多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响研究

针对高速动车组车轮多边形磨耗会加剧轮轨间的相互作用,导致轮轨间异常伤损的问题,建立了车辆轮对的有限元模型,并利用Lancos法对车轮进行了模态分析。建立了考虑轮对柔性的车辆刚柔耦合动力学模型,研究了车轮多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响,分析了不同速度级下的不同幅值、阶次的车轮多边形磨耗的动力学响应。仿真及研究结果表明:随着车轮多边形磨耗的幅值增加,轮轨垂向力和轴箱垂向加速度均有增加,在18、23多边形阶次下,车轮多边形磨耗引发的激扰频率区间为300 Hz～350 Hz、500 Hz～550 Hz和680 Hz～750 Hz,该频率区间与柔性轮对系统模态接近引起谐振,导致在上述区间段轮轨力与振动加速度幅值显著增加。     

车轮多边形磨耗统计规律及关键影响因素分析

针对列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于轨道交通运输领域,会导致车辆/轨道系统产生高频的振动冲击,严重影响车辆和轨道系统零部件的使用寿命,危及行车安全这一问题,调查了大量车轮的多边形磨耗情况并进行统计分析,掌握了高速列车车轮多边形磨耗问题的现状和特点。以18～20阶多边形磨耗车辆为例,通过理论研究和试验分析(试验分析包括车辆系统振动特性测试和转向架模态特性测试),对车轮多边形磨耗的根本原因及诱导因素进行研究。研究发现,轮轨系统在580 Hz频率附近存在固有模态是导致车辆发生18～20阶多边形磨耗的根本原因,轮轨表面的各种不平顺能激发或者加剧轮轨系统在580 Hz频率附近的模态共振,从而诱发车轮多边形磨耗的产生。该结果可为高速列车车轮多边形磨耗问题的防止和进一步研究提供参考。     

高速列车车轮多边形对轴箱的影响分析

为分析高速列车轴箱端盖脱落的原因,建立了轴箱端盖的有限元模型,通过模态分析得到了580Hz的固有模态,并依据模态试验验证了模态分析结果。经过和线路试验数据对比发现该固有频率和20阶多边形的激励频率很接近,针对这一情况应用多体动力学软件建立了包含轴箱和端盖的车辆动力学模型并对轴箱端盖的振动特性进行分析。结果表明:端盖处的加速度要远远大于轴箱体上的加速度,结合频谱分析可以确定轴箱端盖处发生了共振,激烈的振动会使预紧力下降,当预紧力下降到2.5kN螺栓发生松动。上述结论与试验结果一致,并且根据测力螺栓的和端盖的试验数据可以发现随着螺栓预紧力的下降端盖的振动更加剧烈。本研究确定了引发高铁轴箱端盖掉落的根本原因,对于高铁车辆的安全运行有一定的指导借鉴意义。     

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。     

多边形激励下动车组动态响应研究

首先基于刚柔耦合理论,考虑了轮对、轴箱和构架的柔性,建立了动车组车辆刚柔耦合动力学模型;然后又通过模态叠加法建立了轨道的动力学模型,从而发展成车线-刚柔耦合动力学模型。随后,在车轮上施加20阶理想多边形,研究了300 km/h下轴箱垂向加速度、轮轨垂向力和轮轴弯曲应力的响应,结果表明:轴箱垂向加速度和轮轨垂向力以577 Hz的多边形通过频率波动,而轮轴弯曲应力主频为28.8Hz的车轮转频,在此基础上,叠加了多边形的通过频率,因此多边形的通过频率577 Hz会分岔为548 Hz和605 Hz两个频率。通过对不同速度和不同多边形幅值下车辆响应的研究可以得到以下结论:随着速度和多边形幅值的增大,轮轨力最大值总体上呈现增大趋势。从轮轨力最小值上看:速度越大,多边形幅值越大,则更容易发生轮轨分离。当车轮多边形通过频率与轮轨耦合共振频率耦合,会引起轮轨垂向力的增大。当与轴箱自身模态频率耦合时会导致轴箱加速度的变大。轮轴应力则主要受到轮轨耦合共振模态以及轮轴自身的弯曲模态影响。     

车轮非圆化对地铁车辆振动的影响研究

车轮非圆化一直是铁路界难以彻底解决的问题之一。针对中国某地铁线路实际运营中出现的车辆振动过大问题,通过对镟修前后车轮非圆化测试和列车关键部件振动加速度测试发现:镟修前车轮非圆化磨耗径跳值达到0.492mm,并显著表现出7阶的非圆化特征,镟修后车轮径跳值为0.046mm,7阶的非圆化特征消失;车轮镟修后,轴箱、构架测点振动加速度均方根值分别降低37.9%、47.7%,地板振动最大幅值减少50%以上,列车平稳性得到明显改善,平稳性指标几乎全部在2.0以下;车轮非圆化磨耗使轴箱振动加速度呈现出明显的随速度变化的转频成分,在车速70km/h时,7阶非圆化磨耗产生的轮轨激励频率为52Hz。     

轮轨综合磨耗下对高速列车动力学性能的影响

高速铁路长时间运营,经常发生车轮多边形磨耗,并伴随钢轨波磨,两种损伤形式对列车运行特性的综合影响有待深入研究。采用简谐函数法建立车轮多边形模型,设计余弦函数描述钢轨不平顺磨耗,建立列车刚柔耦合动力学模型,分析不同车轮多边形及钢轨波磨综合磨耗情况下,列车的动力学性能的影响,并提出轮轨综合磨耗的安全限值。结果表明：在轮轨综合磨耗激扰下对列车的动力学性能的影响更为剧烈;列车运行速度为300 km/h下,轮轨垂向力增长幅值最大达到30%,车轮与25阶振型模态产生共振;车轮多边形比钢轨波磨对垂向力的影响更大;不同多边形阶次、幅值下,轮轨综合磨耗工况对轴箱、轮对以及钢轨垂向振动加速度影响更大。车轮多边形安全限值更小,多边形幅值限值平均降低了25.9%,在轮轨综合磨耗作用下更易超出限值;当速度为300 km/h,提出了钢轨波磨和车轮多边形阶次在一定范围内的安全限值。     

高速动车组垂向止挡异常振动特性及成因分析

针对高速动车组在运营过程中出现的垂向止挡异常振动,且个别存在明显断裂裂纹的典型振动问题,基于现场车轮粗糙度与振动响应同步测试,分析了镟修前后的车轮非圆特征及其对轴箱及垂向止挡振动特性的影响;采用试验与计算相结合的垂向止挡模态分析,确定了垂向止挡的模态特性,据此分析了高速动车组垂向止挡异常振动的成因。结果表明,测试的高速列车动车组车轮存在较为明显的25～27阶多边形,在192 km/h运营速度下,会对轴箱和垂向止挡形成显著的515Hz频率振动激励。而垂向止挡一阶弯曲模态频率也为510 Hz,且其模态应变最显著区域与断裂裂纹位置一致。由此可判断垂向止挡异常振动是车轮多边形激励引起垂向止挡结构共振所致。车轮镟修可有效减缓或抑制其异常振动,相关研究可为高速动车组减振降噪提供参考。     

机车异常振动原因分析和控制措施研究

针对某和谐型电力机车在运营过程中存在振动过大等问题,对该型机车车轮不圆度和线路振动进行了测试。基于SIMPACK软件建立了考虑钢轨、轮对和构架弹性变形的机车-轨道刚柔耦合动力学模型,通过试验结果对模型进行了验证。利用建立的仿真模型分析了车轮多边形对机车振动和轮轨相互作用的影响,据此提出了机车车轮多边形镟修限值。试验测试发现该型机车车轮存在显著的16～19阶和24阶多边形磨耗,且车轮多边形磨耗是引起机车异常振动的根本原因。通过车轮镟修可以显著降低机车振动水平。机车关键部件的柔性对振动影响较大,在仿真计算时需予以考虑。基于轮轨垂向力限值,建议对于高阶多边形车轮,当径跳超过0.25 mm及时进行镟修。     

高速列车车轮多边形磨耗演变行为

车轮多边形不仅会严重影响高速列车的运行性能,同时会随着车轮的磨耗发生不断演变,因此其演变行为值得关注。对高速列车车轮多边形磨耗的演变过程进行数值模拟,并分析相位差对多边形磨耗的影响。结果表明,车轮初始3阶多边形会演变成多阶混合多边形,其中3的整数倍阶多边形占主要地位;车轮多边形发展过程中,存在一个磨耗急剧增大的"转折里程",应在"转折里程"之前对车轮多边形进行处理;车轮多边形使轮轨垂向力和轮对构架垂向振动加速度增大,同时导致跳轨现象,影响车辆运行安全;多边形相位差会导致车轮的磨耗迅速增加,磨耗率在轮相位差为1/2周期时达到最大。研究成果为车轮多边形的控制手段及现场镟修策略提供了理论依据。     

Study on stress states of a wheelset axle due to a defective wheel

High magnitude impact loads caused by a defective wheel may excite various vibration modes of the wheelset, and contribute to adversely increases in the stress states of wheelset axle in high-speed conditions. In this study, the wheelset is treated as a flexible body using the finite element method, then integrated to a multi-body dynamic model of a high-speed train coupled with a flexible track slab model. Through this model the effects of wheel defects considering wheel flats and wheel polygonalizations on the stress states of wheelset axle are evaluated in terms of bending stresses of the wheelset axle. The damage tolerances of the wheelset axle are subsequently predicted using the NASGRO algorithm. The results suggest that the impact forces caused by wheel flats and wheel polygonalizations at the wheel-rail interfaces can result in the resonance vibrations of a wheelset and give rise to severe variations in dynamic stresses of the wheelset axle. The wheel defects-induced stress load cycles considerably contribute to the propagations of the initial crack in the wheelset axle, especially for the wheel polygonalization.     

高速列车滚动轴承支承松动系统动力学特性研究*

作为列车走行部的关键零部件,轴箱滚动轴承支承松动故障会直接影响到车辆的运行平稳性。针对高速列车滚动轴承内圈与轴颈配合的松动问题,提出一种车体-构架-悬挂-滚动轴承-轮轨的垂向耦合动力学模型,并采用优化的四阶Runge-Kutta数值积分及试验方法,研究不同松动间隙、不同行驶速度下,高速列车滚动轴承支承松动系统的非线性动力学特性。结果表明：理论计算与试验结果较吻合,松动间隙的大小对未松动侧轴箱的振动响应影响不大,但对松动侧轴箱的振动响应有较大影响,且可使得系统的运动状态由近拟周期运动发展为混沌运动。列车低速行驶时松动侧轴箱振动幅值和振动速度均比高速行驶时更大,轴箱振动响应的低频成分只与行驶速度有关,不随松动间隙的改变而改变。     

车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度影响研究

车轮多边形是铁道车辆一种常见的非圆化病害,对轮对振动和车辆运行安全有明显的影响。在建立刚柔耦合拖车和动车车辆系统动力学模型基础上,将车轮多边形简化为简谐波并将其考虑为车轮轮径的变化,研究20阶车轮多边形对拖车和动车车轴疲劳强度的影响。结果表明,等效应力幅比值与速度呈非线性关系,且拖车和动车峰值出现位置有所不同,拖车峰值位置出现在速度为225 km/h,对应多边形激励频率432.7 Hz;动车不同截面分别在300 km/h、375 km/h时存在峰值,对应多边形激励频率分别为576.5Hz、721.2Hz。在各峰值位置处,多边形幅值的变化对拖车和动车部分截面的等效应力幅比值均有显著影响。拖车和动车车轴等效应力最大值均位于C截面,并且随着车轮多边形幅值的增加,其等效应力显著增大,超过车轴疲劳强度限值,降低车轴使用寿命。研究结果有助于改善20阶车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度及弹性振动的影响。     

基于轴箱振动与动力学模型驱动的高速列车车轮失圆状态识别方法

针对高速列车车轮失圆识别难以兼顾效率与精度问题,提出一种基于轴箱振动与动力学模型的高速列车车轮失圆状态智能识别方法。首先,利用静态检测设备采集车轮非圆原始数据,提出一种数据增强技术构建车轮非圆增强数据集。其次,将增强数据集输入至高速列车车辆—轨道耦合动力学模型,获取车轮不同失圆状态下轴箱振动样本集。最后,通过构建恰当结构与配置参数的一维卷积神经网络(1-dimensional convolutional neural network,1-DCNN),可对轴箱振动信号进行自适应特征提取,实现对车轮失圆状态的智能识别分类。结果表明：提出的车轮失圆状态智能识别方法能实现正常车轮、多边形车轮、擦伤车轮、随机非圆化车轮与局部缺陷车轮5类车轮失圆状态的智能分类,准确率达99.2%(标准差为0.05),且单个样本平均识别耗时为0.4 ms。结合现场试验,所提方法对实测轴箱振动具有较好识别能力,测试精度为95%。与经典的SVM和BP神经网络相比,1-DCNN模型具有更高的识别准确度。     

机车转向架通过曲线的动态过程分析

为了解转向架的曲线通过过程,根据蠕滑理论推导出轮对曲线通过方程,发现制约转向架曲线通过性能提高的主要因素是传统转向架一系定位刚度较大,限制轮对相对于构架的摇头自由度,影响轮对自导向能力的发挥。动力学仿真发现相对于锥形踏面,磨耗型踏面可以提供轮对通过半径为300 m曲线所需的轮径差。传统三轴转向架由于一系定位刚度较大,导向轮对在曲线半径1 100 m以下均发生轮缘接触,而后端轮对具有较好的导向性能,具有较小冲角。径向转向架通过耦合轮对摇头运动保证转向架的稳定性,同时通过径向机构,轮对实现牵引和导向功能的分离。采用较小的定位刚度和反相耦合端轴轮对摇头运动,可以互相促进轮对导向,减小轮对冲角。径向转向架能够实现无轮缘接触通过半径为450 m以上曲线。     

拖车转向架气动噪声数值研究

拖车转向架作为高速列车最主要的气动噪声声源,由于其结构复杂、细小部件多、周围涡流分布紊乱等,对拖车转向架的气动力和气动噪声认识甚少。采用定常RNG k-ε湍流模型与宽频带噪声源模型对拖车转向架的气动阻力、气动升力和气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常大涡模拟与Lighthill声学比拟理论对其进行远场气动噪声分析。计算结果表明:较大漩涡存在于空气弹簧与抗蛇形减振器之间、迎风侧轴箱与构架侧梁外侧的邻近区域;气动阻力、气动升力与运行速度的平方成正比关系,占总气动阻力最大的部件依次为构架(24.02%)、轮对(19.30%)、枕梁(18.08%)、制动闸片、抗侧滚扭杆、制动盘、构架支架和空气弹簧,枕梁的气动升力最大且占总气动升力的157.88%左右;轮对、构架、制动闸片、制动盘、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等凸起部位的迎风侧表面为拖车转向架的气动噪声源,且构架对拖车转向架总噪声的贡献量最多,其次为轮对,然后为盘形制动装置和枕梁,抗侧滚扭杆、垂向减振器、空气弹簧和横向减振器对总噪声的贡献量较少。拖车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有噪声指向性、衰减性和幅值特性等,主要能量集中在28~56 k Hz频率范围内,中心频率为50 Hz、100 Hz、160 Hz在低频部分能量较大且分布规律不随运行速度的改变而变化。     

列车车轮多边形磨损及其噪音研究综述

介绍了近年来国内外关于列车出现的车轮多边形磨损及其产生噪音的研究概况,解释了车轮多边形磨损的相关概念和定义,列出了多边形磨损产生的原因以及多边形磨损与噪音之间的关系。国内外关于车轮多边形磨损的相关研究,主要集中于车轮多边形磨损对轮轨动力学的影响、车轮多边形磨损的产生和发展机理以及车轮多边形磨损的检测和评估三方面。笔者从车辆振动产生的噪音、车轮多边形磨损产生的振动和车轮多边形磨损产生的噪音三方面对噪音、振动与车轮多边形磨损之间的关系进行了综述,总结了国内外关于列车维修方面的研究进展,为发生车轮多边形磨损的列车检修提供建议。     

单节八轴机车转向架动力学研究

针对B0B0-B0B0轴式的单节八轴机车转向架结构,提出一种采用中间构架连接两台B0转向架实现三系悬挂支撑车体,并应用单牵引杆直接连接两轴构架与车体传递纵向力的结构形式。该方案结构简单并能实现高粘着利用率,具有可行性和良好的动力学性能。三系悬挂使得机车车体具有优良的平稳性,同速度等级和轴重的2C0机车进行对比计算,机车R300 m小半径曲线通过时,机车导向轮对轮轴横向力及导向轮轮缘磨耗因子相对2C0机车减小35%左右;R800 m半径曲线通过时,轮轴横向力减小15%,轮缘磨耗因子减小23%。