关键参数对缓圆点波磨区段轮轨力的影响分析

以探究重载线路运行参数对车辆通过缓和曲线低轨侧波磨区轮轨力的影响规律为目的,基于Simpack多体动力学软件搭建了C80车辆-轨道耦合多体动力学模型,利用Matlab生成美国五级轨道随机不平顺,叠加缓圆点前钢轨波磨时域激励作为模型输入,仿真得到在缓圆点处不同波长、波深波磨状态下,缓和曲线长度、曲线半径、超高、行驶速度等关键参数对轮轨力的影响。通过分析一位轮对的轮轨力变化趋势和其最大增长率,发现波磨侧的轮轨力受波磨影响较大;无波磨一侧轮轨横向力受波磨的影响比垂向力大;曲线参数中,各指标最大增长率均随速度的增加而下降;除高轨侧轮轨横向力外,其余指标均随曲线半径的增大而减小;缓和曲线长度和超高的变化,对各指标最大增长率没有明显的降低作用,甚至随着运行参数的增加,指标最大增长率反而增加。

基于遗传算法的实测轮轨蠕滑曲线模拟

轮轨黏着-蠕滑特性直接影响着轮轨系统的工作性能和列车的运行安全。为在轮轨接触数值模型中合理地表征实测黏着-蠕滑曲线的影响,在KP模型和改进FASTSIM模型的基础上,提出了黏着-蠕滑特征参数初值计算方法,结合遗传算法设计参数拟合过程并选取合适的适应度函数,形成了一种获取描述轮轨黏着-蠕滑特性特征参数的通用方法,随后以160 km/h速度的实测蠕滑数据为例,分析对比了本文算法拟合蠕滑曲线的计算效率及与理想工况下局部接触结果的差异。研究表明:(1)本文提出的算法在拟合不同速度工况对应的实测黏着-蠕滑曲线时均具有较高的精度,提出的拟合特征参数取值范围提高了遗传算法收敛速度,与遍历法相比计算速度提高18.5倍;(2)考虑潮湿环境实测轮轨黏着-蠕滑曲线时,轮轨黏滑分布、切向接触应力较干态理想工况有显著差异,主要体现在接触斑最大切向接触应力减小、滑动区面积随蠕滑率增大的速度减缓等。本文算法满足车辆-轨道耦合动力学数值仿真要求,可更真实地模拟实际环境条件下的轮轨相互作用。

考虑材料温变特性的三维轮轨接触热分析

为研究材料温变特性对轮轨接触行为和摩擦温升的影响,提出了一种考虑材料温变特性的三维轮轨热力耦合模型,能够考虑纵、横向蠕滑率和自旋的影响,更为真实地模拟轮轨系统的服役状态.首先,研究了热力耦合建模方式对轮轨界面摩擦温升及接触应力的影响;随后,将该模型应用于地铁小半径曲线处车辆-轨道相互作用模拟.结果表明:当轮轨界面温度达到450℃时,轮轨接触应力显著降低,降幅可达20%;考虑热力耦合建模后,轮轨界面的预测温升明显低于不考虑热力耦合建模时的结果,在蠕滑率为0.16时,两者的差异可达51%;地铁车辆在小半径曲线线路上运行时轮轨摩擦温升因过大的蠕滑率与自旋会急剧增大到750℃,应考虑轮轨热力耦合建模以避免过高估计轮轨摩擦温升以及轮轨接触应力.

更高速下轮轨瞬态“滚-滑-跳”接触行为及中/短波不平顺临界限值研究

简述轮轨滚动接触行为预测方法现状的基础上,选择最适于400 km/h及以上更高速和中/短波不平顺激励下轮轨“滚-滑-跳”接触行为分析的瞬态滚动接触显式有限元建模方法,建立更高速轮轨三维瞬态滚动接触时域分析模型,数值模拟了轮对在典型曲线轨道上的瞬态曲线通过行为。根据现营高速轮轨的中/短波不平顺调研,以波长30~210 mm钢轨波磨为典型不平顺,考虑波磨激励下左右两侧轮轨动力作用相互影响,分析波磨几何等因素对速度500 km/h及以下轮轨瞬态“滚-滑-跳”接触行为的影响。考虑低、中频动力减载等因素的前提下,仅从轮轨接触脱离角度,提出轮轨中/短波不平顺的临界管理限值建议,讨论其重要性、合理性和应用局限,并与《高速铁路钢轨打磨管理办法》规定的波磨整治限度进行对比。

轮轨接触点位置变化对测力轮对测量影响及其补偿方法

[目的]列车运行过程中,轮对存在随机振动,导致轮轨接触点位置发生变化,进而影响轮轨力的测量结果。为了解决该问题,提出一种测量补偿方法。[方法]介绍了轮轨接触点位置变化对测力轮的影响;介绍了轮轨接触点位置变化后,轮轨力测量的补偿方案;通过仿真分析,验证考虑轮轨接触点位置变化的轮轨力测量补偿方案的有效性。[结果及结论]添加美国五级轨道不平顺谱激励后,轮轨接触点位置最大偏移量为17.53 mm,垂向力最大相对误差达到了22.85%;采用所提测量补偿方法后,轮轨垂向力最大相对误差为8.02%,测量精度明显提高。叠加尖弯不平顺谱后,脱轨系数最大达到了1.016 8,超过允许限度;采用无偏移标定系数计算出的脱轨系数为0.347 7,采用所提补偿方法计算出的脱轨系数为0.962 2,说明该方法能够更准确地反映出列车的运行安全状态。

基于GPD理论和百分位数阈值法的轮轨力极值估计与动力系数研究

在高速铁路无砟轨道结构设计和检算时,列车荷载设计值是关键的设计参数之一。基于GPD理论,研究全波段不平顺激励下的轮轨力极值估计方法,并与脉冲激励下的结果对比,为无砟轨道结构设计和相关规范的完善提供依据。结果表明:采用百分位数法选取阈值时,应对样本分簇以提高样本之间的独立性和轮轨力极值估计的精度;提出结合百分位数阈值的形状参数筛选法进行轮轨力极值估计,确定了每簇样本量大小和形状参数区间;样本量宜取3×10^(5)~5×10^(5)个,百分位数阈值宜取50%~98%,且以轮轨力极值估计值的均值作为最终的轮轨力极值估计值;列车速度为250~400 km/h的列车荷载设计值动力系数分别为2.2、2.4、2.6和2.8。

400 km/h高速铁路轮轨噪声与二次结构噪声预测及分析

为评估400 km/h高速铁路列车通过桥梁时产生的轮轨噪声与二次结构噪声,基于统计能量分析法、有限元-边界元法,建立轮轨噪声和二次结构噪声数值预测模型。在此基础上,从轮轨粗糙度、车速和扣件刚度3个方面,分析轮轨粗糙度变化、车速变化以及扣件刚度变化对高速铁路高架段轮轨噪声和二次结构噪声的影响。研究结果表明:(1)在仅改变轮轨粗糙度情况下,综合噪声的变化趋势一致,随着轮轨粗糙度的增大,综合噪声也呈现增大趋势,并且轮轨粗糙度每增加1 dB,声压级增加1 dB(A);(2)在仅改变车速情况下,综合噪声的变化趋势一致,随着车速的增大,综合噪声也呈现增大趋势,但是噪声增大的速率变缓;(3)在仅改变扣件刚度情况下,扣件刚度变化对综合噪声的影响,主要集中在50~800 Hz频段,在其他频段范围内,综合噪声几乎不受扣件刚度变化的影响。在50~200 Hz频段,随着扣件刚度的增大,综合噪声也相应增大;而在200~800 Hz频段,随着扣件刚度的增大综合噪声数值减小。

轨道车辆垂向轮轨力时域识别对比及其机器学习修正

为了尽可能减小轨道车辆垂向轮轨力时域识别中存在的误差,以时域法为基础,开展了基于机器学习修正的轨道车辆垂向轮轨力识别研究.首先建立了车辆动力学仿真模型,获取了车辆在随机轨道激励下以250km/h速度行驶时的轴箱加速度响应和垂向轮轨力.其次,建立了Green函数法、状态空间法这2种时域法对应的动载荷识别模型,对状态空间法的初值误差进行了分析,并引入多项式拟合法修正其趋势项误差,进而对比分析了2种方法的计算精度和计算效率.然后,针对时域法存在的识别误差,提出采用NARX(nonlinear autoregressive models with exogenous inputs)模型对识别误差进行训练和预测,用于消减模型中存在的如响应观测不全与观测噪声等因素造成的影响,进而对时域法识别结果进行修正,提高识别精度.最后,通过一个10自由度轨道车辆垂向动力学模型,对方法的正确性进行了验证.研究结果表明:2种方法对轨道车辆垂向轮轨力均具有较高的识别精度,对于各轮对的识别精度各有优劣;在计算效率方面,状态空间法比Green函数法更优;经NARX模型修正的2种时域法对轨道车辆垂向轮轨力均具有很好的识别效果,识别值与正演值的Pearson相关系数大于0.99,为极强相关.基于NARX模型的机器学习误差修正方法可有效提高时域识别精度,可以为后续轨道车辆轮轨力预测提供参考,具有较强的工程运用价值.

轨底坡耦合轮径差对地铁车辆动力学性能及轮轨接触特性的影响

为了研究轨底坡耦合轮径差对于地铁车辆动力学性能及轮轨接触特性的影响规律,设置了3种轨底坡工况(1/20、1/30和1/40)和5种轮径差工况,通过建立地铁车辆动力学仿真模型和轮轨接触三维弹性有限元模型,分析轨底坡耦合轮径差对地铁车辆直线平稳性和曲线通过性能的影响。结果表明:直线路段车辆平稳性指标受到轮径差变化的影响大于轨底坡变化的影响,轮轨等效应力和接触应力会随着轮径差的增加而增大;曲线路段的各个动力学指标会随着轮径差的增加而增大;综合考虑动力学指标和轮轨接触特性,直线路段下尽量减少使用1/20轨底坡;曲线路段下,可以选择1/30轨底坡,减少轮径差对车辆的影响。

轨底坡耦合车轮动态型面下地铁轮轨接触特性

为探究地铁车轮型面动态变化与轨底坡设置的关系,跟踪测试了运行里程5万、8万、14万公里车轮磨耗型面,研究轨底坡耦合车轮动态型面时的轮轨接触特性;以车辆动力学理论为依据,根据实测地铁车辆参数,建立了车辆系统动力学模型;基于轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,建立了轮轨滚动接触计算模型;以轮轨接触点和接触位置、滚动圆半径差、接触角、等效锥度、蠕滑率、接触斑面积和最大接触压力作为轮轨接触几何和力学性能指标,分析轨底坡耦合车轮动态型面对轮轨接触特性的影响规律。结果表明:LM标准型面和5万公里车轮磨耗型面与1/20轨底坡匹配时轮轨接触点分布均匀;随着运行里程增加,车轮磨耗型面变化,轮轨接触恶化,轮对横移量4 mm下,8万和14万公里车轮磨耗型面与1/20轨底坡匹配时各指标出现断点。

城市轨道交通大跨度桥梁轮轨噪声实测与分析

为探究城市轨道列车通过大跨度桥梁时的轮轨噪声特性,以重庆轨道交通6号线东水门长江大桥以及环线朝天门长江大桥为研究对象,采集列车通过大桥时的噪声实测数据,分析比较噪声频谱特性与能量特性,并总结规律。结果表明:大跨度桥上轨道列车产生的轮轨噪声呈现宽频特征,声压级频谱曲线呈现“中间高、两边低”的趋势;钢桁系杆结构的拱桥噪声峰值集中于800 Hz处,并且结构噪声在63~80 Hz范围内产生了一个相对峰值,而钢桁架梁斜拉桥的噪声峰值所在的频段更高;三跨连续钢桁系杆拱桥的噪声频谱宽、幅值大,其噪声远大于钢桁架梁斜拉桥,中高频段范围的轮轨噪声尤为显著。

Cu,Fe和SiO_(2)粉末对轮轨间摩擦性能影响试验

为寻找可替代硬质氧化物颗粒且能增加摩擦系数,并能减少对轮轨表面损伤的增黏材料,利用销盘摩擦试验机,在试验压力为0.5 MPa、转速为100,200,350,500 r·min^(-1)条件下,采用向轮轨摩擦表面添加粉末并观测摩擦表面形貌的方法,比较测试Cu,Fe与SiO_(2)粉末对摩擦系数、磨损量及表面硬度影响的差异性。结果表明:Cu,Fe粉末增加轮轨间摩擦系数的作用大于硬质SiO_(2)粉末,在摩擦表面添加Cu粉后摩擦系数增加0.2~0.3,添加Fe粉后增加0.1~0.2,添加SiO_(2)粉后在转速低于200 r·min^(-1)条件下增幅低于0.1,但在转速高于200 r·min^(-1)条件下并没有增加;低转速条件下SiO_(2)和Fe粉末使磨损量增加40%以上,而在转速大于200 r·min^(-1)时Cu粉末使磨损量降低50%,原因在于高硬度粒子加剧了对摩擦表面的犁削程度,导致磨损量成倍增加,而Cu粉末在剪切力的作用下易发生大塑性变形,从而黏附在摩擦表面,起到增大摩擦力和减小磨损量的作用;低速条件下Fe粉末和SiO_(2)粉末硬度高,与摩擦表面形成咬合作用,导致摩擦系数增加,而在转速提高时Fe和SiO_(2)粉末被粉碎细化,微细颗粒具有滚动效应,弱化了摩擦表面间的剪切力,难以起到增加摩擦系数的作用。

砂轮排布策略对轨面修复性打磨后轮轨接触特性的影响

针对以往轨面修复性打磨根据钢轨廓形精度确定打磨策略而忽略打磨后轮轨接触状态的不足,提出以基于钢轨打磨廓形的轮轨接触特性确定打磨砂轮排布策略。基于轨面修复性打磨原理,确定砂轮排布策略与打磨后的钢轨廓形之间的重构关系,建立基于“轨顶向2侧”“内侧向外侧”和“2侧向轨顶”3种典型的砂轮排布策略打磨后得到的钢轨廓形模型,再利用轮轨接触三维有限元仿真模型,开展轮轨接触载荷下轨面受到的高接触应力和低疲劳循环周次分布特征分析。结果表明:轨面修复性打磨策略的改变会显著影响打磨后轮轨接触特性,23 t轴重载荷条件下3种典型的砂轮排布策略打磨重构后的钢轨廓形,轨面受到的轮轨最大接触应力分别为863,1255和904 MPa,受到的最低应变疲劳循环周次分别为1.77×10^(5),9.97×10^(4)和1.64×10^(5)次;轨面最大接触应力剖面受到的最大应力分别为1241,1376和1270 MPa,最低应变疲劳循环周次分别为9.96×10^(4),8.60×10^(4)和9.80×10^(4)次;采用“轨顶向2侧”砂轮排布策略打磨钢轨后的轮轨接触状态优于另外2种策略。

钢轨波磨水平对轮轨噪声影响研究

[目的]针对国内某地铁线路运营过程中频繁出现噪声超标现象,研究钢轨波磨水平对轮轨噪声的影响,以解决线路的波磨不平顺导致轮轨匹配度下降、波磨导致轮轨噪声增大的问题。[方法]根据实测不同区段波磨特征及噪声情况,建立了波磨不平顺下的噪声发展预测模型;分析了波磨1/3倍频程特征与产生噪声主频率,得出了易激发噪声波磨波长特征;分析了钢轨质量和列车运行速度与钢轨噪声间的关系。[结果及结论]轮轨噪声由钢轨噪声和车轮噪声叠加构成。频率在2000 Hz以内时,轮轨噪声由钢轨噪声主导;频率在2000 Hz以上时,轮轨噪声由车轮噪声主导。波磨不平顺会加剧轮轨噪声,轮轨噪声的敏感波长为25~55 mm,波谷越大则噪声越大,打铣磨可以降低轮轨噪声。轨道质量对轮轨噪声的影响较小,但列车运行速度对轮轨噪声有着显著的影响,车速越快则轮轨噪声越大,因此,在居民区等公共场合,可以通过适当限速来降低噪声对周边环境的影响。

现代有轨电车小半径曲线轮轨关系改善及噪声控制

以某市有轨电车项目为依托,研究分析典型小半径曲线的轮轨噪声特性和发生机理,通过钢轨打磨改善轮轨关系;研究弹性车轮、轮缘润滑、轨道润滑轮轨曲线对于噪声控制的影响规律。研究表明列车通过曲线半径时,弹性车轮产生的轮轨噪声明显低于传统车轮;轮缘润滑可在有轨电车小半径曲线地段广泛使用;通过测试发现在轮轨之间加入轨顶摩擦改进剂,可使摩擦系数控制在恒定合理范围内,从而降低轮轨间蠕变,有效降低噪声。

基于轮轨力测量的新型轨道交通轮对智能运维监测系统研制

轮轨力直接反映了列车-线路耦合状态及车轮服役损伤水平,创新发展轮轨力在线测量技术对保障列车运行安全至关重要。简述了现有直接轮轨力测量系统的工作原理及存在的不足,通过传感器结构设计、数据融合算法及软件处理系统开发,研制了一种新型轨道交通轮对智能运维监测系统(RIM)。基于剪力法轮轨力测量原理,利用设计研发的钢轨卡装式H型剪力传感器组桥阵列及多通道信号重构技术实现了轮轨力的连续测量。同时,通过制定系统测区布置方案,提出各检测功能评价方法,并构建监测系统网络架构,能满足对车轮踏面损伤、车辆偏载及超员检测等功能需求。经某地铁公司现场实测验证,本系统无需对轨道结构进行任何改动,拆装方便快捷,并能连续重叠采集测量区间内的轮轨力信号,有效弥补了单个剪力测量点独立工作产生的测量盲区,实现了轮轨垂向力的米级连续在线测量。

城市轨道交通列车轮轨垂向力测量方法

[目的]城市轨道交通运营中通常会出现大量的隧道病害,列车轮轨力是各种病害的主要成因,因此,需在不影响城市轨道交通列车正常运营的条件下,对列车轮轨垂向力的测量方法进行研究。[方法]以成都地铁7号线茶店子站—一品天下站下行区间道床剥离病害为研究对象,基于弯矩差法理论,采用ANSYS有限元软件建立了静荷载及动荷载作用下的钢轨有限元模型,并对其进行了数值模拟分析。在室内对1根长2 m、3跨布置的钢轨进行了标定试验。[结果及结论]静荷载数值模拟分析表明,钢轨测点可选择在钢轨跨中轨底上表面边缘两侧位置;当钢轨跨中位置受到垂向力作用时,该点沿钢轨方向的应变最大,且应变随垂向力线性增加。通过标定试验测得的标定系数为0.6260×10^(6)kN,而数值模拟测得的标定系数为0.6441×10^(6)kN,两者偏差仅2.8%,可通过静荷载标定试验确定标定系数。轮轨垂向力的测量方法可以更好地评估轨道结构和列车运行的安全性,及时发现安全隐患,并采取相应措施进行修复和改进。

柔性轮轨下轮轨波磨综合作用的振动特性研究

运用ANSYS联合SIMPACK建立基于柔性轮轨下的某型高速动车组的车辆-轨道耦合振动模型,选取典型的车轮谐波磨耗(20阶,幅值0.01～0.03mm)及钢轨波磨(波长120～150mm,幅值0.01～0.04mm)进行综合分析,对比分析4种模型在不同磨耗下的振动特性。结果表明:模态共振导致柔性体振动幅值大于刚性体振动幅值,而远离模态共振时,柔性体产生的振动幅值小于刚性体振动幅值;考虑轮轨柔性状态时,轮轨非均匀磨耗综合作用产生的轮轨力大于单独考虑轮对或钢轨磨耗时产生的轮轨力;轮轨非均匀磨耗综合作用下产生的轮轨力、轮轨振动加速度随幅值增大而增大,与速度、钢轨波磨波长呈非线性关系;轮轨非均匀磨耗综合作用下,轮对振动加速度及轮轨垂向力呈周期性包络现象。

基于3m波长地铁钢轨焊缝接头不平顺的轮轨响应分析

相对于1 m弦测值的焊缝接头动力学评估与管理,基于3 m波长范围的焊缝接头不平顺轮轨响应分析对其服役状态评估与管理具有重要意义。首先,基于车辆-轨道垂向耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合模型;然后,借助基于一弦N点弦测法研制的钢轨短波不平顺测量小车,对地铁线路焊缝接头不平顺进行精确测量,并根据传统弦测理论得到1 m弦测值;接着,将实测3 m波长焊缝接头不平顺和1 m弦测值作为车辆-轨道垂向耦合模型的不平顺激励输入,对比3 m波长焊缝接头不平顺和1 m弦测值激扰下的轮轨响应;最后,研究了车速和焊缝位置对轮轨动力响应的影响。结果表明:相比1 m弦测值激扰下的轮轨动力响应结果,3 m波长焊缝接头不平顺激扰下的轮轨力幅值变化不明显,轮重减载率幅值增大11.52%,钢轨加速度幅值增大54.05%,轮对振动加速度幅值增大37.67%;车速提高会导致轮轨力和轮重减载率幅值增大;焊缝中心与轨枕间的距离增加,轮轨力幅值先增加后减小,当焊缝中心距离轨枕0.1 m时,轮轨力幅值最大。

基于三维动态有限元模型的轮轨磨耗数值分析

提出基于三维动态有限元模型的轮轨形面磨耗的数值预测方法,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,对轮轨滚动接触过程中的磨耗问题进行数值仿真研究。分析中,轮、轨材料采用双线性的弹塑性本构模型,联合使用有限元隐式(静态)和显式(瞬态)求解方法模拟轮轨瞬态滚动接触过程;采用基于微面积的Archards磨耗模型的积分形式,对轮轨材料的滚动磨损进行计算;用基于三次样条插值函数的曲线光滑技术,对磨耗过程的磨损量分布进行光滑化处理,再根据光滑化后的磨损分布来更新轮轨形面;用Laplace网格光滑技术对车轮踏面和轨轮轨头内部的有限元网格进行光滑化处理。以以往轮轨试验为实例对数值分析模型和方法进行了验证,试验结果与数值分析结果具有良好的一致性。