基于曲线通过性能的地铁车辆动刚度转臂节点参数优化EI北大核心CSCD

地铁线路小曲线段众多,造成了地铁车辆车轮磨耗严重。当一系转臂定位节点采用考虑频变特性的变刚度转臂定位节点时,可以有效提高车辆的曲线通过性能和稳定性。首先,建立基于变刚度转臂定位节点的地铁车辆动力学模型,并分析其相关频变特性。然后,通过采用Kriging surrogate model-particle swarm optimization(KSM-PSO)算法对于变刚度转臂定位节点参数进行优化,其中以车轮磨耗和车体横向平稳性为优化目标,进一步优化出适合地铁车辆的变刚度模型节点参数。结果表明:采用优化后的参数其临界速度为211.8 km/h,相对于定刚度模型临界速度增大4.1%,优化后节点参数进一步降低了脱轨系数和轮轴横向力。最后,分析优化后参数对于小曲线段车轮磨耗的影响,曲线外侧车轮磨耗减小31.4%,曲线内侧车轮磨耗较优化前减小22.4%。因此,优化后动刚度转臂节点参数能够提升地铁车辆曲线通过性能并减小车轮小曲线上的磨耗。     

高速动车组抗蛇行减振器参数优化研究

蛇行运动是轨道车辆的固有属性,随着高速铁路的发展,高速动车组稳定性问题越来越突出,抗蛇行减振器对于车辆稳定性具有重要影响,通过优化抗蛇行减振器参数可以有效提升高速动车组运行性能。本文建立高速动车组车辆动力学模型,利用超拉丁采样选取减振器设计参数,并采用 KSM 模型进行动力学响应分析,最后采用 NS?GA?Ⅱ算法对抗蛇行减振器参数进行优化,并对优化前后的动车组动力学性能进行对比。结果表明：优化后参数下,XP55 标准车轮临界速度提高 15.28%,达到 463.8 km/h, XP55 磨耗车轮临界速度提高 13.71%。优化后参数进一步提升了车体的平稳性和舒适度,轮轴横向力减小。同时优化后参数降低了新轮工况和磨耗车轮工况下的车体和转向架横向加速度幅值,抑制了车辆横向振动。分析了减振器参数优化对接触点位置和车轮磨耗指数的影响,优化后参数减小了车轮横向接触点横移,速度为 250 km/h 时,XP55 标准车轮磨耗指数减小 14.65%,XP55 磨耗车轮磨耗指数减小 15.8%。因此,抗蛇行减振器参数优化后可以有效提高车辆稳定性和运行性能。     

地铁车轮磨耗测试及数值仿真

对某地铁线路的车轮磨耗进行了跟踪测试,掌握了该线路车轮磨耗特征;从轮轨关系研究的角度,分析了轮缘异常磨耗的原因;建立了地铁车辆动力学仿真模型,结合基于磨耗功的车轮磨耗评价方法,提出了车轮磨耗减缓措施。车轮磨耗测试结果表明,该线路地铁车轮以轮缘磨耗为主,且存在轮缘偏磨现象;轮缘缺乏润滑和线路小半径曲线分布不对称是造成轮缘磨耗过大和轮缘偏磨的主要原因。仿真结果表明,适当降低一系纵向刚度有利于减缓车轮磨耗;采用轮缘润滑或小半径曲线外轨轨侧涂油等方式降低摩擦系数,能显著降低轮缘和轨侧磨耗,摩擦系数每减小0.05,轮轨磨耗将降低约16.1%;载客量的大小对轮轨磨耗具有一定的影响,轴重每增加1 t,轮轨磨耗将增大约4.8%。针对所调查的地铁线路实际情况,建议对小半径曲线外轨采取涂油措施,以减小轮缘和轨侧磨耗;此外,定期对车辆进行掉头运行,以减缓轮缘偏磨现象。     

弹性车轮地铁车辆过曲线性能分析

为研究弹性车轮地铁车辆曲线通过性能的影响,建立刚柔耦合地铁车辆系统动力学模型。以实验测得橡胶径向和轴向刚度,求得弹性模量,通过有限元模态分析,在软件UM中建立考虑弹性车轮为柔性和考虑标准车轮为柔性的刚柔耦合地铁车辆模型。研究弹性车轮柔性对地铁车辆动态曲线通过的安全性及平稳性,对比分析不同工况下考虑弹性车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型和考虑标准车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型动态曲线通过时的动力学响应。通过对脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、车体横向振动加速度、车体垂向振动加速度、垂向平稳性、横向平稳性和轴箱横向振动加速度对比分析,得出结论如下：弹性车轮地铁车辆模型的脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、轴箱横向振动加速度、车体垂向振动加速度和垂向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的降低。弹性车轮地铁车辆模型的轮重减载率、车体横向振动加速度和横向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的微幅上升。     

均载组合式小轮径货车转向架车轮型面优化设计研究

小轮径转向架技术是驼背运输车辆的关键技术,小轮径低地板驮背车车轮型面磨耗问题严重,对其动力学性能造成严重影响,为了进一步提升其服役性能,对小轮径低地板驮背车车轮型面进行优化设计。首先建立小轮径低地板驮背车动力学模型,然后利用轮径差反向设计方法对车轮型面进行优化,最后利用车辆动力学模型对优化后型面的车辆动力学性能和磨耗特性进行验证分析。结果表明,优化后型面进一步降低了车轮等效锥度,同时减小了轮轨法向接触应力。通过对比优化前后动力学特性,优化后车轮型面有效提升了空重车状态下的临界速度,空车临界速度较LM踏面提高23.3%,重车临界速度较LM踏面增大17.54%。同时优化后型面有效提升了车辆的平稳性和曲线通过性能,最后利用车轮磨耗模型计算了直线段和曲线段的车轮磨耗,优化后曲线外侧车轮磨耗最大深度减小54.8%,曲线内侧车轮磨耗最大深度减小48.13%,型面优化可以有效减小小轮径低地板驮背车直线段和曲线段的车轮磨耗,为抑制车轮磨耗,提升服役性能具有重要作用。     

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。     

扣件胶垫刚度频变的车辆-轨道耦合时变随机振动扩展辛分析

运用扩展辛数学方法、周期拟稳态求解法与随机振动虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合时变系统的随机振动扩展辛分析模型,高效计算了扣件胶垫频变刚度影响下车辆-轨道耦合时变系统的随机振动频域特征,并与车辆-轨道耦合时不变系统的随机振动频域特征进行了对比。研究发现:1）对于低速地铁线路而言,在现有扣件胶垫低频初始刚度及其刚度频变幅度的变化范围内,时变与时不变系统中车轮及轮下结构垂向随机振动加速度频谱的差异很小,因此地铁线路上应用定点激励模型可满足工程要求;2）在高铁线路上,扣件胶垫刚度的频变幅度越大,车轮及轮下结构垂向随机振动加速度的最高功率峰及其对应主频在时变与时不变系统内的差距也越大,因此在扣件胶垫刚度频变幅度较大的高速线路上采用动点激励模型才能保证较高的运算精度。     

计算铁路车轮轮周磨耗量的两种方法对比

建立了车轮磨耗理论计算模型并发展了相应的数值程序,模型中包含了车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论和材料摩擦磨损模型.根据该理论模型提出了两种磨耗叠加方法计算车轮轮周磨耗量,即简化方法和改进方法,探讨了它们对车轮型面磨耗及其演化规律的影响.简化方法假定车轮滚过一个接触斑长度时,接触斑信息不变,因而只计算一个步长即可...     

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。     

非均匀速度分布对地铁曲线区段钢轨磨耗演变的影响

基于三角概率分布研究了速度分布的不均匀性对曲线轨道钢轨磨耗演变的影响。采用Archard材料磨耗模型，结合基于虚拟渗透的非Hertz滚动接触理论进行钢轨磨耗预测仿真；建立曲线区段车辆与轨道动力相互作用模型，对不同速度条件下的钢轨磨耗按权重进行累积计算，结合B-spline函数对磨耗后的钢轨型面进行平滑更新，对比分析了地铁B型车以单一速度和非均匀速度通过曲线钢弹簧浮置板区段时的钢轨磨耗演变情况。结果表明：钢轨磨耗在圆曲线上较大，磨耗光带基本平行于轨道纵向，磨耗深度沿轨道纵向分布不均匀；钢轨磨耗范围随钢轨型面更新次数的增加逐渐增加，磨耗速率随钢轨型面更新次数的增加先增加后减小；非均匀速度通过有效提高了钢轨磨耗分布沿轨道纵向的均匀性；第10次更新时采用非均匀速度通过和优化钢轨型面与采用单一速度通过和磨耗钢轨型面相比车辆累计通过数量增加了近一倍，显著减缓了曲线段钢轨磨耗速率，极大地增加了车辆运行稳定性；在地铁实际运营中可通过在高峰和低峰时段采取非均匀速度控制模式，在一定程度上减缓钢轨磨耗速率。     

高速动车组转向架蛇行状态下的车轮磨耗分析

随着运营里程和速度的不断增大,我国高速动车组车轮磨耗逐渐增大,同时对车辆稳定性造成了一定影响。经过大量的线路试验表明,动车组运营中出现了大量的抖车问题,并且有些线路出现长距离的转向架蛇行失稳状态。针对以上现象,对高速动车组转向架蛇行状态下的车轮磨耗问题进行分析,首先建立某型动车组车辆动力学模型和Jendel车轮磨耗模型,并通过实测数据对动力学模型进行验证;然后分析车辆在转向架蛇行状态下的轮轨接触参数规律,最后对有无激励、不同蛇行幅值、线路参数对于车轮磨耗的影响进行探讨。结果表明：蛇行状态下车轮磨耗出现不同程度的增大,同时蛇行幅值越大,车轮磨耗越大,在长距离蛇行状态运行200 000 km后,可以看出踏面磨耗主要集中在-40～30 mm之间,车轮最大磨耗深度为0.58 mm左右。因此,在动车组服役过程中需要关注车轮蛇行运动稳定性,避免转向架蛇行失稳后造成的车轮磨耗增大现象。     

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。     

铁路曲线钢轨横向凹坑对初始波磨形成的影响

建立了车辆/轨道横向垂向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨波磨计算模型,发展了相应的数值方法。利用该方法分析了曲线钢轨顶面内侧具有横向凹坑对初始波磨形成的影响。计算了客车车辆通过钢轨轨头横向凹坑时,同一个转向架的4个车轮反复作用下钢轨初始波磨形成和发展情况。数值结果表明,当车辆通过具有横向凹坑的曲线钢轨时,轮对和钢轨之间发生瞬态冲击振动,引起钢轨接触面产生不均匀磨损而形成初始波磨,随着车辆通过次数增加,不均匀波磨深度加大并向前扩展,形成大约30mm和750mm的波长;当车轮通过横向凹坑瞬间,车轮和钢轨之间发生激烈的振动,使4车轮下的钢轨接触表面产生严重的凹坑磨损,当车辆再次通过时,轮轨间的振动继续加剧,凹坑磨损深度迅速加大;前轮对通过凹坑而受激振动对后轮对动力学行为影响较大,导致后轮对作用下钢轨接触面不均匀磨损严重,但后轮对受激振动对前轮对动力学行为的影响较小;前轮对左轮受外轨激振作用而导致前轮对右轮下钢轨接触面凹坑磨损最严重。     

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。     

扣件刚度频变特性对轮轨振动噪声的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论和声学理论,建立了考虑扣件刚度频变特性的轮轨滚动噪声频域分析模型。模型中,通过车轮有限元分析获得其模态特征向量,建立考虑车轮弹性的动力学方程;钢轨视为由刚度随频率变化的扣件离散支承的铁摩辛柯梁模型;通过等效线性化轮轨接触形成轮轨耦合动力学频域分析模型;将轨道粗糙度作为输入并考虑接触区滤波,计算得到了车轮和钢轨的振动响应频谱及声辐射功率频谱,并分析了扣件刚度频变特性对轮轨垂向振动以及轮轨滚动噪声的影响。结果表明,扣件刚度的频变特性对钢轨导纳特性、轮轨相互作用力频谱、钢轨总声功率影响明显,而对车轮总声功率影响较小;与扣件常刚度模型计算结果相比,钢轨振动沿纵向传播的衰减率增大,钢轨声辐射功率在100~1 250 Hz频段明显减小,轮轨总辐射声功率约减小2.4 dBA,轮轨噪声辐射声压预测值与试验结果对比表明,频变刚度模型可有效修正常刚度系数模型对轮轨噪声的过高估计。     

基于多车精细建模的曲线地段重载列车-轨道系统动力性能研究

建立考虑多车效应的重载列车-轨道系统精细化动力分析模型,对车辆、钩缓装置中各种细部构件及部件间接触摩擦等作用机制进行精细模拟,基于Hertz理论及FASTSIM算法进行轮轨接触计算。利用自主研发设备通过现场参数试验进行轨道建模。深入研究重载铁路曲线地段列车-轨道系统动力性能及曲线参数影响规律。结果表明,缓和曲线地段轮轨相互作用规律复杂,列车不同位置车轮受力呈现迥异变化趋势及幅度,前后缓和曲线轮轨相互作用亦完全不同,主要由超高顺坡及车辆构造所致;缓和曲线长度过短可导致超高顺坡过大不利列车运行,缓和曲线长度对动力性能影响曲线往往存在拐点,建议以拐点值限定最小缓和曲线长度;增长缓和曲线可有效减弱轮轨相互作用,并主要通过减缓列车首车及导向轮对磨耗降低整体磨耗;随缓和曲线长度不断增加,对动力性能改善效果越不明显。我国重载铁路小半径曲线超高设置通常偏大,建议适当降低超高值、设置10%~20%欠超高,利于改善轮轨受力、减缓磨耗。增大曲线半径利于减弱轮轨相互作用及磨耗,但半径越大改善作用越小。     

轮对声振特性及多边形发展与轮辋厚度相关性研究

影响轮对振动声辐射的重要因素之一是车轮几何形状,当列车长期运营时,轮辋自然磨耗和镟修使其慢慢变薄,这样一方面直接影响轮对振动声辐射,另一方面,间接影响车轮多边形的改变进而也会对振动噪声产生影响。通过对长期运营的高速列车车轮粗糙度、振动噪声跟踪测试以及对轮对声辐射仿真预测,针对轮辋厚度改变对轮对振动声辐射的影响进行研究。结果表明:在车轮表面粗糙度一样时,轮辋越薄,在高频范围内轴箱振动越大,但增加较小。此外,依据车轮定频整分原理,轮辋厚度改变对车轮多边形的发展会产生影响,而车轮多边形的改变又将直接对轮对振动噪声产生影响。     

基于速差反馈的独立车轮曲线通过性能分析

为解决独立车轮在直线和大半径曲线上的自导向能力不足和耦合轮对在小半径曲线上通过能力有限的问题,从胎-地接触力学角度分析了汽车差速器差速原理,引出了机械差速器和等转矩分配差速策略应用于铁道车辆的适应性。根据车轮运动状态,理论推导了曲线半径分界点的存在。提出了一种独立车轮电差速控制方法,建立了独立车轮轻轨车辆的动力学模型和基于速差反馈的控制模型,并根据电机特性,选取控制系统关键参数。通过SIMAT联合仿真,分析了不同半径下独立车轮轻轨车辆的曲线通过性能。结果表明:通过小半径曲线时,差速轮对曲线通过性能较优,动力学行为类似于独立车轮;通过大半径曲线时,同速轮对曲线通过性能较优,自导向能力和动力学行为类似于耦合轮对;通过中等半径曲线时,两种控制方式的车轮曲线通过性能差距缩小,且存在交叉互换的曲线半径分界区,分界区位于500～600 m。     

基于速差反馈的独立车轮曲线通过性能分析EI北大核心CSCD

为解决独立车轮在直线和大半径曲线上的自导向能力不足和耦合轮对在小半径曲线上通过能力有限的问题,从胎-地接触力学角度分析了汽车差速器差速原理,引出了机械差速器和等转矩分配差速策略应用于铁道车辆的适应性。根据车轮运动状态,理论推导了曲线半径分界点的存在。提出了一种独立车轮电差速控制方法,建立了独立车轮轻轨车辆的动力学模型和基于速差反馈的控制模型,并根据电机特性,选取控制系统关键参数。通过SIMAT联合仿真,分析了不同半径下独立车轮轻轨车辆的曲线通过性能。结果表明:通过小半径曲线时,差速轮对曲线通过性能较优,动力学行为类似于独立车轮;通过大半径曲线时,同速轮对曲线通过性能较优,自导向能力和动力学行为类似于耦合轮对;通过中等半径曲线时,两种控制方式的车轮曲线通过性能差距缩小,且存在交叉互换的曲线半径分界区,分界区位于500～600 m。     

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。