地铁PR型扣件弹条伤损分析

基于国内某地铁线路运营期间发生PR弹条异常伤损情况,对应用线路进行轨道结构实况调查及扣件弹条伤损统计,总结了现场扣件施工过程中的质量缺陷。通过弹条伤损区间钢轨动态位移的测试及钢轨波磨的检测和分析,得到轨道系统动态位移和轮轨作用的激励频约为722 Hz。对比弹条在安装状态下的模态和受力分析结果,组装弹条存在某阶730 Hz模态频率与轮轨作用的激励频率接近,认为轨道不平顺以及轮轨激励频率与弹条振动模态重合产生的共振是引起弹条受损加速,是异常伤损的主要因素,最后提出合理的解决方案和建议,为地铁工务部门的线路维保提供理论及方法参考。     

轮对径向质心偏离对纵向振动的影响

当轮对质心存在径向偏离时,会引发周期性粘着系数的变化,与剧烈的自激扭转振动,从而直接导致轮对产生纵向振动。轮对纵向振动与轮轨黏-滑振动相互耦合,破坏了机车稳定动力学性能。通过某新型机车的建模和数值仿真,计算和分析在不同的质心偏离和速度下,构架、轮对的纵向振动频率与车体垂向共振频率。并计算轮对粘着系数变化规律,分析机车垂向平稳性恶化的机理。结果表明当轮对存在径向偏心时,轮轨蠕滑力饱和产生动力学耦合,引起轮对的扭转振动和纵向振动,由此将通过构架与牵引装置的传递而恶化机车垂向平稳性。     

高速铁路扣件弹条伤损研究及结构优化分析

为了研究高速铁路扣件弹条伤损的原因,本文以高速铁路ω型扣件SKL弹条为研究对象,进行了SKL弹条的传递函数特性、钢轨波磨激励频率及不同螺栓扭矩下弹条模态频率分析研究,试验及仿真分析发现：高速铁路轮轨作用下的激励频段和SKL弹条安装条件下的频率响应峰值吻合,认为弹条在此频段可能发生共振并导致伤损。在扣件弹条伤损机理研究结果的基础上,本文同时对SKL弹条进行结构参数优化,并对优化前后的SKL新旧弹条进行落锤冲击试验,试验结果表明：SKL弹条峰值频率由原来的542 Hz、619 Hz分别跳跃到654 Hz、879 Hz。同时,优化后弹条的总振动级由125.7dB降到107.9dB,振动级下降17.8dB。     

高速铁路扣件弹条伤损研究及结构优化分析

为了研究高速铁路扣件弹条伤损的原因,本文以高速铁路ω型扣件SKL弹条为研究对象,进行了SKL弹条的传递函数特性、钢轨波磨激励频率及不同螺栓扭矩下弹条模态频率分析研究,试验及仿真分析发现：高速铁路轮轨作用下的激励频段和SKL弹条安装条件下的频率响应峰值吻合,认为弹条在此频段可能发生共振并导致伤损。在扣件弹条伤损机理研究结果的基础上,本文同时对SKL弹条进行结构参数优化,并对优化前后的SKL新旧弹条进行落锤冲击试验,试验结果表明：SKL弹条峰值频率由原来的542 Hz、619 Hz分别跳跃到654 Hz、879 Hz。同时,优化后弹条的总振动级由125.7dB降到107.9dB,振动级下降17.8dB。     

轮轨耦合系统横向动态响应特性对钢轨波浪磨耗的影响

研究国内某地铁采用科隆蛋扣件小半径曲线段出现严重波磨的原因。在现场调查测试阶段,利用Bi-CAT波磨测试仪获取该区段波磨的基本特征,通过锤击试验法对轨道进行频率响应特性测试;在实验室试验与计算机仿真阶段,通过ANSYS软件建立列车轮对与轨道的耦合三维实体有限元模型,并结合列车轮对模态测试结果,分析轮对的横向模态特征与轮轨系统横向频响特征以及钢轨波磨特征频率之间的关系。通过现场调查测试与计算机仿真得出如下结论:轮轨耦合条件下200 Hz至400 Hz轮对横向模态特征导致的钢轨横向振动是该区段63 mm和40 mm波长波磨形成的原因之一。     

轮径和轴重对轮轨接触特性的影响

本文基于三维弹性体非Hertz滚动接触理论、CONTACT程序和有限元法,针对LMa车轮踏面与CN60钢轨匹配问题,通过仿真分析不同轮径和轴重的车轮对轮轨蠕滑力、轮轨接触应力和轮轨滚动接触疲劳等的影响。结果表明,在相同轮对横移量和轮径条件下,轴重每增加1t,轮轨蠕滑力平均增加7%～8%,接触斑面积、接触压力和等效应力平均增加2%～3%;在相同轮对横移量和轴重条件下,轮轨接触斑面积随轮径增加而增加,轮轨接触压力、等效应力随轮径增加而降低,但变化幅度均较小。计算结果可为车辆轮径和轴重的选择提供参考依据。     

山地城市地铁线路曲线段异常波磨现象的产生机理及抑制方法

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动观点建立了相应区间弹性长轨枕支承轮轨系统的有限元模型,采用复特征值分析研究了波磨高发区段轮轨系统的摩擦自激振动特性。综合动力学分析和摩擦自激振动分析,研究了轮轨蠕滑特性、轮轨摩擦自激振动与波磨病害的关联性,从而揭示此类异常波磨病害的产生机理。进一步地,分别研究了车辆动力学参数和轨道支承结构参数对该区段轮轨摩擦自激振动的影响,并提出抑制波磨的相关方法。分析结果表明,在山地城市地铁线路波磨高发区段的缓和曲线到圆曲线处导向轮对外轮与外轨间的蠕滑力趋于饱和,轮轨间饱和蠕滑力易于诱导轮轨摩擦自激振动的产生,从而可能导致曲线外轨处产生波长为50~60 mm的异常波磨。在抑制方法的研究中发现车辆动力学参数的改变对轮轨摩擦自激振动特性的影响不大。同时,在一定范围内减小扣件垂向刚度和垂向阻尼有助于抑制该区段轮轨摩擦自激振动的发生,当扣件的垂向刚度为5 MN/m,垂向阻尼为10 000 N·s/m时,轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小。以上均为山地城市异常波磨病害的抑制提供参考。     

短轨枕区间钢轨波磨的现场测试和数值研究

基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,综合采用现场测试和数值仿真的方法共同研究了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上的钢轨波磨。在现场测试中,测试了车辆通过该区段时的振动信号。在数值仿真中,建立了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上导向轮对的弹性振动模型。综合采用瞬时动态分析和复特征值分析计算了轮对通过该路段时的动态响应和不稳定振动模态。现场测试和数值仿真结果的一致进一步证明了在小半径曲线轨道上,轮轨间的饱和蠕滑力能够导致轮轨系统发生摩擦自激振动,从而产生钢轨波磨。同时,当轮对通过相应测点时,可以发现其垂向振动加速度具有明显波动,这意味着摩擦自激振动的产生。并且,在里轨表面垂向振动加速度的振幅明显大于在外轨表面垂向振动加速度的振幅。因此,由摩擦自激振动导致的钢轨波磨主要发生在里轨上,且通过数值仿真预测得到摩擦自激振动导致波磨的波长与现场实测结果近乎一致。     

两种型面轮轨滚动接触蠕滑率/力的比较

本文从数值方面详细分析了两种型面轮对和轨道在滚动接触过程的接触几何、蠕滑率和蠕滑力。在利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论进行轮轨蠕滑力分析时，首先利用有限元方法确定了因轮轨的弹性变形而引起轮轨接触点处的弹性位移差。并利用弹性位移差修正Kalker理论中由Boussinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数，使本文的数值过程能考虑到轮轨结构变形对轮轨接触斑的影响。通过计算分析可知，在轮对运动状态相同的情况下，磨耗型轮对和轨道之间的力学行为与锥型轮对和轨道之间的力学行为相比，存在较大差异。数值结果有助于进一步分析轮轨之间的磨耗、滚动接触疲劳和轮轨使用寿命，为采取相应措施提供理论依据。同时发现目前我国铁路所采用的1/40轨底坡与目前正在全面推广使用的磨耗型轮对不是处于最佳匹配状态，有待进一步改进。     

摩擦调节剂抑制钢轨波磨的机理研究

基于轮轨之间的摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点,论文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕组成的轮轨系统有限元弹性振动摩擦自激振动有限元模型,用ABAQUS软件对该模型的运动稳定性进行了分析,重点研究了轮轨摩擦系数和蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率对轮轨系统摩擦自激振动的影响。计算结果显示,轮轨摩擦系数对轮轨摩擦自激振动有重要影响,当控制摩擦系数 时可以消除钢轨磨耗型波磨,蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率对钢轨波磨有显著影响。     

高速道岔绝缘接头伤损规律及对提速的影响

对现场胶结绝缘接头伤损特征进行了系统调研和测试,掌握了接头伤损不平顺波形规律,提出了接头伤损的简化模拟方法。建立了车辆-道岔耦合动力学计算模型,对现行速度条件下岔区胶结绝缘接头伤损对列车过岔动力性能的影响以及接头伤损状态下高速道岔对进一步提升运营速度的适应性进行了研究。主要结论如下:(1)胶结绝缘接头伤损主要集中出现在道岔前后现场制作的接头中,接头伤损不平顺具有显著的共同特征,主要分布在接头前后1.0 m长的范围内,从接头两侧往中心方向凹陷深度不断增加,在接头中心位置出现显著的短波不平顺突变,深度可达1.4 mm。构建复合余弦函数对接头伤损进行简化模拟,函数参量基于实测数据确定,可较好地反映接头伤损不平顺的主要特征。(2)绝缘接头伤损使高速列车进岔时产生显著的瞬态高频冲击,但对列车进岔后的动力性能影响较小。接头伤损所造成的轮轨垂向力及轮重减载率冲击幅值甚至超过了列车通过道岔过程中相应指标的最大值,但对于轮对运动轨迹以及车体振动影响较小。(3)接头伤损条件下,列车过岔速度提升后车-岔动力性能呈现劣化趋势,在伤损接头位置多项动力学指标显著增大,尤其轮重减载率达到0.895,超过了安全限值,轮轨垂向力增大20.37%。伤损接头位置产生的轮轨冲击对列车速度敏感性较高。     

车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究

某和谐型电力机车车轮运营中表现出较为严重的多边形磨耗,对机车的零部件失效、乘坐舒适性和运行安全性产生较大影响。为研究车轮多边形态下机车轮轨动态响应规律,基于SIMPACK软件建立了考虑机车牵引行为和轮对、钢轨等部件柔性的刚柔耦合动力学模型,利用机车振动试验结果对模型进行验证。研究了典型车轮多边形阶次、幅值和运行速度等对轮轨力和振动响应的影响,并分析了机车牵引行为对轮轨蠕滑率/力和车轮磨耗的影响。结果表明,速度等级为70 km/h时,车轮18阶多边形态下激发了轮对一阶弯曲共振,出现了轮轨力波动大和机车异常振动的现象;机车牵引状态下显著增大了纵向蠕滑率的波动幅值,并提高了纵向蠕滑力,导致轮轨磨耗指数相比无牵引工况下大幅增加,加剧车轮多边形磨耗的发展。     

制动工况下重载货车车轮扁疤对轮轨振动响应分析

随着我国重载铁路的发展,重载货车轴重不断增加,车轮扁疤问题也日渐突出,该问题会导致轮轨动载荷急剧增大。建立了重载车辆-轨道刚柔动力学模型,在考虑了重载货车不同制动工况下,探究车轮扁疤对轮轨之间垂向冲击力和纵向蠕滑的影响,并进行了扁疤限值计算。结果表明,车辆的P1和P2力随着扁疤长度和速度的增大而增加,且紧急制动工况下大于正常制动工况。空车状态下轮轨垂向力远远小于重车状态,但在扁疤的作用下空车状态下的垂向轮轨力产生的波动会更大。车辆进行制动会导致纵向蠕滑率和纵向蠕滑力发生改变,同时在扁疤的作用下纵向蠕滑率和纵向蠕滑力都会产生波动,扁疤越大波动幅度越大。根据标准中的轮轨垂向力和轮重减载率的限值,对车辆在不同工况下进行扁疤限值计算,结合空重车以及制动工况,得到重载货车扁疤限值为38 mm。该研究将为重载货车运维提供相关指导。     

轨枕支撑刚度和阻尼对小半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有限元研究

基于Brockley轮轨系统的摩擦自激振动引起钢轨的磨耗型波磨的理论,本文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕弹簧组成的系统有限元弹性振动模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦系数的乘积,应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性。计算结果显示,当摩擦系数μ>0.28时,轮轨系统在饱和蠕滑力作用下存在很强的自激振动趋势。这种自激振动可能是引起小半径曲线线路上内轨短波波磨的原因。研究了轨枕支撑弹簧刚度和阻尼对钢轨波磨的影响,发现较软的轨枕支撑弹簧刚度和合适的轨枕支撑阻尼可以抑制曲线线路上内轨的短波波磨。研究也发现,把离散轨枕弹簧支撑改为连续弹簧支撑,仍然不能完全消除这种磨耗型钢轨波磨。     

单轴滚动台车轮多边形磨耗激振试验及动态仿真

应用高速列车单轴滚振试验台,通过打磨轨道轮模拟短波不平顺,开展了车轮多边形磨耗的激振试验.建立了试验台动力学分析模型,研究了 300 km/h速度范围内高阶车轮多边形、单一谐波激扰对轮对系统振动特性的影响;测试结果与时-频域计算结果进行对比,发现通过在轨道轮上打磨多边形,能够激发轮轨系统数千Hz的高频振动,在轴箱振动中...     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

嵌入式轨道超弹性力学属性对轮轨动态作用的影响研究

嵌入式轨道结构内的聚氨酯填充材料具有非常明显的超弹性力学特性，对轨道系统的力学行为及振动噪声有较大影响。为研究填充材料超弹性特性对嵌入式轨道轮轨系统动力特性的影响，以焊接接头不平顺为例，建立了考虑填充材料超弹性本构的嵌入式轨道三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，分析了焊接接头不平顺对嵌入式轨道轮轨瞬态滚动接触力学行为的影响。结果表明：考虑填充材料超弹性本构的嵌入式轨道模型可以很好的模拟高分子材料受到外力冲击时的能量转换及减振过程。焊接接头不平顺中的短波不平顺波长和波深对轮轨冲击响应的影响十分显著。轮轨冲击载荷随车速的增加而增大，所对应的轮轨动态响应主频频段也会明显上移。钢轨表面接触应力极值出现的位置与焊缝几何形状关系很大，接触斑面积和接触应力的峰值基本出现在焊缝的低塌处。聚氨酯填充材料在对于较低频率(400 Hz以下)的振动的抑制作用不明显，对500～2 000 Hz的高频振动具有良好的抑制作用，嵌入式轨道的减振特性表现出一定的频率相关性。     

带诱导轮高速离心泵流动诱导振动数值分析

基于SST k-ω湍流模型封闭三维Navier-Stokes方程,对某带诱导轮高速离心泵内部流场进行了三维非定常数值计算,并借助计算机辅助工程(CAE)多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench12.0,采用单向流固耦合方法对叶轮转子系统进行瞬态动力学计算,分析了带诱导轮高速离心泵的流动诱导振动特性。计算结果表明：流体载荷预应力对转子固有频率的影响不大,转子系统应力随流量增加而变大,且应力最大的位置在叶轮与泵轴结合处;诱导轮顶部的振动位移呈周期性变化,且波动在垂直方向大于水平方向,主频为诱导轮叶片通过频率(267Hz);轴承约束面处各向振动均衡,主频为轴频的3倍(379Hz)。     

轨道刚度对高速轮轨系统振动噪声的影响

高速铁路对环境的噪声污染是一个不可忽视的问题,在已建立的轮轨滚动噪声预测模型的基础上,以板式轨道为对象,研究了在轮轨表面粗糙度(随机短波激扰)的激励下,轨道刚度变化对高速轮轨系统振动及轮轨噪声的影响.结果表明:降低轨道刚度,可以有效降低轮轨系统400Hz以下频率的振动,但对400Hz以上的振动基本无影响,从而,对轮轨噪声也基本无影响.     

考虑驱动系统的高速列车动力学分析

高速列车依靠多组驱动系统的持续运行维持其高速运行,带驱动系统的车辆会表现出不同的动力学特性。在牵引工况下,驱动系统的轮轨粘着特性曲线表现出先升后降的趋势。采用Polach轮轨接触算法,首先建立单轮对驱动系统模型,定性分析了驱动系统的扭转振动特性。然后建立带驱动系统的整车动力学模型,将仿真结果与实验数据对比,验证建立模型的正确性。研究结果表明:在牵引工况下,纵向蠕滑率为负;制动工况下,纵向蠕滑率为正;横向蠕滑率也有一定程度的波动;在牵引和制动工况下磨耗功相比匀速时增大,制动工况比牵引工况增大40%。考虑驱动系统模型转向架其蛇形运动频率低于未考虑驱动系统模型,稳定性有所提高;由于驱动系统的振动引起轮轨系统的振动响应波动,采用考虑驱动装置的车辆模型安全性指标相比未考虑驱动系统模型均有所增大,两种模型平稳性指标两个模型区别不大。