得到了随时间变化的法、切向接触解。对比发现,屈服应力较低的脱碳层会增大钢轨表层的塑性变形,使得轮轨接触斑和黏着区增大,而最大法、切向接触应力和摩擦功相应降低;厚度有限(一般小于1 mm)的脱碳层对接触斑形状与尺寸的影响可忽略,但对接触应力、黏滑分布和摩擦功的影响不可忽略。脱碳层增厚会加大表面数层单元的总塑性变形,但第一层单元的塑性变形会因变形的再分布而稍稍变小。脱碳层的纵向不连续会使轮轨力、接触应力均在边界上呈现重要变化,车轮由带实测脱碳层钢轨滚入无脱碳层钢轨时,法、切向轮轨力会出现幅值分别为0.32和1.14 kN的动态力,相应的最大法、切向接触应力和摩擦功较脱碳层钢轨上的稳态值分别增加4.42%、19.71%和83.19%。某些条件下,这些突变或可引发不均匀磨耗,进而导致原本平顺的轨面上出现几何不平顺。     

车辆垂向轮轨力识别方法与试验

为了解决轨道车辆轮轨接触载荷难以直接测量的问题,提出了一种轮轨接触力时域识别方法。建立了考虑浮沉和点头的10自由度车辆垂向振动模型,利用车辆系统的加速度响应和位移响应实现了对车辆垂向轮轨接触力的识别;反演模型同时能够实现已测量响应的再现以及对其他非测量部位响应的识别。利用滚动振动试验台测试数据对反演模型进行了验证,研究结果表明:反演模型能够较为准确地对车辆垂向轮轨力进行识别,同时在预测车辆系统非测量部位响应以及测量部位响应再现方面也具有较高的精度,相关系数均大于0.9,为极强相关。     

滑动速度对钢轨表面接触应力的影响

利用ANSYS有限元软件建立轮轨系统弹性平面应变有限元简化模型,模拟轮轨滑动接触行为。研究机械载荷条件下滑动速度对钢轨接触表面接触应力的影响,以及热-机耦合载荷条件下滑动速度对钢轨表面接触应力、摩擦温升的影响,并对2种条件下的接触应力进行比较分析。结果表明:耦合载荷条件下的接触应力较机械载荷条件下显著增加,分布更集中于接触斑附近,即轮轨相对滑动产生了明显的摩擦热效应;滑动速度增加,摩擦热效应越明显,热影响层越浅,即滑动速度对接触应力有显著影响,钢轨接触应力分析时必须考虑滑动速度的影响。     

轮轨直线滚动过程接触力学性能计算方法

以铁路客运列车直线运行时的轮轨接触问题为研究对象,在利用前期研究构建的薄层模型计算轮轨非赫兹接触正应力分布的基础上,分析了直线滚动时轮轨接触斑的蠕滑问题和切应力分布,进一步构建了精确求解任意形状接触斑正压力和切向力共同作用下轮轨内部各点应力的计算模型.结合算例,计算了不同类型轮轨接触斑内的滚动接触应力,并深入计算了钢轨内部各点的Mises应力和最大切应力,分析了滚动过程中接触斑上正压力和切向力对钢轨内部应力的影响规律.     

多变量并行离散计算法的轮轨磨耗预测模型研究

目前轮轨磨耗模型主要分为全局模型和局部模型,全局模型以车辆轨道动力学计算结果和轮轨接触算法计算结果作为输入求解磨耗问题。而局部模型是在完全求解轮轨接触力学问题的基础上,对轮轨接触问题求解并得到接触斑内磨耗功,进而对材料磨耗量进行预测计算。然而,对于不同的车辆、线路参数配置,其轮轨接触计算结果也要重新计算,尤其是Zobory全局模型对接触磨耗深度的计算将变得更加复杂。根据Archard磨损强度模型可知,体积磨耗量与磨耗功有关,主要在于轮轨间的蠕滑和正压力。文中基于UM软件以多变量并行离散的计算方法建立了轮轨接触蠕滑、横移量和车轨系统参数之间的关系,建立多参数影响下的轮轨磨耗预测模型。     

基于有限元梁轨枕的轮轨高频振动模型

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立车辆-轨道垂向耦合模型,轨枕采用有限元梁模型.在轮对扁疤初速度激励模型和位移激励模型下,计算车辆轨道系统的振动响应,并与轨枕集中质量模型仿真结果进行比较.结果表明,轨枕模型的选取对轮轨力影响较小,但轨枕有限元梁模型可以反映沿轨枕长度方向在不同时刻的振动响应,而且计算出轨枕振动的速度分布可为轨道系统辐射噪声计算提供振动数据.     

高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度研究

为准确计算高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度,基于W-M函数分形理论建立高速轮轨表面粗糙度三维数值模型;分析轮轨法向和切向接触刚度理论,运用有限元法离散轮轨接触面建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;基于罚函数的面-面接触算法定义轮轨接触,加载位移载荷计算轮轨法向和切向接触刚度。计算结果表明:接触载荷作用下考虑轮轨表面粗糙度可更为准确地计算法向和切向接触刚度;轮轨法向接触刚度受法向载荷影响较大,且随着法向载荷的增加而增加,而摩擦因数对法向接触刚度的影响甚微;轮轨切向接触刚度随着法向载荷和摩擦因数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小。     

扭曲线路下A型地铁车辆安全性分析

为了研究轨道扭曲对A型地铁车辆动力性能的影响规律,本文利用多体动力学软件对标准120 km/h速度级A型地铁车辆进行动力学建模.基于多体动力学原理和轮轨接触理论,运用SIMPACK和MATLAB软件联合仿真,对不同参数下车辆临界速度和系统模态进行分析.在轨道扭曲线路条件下,对考虑不同轮轨匹配的车辆脱轨安全性进行校核;另外,为防止车辆运行中出现爬轨安全性问题,计算了轮重减载率和转向架回转阻尼系数以校核车辆爬轨安全性.计算结果表明:新轮状态下,轮轨黏着系数越高车辆运行稳定性越好,车辆参数对系统振动模态影响明显;扭曲线路工况下,车辆安全性能校核结果良好,且其校核方法为轨道车辆在此类恶劣线路下的安全性能校核提供了依据.