基于实测轮轨廓形匹配的服役动车组等效锥度修正方法研究

轮轨匹配等效锥度对于保障动车组的运行安全性和舒适性至关重要。在车轮旋修体制由计划性预防修向视情旋修优化过程中,要充分考虑等效锥度等关键影响因素的运用标准及对应的执行策略问题。针对部分车型正向设计提出的基于服役状态下实测轮轨廓形匹配等效锥度的要求,文中研究提出了一种服役状态下动车组等效锥度运用标准的修正方法。通过构建有效的服役轮廓数据库,并与标准轮轨廓形匹配的等效锥度进行对比计算,可得到不同轮廓所对应的修正值累积概率分布曲线,在此基础上结合现场需求,通过分步实施对现有检测手段得到的等效锥度结果予以修正,结合相关运用标准决策车轮旋修。此方法为车轮视情旋修运用标准的落地提供了可靠的方法和数据支撑。

铁道车辆不同踏面等效锥度和轮轨接触关系计算

为了深入研究轮轨接触几何关系,针对国内铁道客运车辆车轮的4种典型踏面LMA、S1002CN、LM和XP55,采用简化法、谐波法、UIC519算法分别计算其等效锥度;编制一套轮轨接触关系软件TPLWRSim,与国际通用的多体系统动力学分析软件SIMPACK和ADAMS计算的结果相对比,在不同轮轨关系计算工况下,给出用3种软件计算的4种标准踏面的等效锥度表,为新型踏面设计提供参考。通过比较不同算法的优越性,表明谐波法和UIC519能更准确地计算等效锥度。同时,给出4种踏面的轮轨接触特征,为实际线路车轮磨耗跟踪试验时分析车轮磨耗行为提供参考。这些轮轨接触特征在实际车轮磨耗跟踪试验中得到了验证。

铁道车辆车轮踏面反向优化设计方法

根据不同类型踏面外形、轮径差的变化和接触点分布特征,给出一种标准踏面反向优化设计方法。由给定轮轨初始接触点位置和轮对在不同横移量下的轮径差信息,结合参考的踏面外形,建立踏面反向设计的最优化模型,并通过了S1002CN和LMA踏面反向设计验证。验证结果表明,不同优化参数下得到的不同设计踏面外形,均满足初始接触点位置和轮径差的要求,但不同轮对横移量下的轮轨接触点分布不一致。分析设计踏面和参考踏面外形的误差及其接触点分布,得到最优踏面优化参数。在最优踏面优化参数下,设计的S1002CN踏面外形最大误差0.26mm,设计的LMA踏面外形最大误差0.2mm。在最优踏面优化参数的基础上,可任意修改轮径差曲线和轮轨初始接触点位置,得到修改后的车轮踏面外形,从而验证踏面反向设计方法的准确性和适应性,可为新型踏面设计提供参考和指导。

基于空间矢量映射的新型轮轨接触点算法

针对铁道车辆动态轮轨接触问题提出一种新的轮轨几何接触算法——空间矢量映射法。空间矢量映射法根据空间矢量映射原理和轮轨外形的基本特征,将轮轨接触视为空间曲面接触,以轨道截面为基准,以轨面宽度作为轮轨可能接触的最大范围,采用一定的接触点寻找和判定原则,准确地找到车轮在不同横移量和摇头角下的轮轨接触点。并自编一套轮轨关系软件TPLWRSim,以LMA型车轮踏面为例,分别建立轮对与轨道、轮对与滚轮和轮对与槽型轨的三维模型,仿真不同轮对姿态下的轮轨接触状态,并通过与轮轨接触几何外形和磨耗后的车轮踏面接触几何关系的对比验证算法的准确性和有效性。仿真结果表明此算法可很好解决铁道车辆的轮轨几何接触问题,能快速准确地求出轮对任意姿态下与轨道的接触点,并对不同踏面和轨道外形具有很好的适应性。

车轮高阶不圆对轮对蛇行运动和等效锥度的影响

根据自由轮对蛇行运动特征,推导出与轮对横移、摇头相关的3个一阶微分方程。该方程得到的蛇行运动与二阶微分方程(与轮对横移相关)得到的结果一致,同时结合Klingel公式也得到一致的等效锥度曲线。分析国内4种轮轨匹配在不同速度下的等效锥度、蛇行波长和蛇行频率,给出轮对横移3mm下自由轮对蛇行频率数表,得到自由轮对蛇行波长不随运行速度变化的特性。根据实测的车轮踏面名义滚动圆处圆周方向不圆曲线,得到车轮高阶不圆度。将其代入轮对蛇行运动公式中,得到车轮高阶不圆下轮对蛇行运动特征。结果表明,车轮在0.1mm径跳20阶高阶不圆下对轮对纵向速度和摇头角速度影响明显,对轮对横移量和摇头角度影响不明显。因此,对自由轮对蛇行频率和等效锥度影响也不明显。

铁道车辆柔性转向架蛇行频率分析方法

推导了与轮对纵向、横向移动速度和摇头速度相关的三个一阶微分方程,并将其作为轮对蛇行运动的激励,代入考虑转向架纵向、横向和摇头运动的柔性转向架二阶微分方程中.使用该模型计算三种动车组在轮对初始横移量3 mm下的构架和轮对蛇行频率及在构架1~8 mm横移量下的构架蛇行频率,计算结果表明:CRH2和CRH5型车的蛇行频率较为接近且低于CRH3型车的蛇行频率.使用推导的动力学微分方程对国内某型时速350 km动车组进行仿真计算,结果表明:当运行速度为350 km/h,轮对初始横移量为3 mm,等效锥度为0.14时的构架蛇行频率为3.0 Hz,说明该型动车组实测构架端部加速度出现的2.9 Hz振动频率为构架蛇行频率.研究结果表明:该二阶微分方程能够反映车辆在实际车轮踏面锥度的下蛇行运动规律.

基于数字激光测量的全线路等效锥度管理方法

等效锥度是评价轮轨关系的重要指标,其数值与轨道车辆的动力学性能有着密切关联。研究表明,轮轨型面、轮径差、轨底坡、轨距或轮对内侧距对等效锥度影响较大,因此准确测量这些轮轨参数非常重要。为了进行全线路等效锥度管理,采用便携式等效锥度仪、通过式车轮踏面测量系统等激光测量技术测量整列车车轮踏面,或采用车轮旋修机床测量数据,建立车轮踏面样本数据库;采用车载轨检系统对全线路轨廓进行测量,建立轨廓数据库。采用等效锥度快速分析处理系统对轮轨型面样本库数据进行交叉匹配,得到整列车所有车轮与全线路轨廓匹配的等效锥度,进而判断轮轨匹配锥度过大是因线路轨面磨耗还是车轮踏面磨耗引起,可对车轮旋修和钢轨打磨提供合理的指导意见,为进一步实现铁路计划修向状态修转变提供可靠支撑。

30t轴重重载铁路钢轨轨型和材质对比试验

在某重载铁路铺设不同轨型、不同廓形、不同材质计8种组合的钢轨,通过实测和仿真,从轮轨接触几何关系、轨道结构动力学、货车动力学性能和钢轨使用性能等方面进行对比试验,对钢轨的廓形、轨型、材质进行分析和比选,提出30t轴重重载铁路的用轨策略。结果表明:与标准型面LM车轮接触时,60钢轨的轮轨接触光带偏向于轨距角一侧,60N和75N钢轨的则移向踏面中心部位,且轮轨接触应力显著降低;与实测廓形60,60N和75N钢轨接触时,车轮的等效锥度分别为与标准廓形75N钢轨接触的1.35~1.5,0.77~0.86和0.94~1倍;在8 000和12 000t载重条件下,60N和75N钢轨对轨道结构动力学指标的影响基本相当,60钢轨最大;3种廓形钢轨对货车动力学指标的影响不显著。建议在30t轴重重载铁路上,选用轨型为75kg·m^(-1)、廓形为75N的钢轨,在直线线路上铺设980 MPa级及以上、曲线线路上铺设1 300 MPa级及以上强度等级的钢轨,在小半径曲线且伤损形式以滚动接触疲劳为主的线路上可推广使用贝氏体钢轨。

刚柔耦合接触动态粘合算法研究

建立一种动态粘合算法,用于多体系统中刚体与弹性体或弹性体与弹性体接触问题的仿真。该算法通过装配矩阵和界面柔度矩阵构建接触界面粘合矩阵,用来传递接触力和位移,当接触位置改变时界面柔度矩阵和装配矩阵随之变化,粘合矩阵需要动态更新。利用该方法可以将刚柔耦合系统中相互接触的结构分成独立的子系统,分别在独立的程序或平台中进行分布式仿真。使用该方法进行刚体与弹性体接触仿真,和统一方程的刚柔耦合仿真结果基本一致。

轨道车辆轮轨关系检测及等效锥度管理

轮轨关系是轨道车辆安全运行的主要研究对象,而等效锥度是重要评价指标,通过等效锥度可以判断晃车和抖车现象。研究结果表明,车体的横向晃动频率在1~2 Hz,主要是等效锥度过低引起车辆蛇行失稳所致。车体抖动频率在8 Hz左右,主要是等效锥度过高诱发车体模态共振所致。为更精准的分析等效锥度变化,需要系统的、精确的检测设备实行全线线路廓形检测以及轮对型面的磨耗检测,结合车轮踏面和轨道廓形进行轮轨交叉匹配运算,得到全部车辆和线路的等效锥度热力图进行轮轨健康管理及运营评价,通过等效锥度管理可实现对车体抖动晃动的诊断和预防,并对轮对镟修和钢轨打磨提供合理的指导意见。

轨道车辆轮轨等效锥度管理措施研究

等效锥度是评价轮轨关系的重要指标,其数值与轨道车辆的动力学性能有着密切的关联。研究表明,当等效锥度过小时,动车组车体容易出现低频晃动;当等效锥度过大并出现“负斜率”特性时,动车组容易出现转向架失稳报警和车体抖动,但此时3 mm等效锥度数值往往较小,不能很好地反应轮轨接触状态,可采用轮对横移量为1.5 mm处的等效锥度作为评价轮轨关系的重要参考。文章建议采用轮轨检测监测设备进行全线路的轮轨廓形检测,实现轮轨交叉匹配运算并得到相应的等效锥度热力图;再结合车辆运行状态进行等效锥度健康管理及运用评价,从而实现对轨道车辆晃车、转向架失稳报警和抖车的诊断与预防,并对车轮镟修和钢轨打磨提出合理的指导意见,进一步为实现铁路计划修转向状态修提供可靠支撑。

变刚度转臂定位节点对地铁车辆车轮磨耗的影响

随着地铁运营里程和载客量的增大,地铁车辆车轮磨耗问题加重。由于Poynting-Thomson模型具有良好的频变特性,能够改善车辆曲线通过性能,将其用于地铁车辆的变刚度转臂节点定位节点仿真。对比分析了定刚度模型与变刚度模型的曲线通过性能,并采用ZOBORY磨耗模型计算了通过曲线时的车轮磨耗深度。计算结果表明:变刚度模型有效地减小了车轮通过曲线时的磨耗功、轮对冲角和蠕滑力,直线工况下变刚度模型车轮1位右轮磨耗深度减小46%;曲线工况下变刚度模型大幅降低了车轮磨耗,同时当曲线半径越小时,车轮变刚度模型降低磨耗效果越佳;当两种模型磨耗5万km时,变刚度模型磨耗深度比定刚度模型小42.2%;计算了定刚度模型不同参数对车轮磨耗的影响,串联刚度对磨耗的影响最大,并联刚度和并联阻尼系数对车轮磨耗影响较小,但参数选取时还应结合动力学影响。

磨耗后轮轨型面接触关系及线路适应性分析

在高速动车组的动力学试验中发现,车辆在跨线运行时构架横向谐波振动显著增大,该现象通常与车辆轮轨关系有直接的关联。通过对钢轨和车轮踏面进行测试来研究动车组实际轮轨接触关系,并基于不同线路钢轨和车轮踏面廓形存在的差异,分析轮轨接触关系出现差异的原因。分析结果表明,轮对横移量为0~3 mm范围内的等效锥度水平较大是造成车辆异常振动的原因;车轮踏面斜率的绝对值不同是造成不同车辆在匹配相同线路时接触关系存在差异的原因;钢轨轨头圆角高度和轨顶位置不同是造成动车组在跨线运行时接触关系不同的原因。因此,不同线路应精确控制钢轨廓形,避免钢轨轨头圆角高度和轨顶位置差异过大,从而改善动车组跨线运行时的轮轨接触关系,提高动车组的线路适应性。

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。

高速列车模拟驾驶动力学仿真系统开发

为了真实地模拟高速列车在运行时的各种姿态,在Stewart六自由度运动平台的基础上,采用VC++编程语言开发了高速列车模拟驾驶动力学仿真系统和模拟操纵界面。建立了高速列车系统动力学模型,头车为纵向、横向和垂向耦合的详细模型,其他车为质量块纵向模型。在仿真过程中动力学模型根据线路数据和司机的操作指令实时更新,采用新型显示积分方法"翟方法"对动力学模型进行求解。计算出高速列车头车车体各自由度在不同工况及控制条件下的响应,将车体加速度作为六自由度运动平台的驱动,形成半实物半虚拟的模拟驾驶动力学仿真平台。采集了实际车辆车体运行加速度数据与仿真进行对比,相关结果较接近,并应用于模拟驾驶系统进行司机培训。

基于车轮磨耗和舒适度的CRH3型动车组型面优化研究

随着我国高速列车运营里程不断增大,车辆车轮磨耗日益突出,旅客舒适度近一步降低。车轮磨耗带来的次生问题已经严重影响着我国高速铁路运营的经济性。而这些问题的核心在于轮轨接触关系的变化,该研究在原有车轮型面的基础上,采用了旋转压缩微调法进行车轮型面设计。以车轮踏面磨耗和舒适度为优化目标,采用Kriging代理模型(KSM)和粒子群优化(PSO)算法优化出最优型面。并对优化后型面的轮轨接触特性,动力学特性和车轮磨耗进行仿真分析。结果表明:优化后型面其轮轨接触点分布更加均匀,轮轨最大接触应力进一步减小;同时其临界速度进一步提高,增大了35km/h;在直线和曲线工况下,横向平稳性指标有了进一步降低;优化后型面其轮轨磨耗性能进一步提高,最大磨耗深度减小13.4%。

高速动车组车轮偏磨影响因素与限值研究

目的 高速动车组在运营过程中的轮轨磨耗严重威胁着运营安全和运营经济性,车轮偏磨对车辆的运行性能具有重要影响。探究高速动车组车轮发生偏磨的原因,从而提出对应的抑制措施。方法 通过实测数据,统计分析动车组偏磨问题和演化规律,并对不同车轮偏磨下的轮轨静态接触参数进行分析;建立高速动车组车辆模型和Jendel车轮磨耗模型,分析偏磨产生的机理和影响因素,主要从4个方面进行探究,包括左右轮表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形的不对称性;通过建立轮对刚柔耦合模型,对不同车速下的车轮偏磨限值进行研究。结果 磨耗里程为200 000 km,当硬度差为0、5H、10H时,右侧车轮的磨耗深度分别为0.954、0.966、0.973 mm。当右侧转臂节点刚度减小为5 MN时,右侧车轮的磨耗深度减小了5%。当左右钢轨廓形不对称时,左侧车轮的磨耗比右侧的磨耗增大了15.8%。当速度为300、350、400 km/h时,轮径差限值分别为2.4、2.1、1.7 mm。结论 左右车轮的表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形不对称性是引起车轮偏磨的主要诱因,在服役过程中需对影响车轮偏磨的车辆和线路参数进行有效监控,并根据运营状态及时进行检修。

基于曲线通过性能的地铁车辆动刚度转臂节点参数优化

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。

适用于高原铁路的贯通供电方案及组合式变换器控制策略

高原铁路存在长大坡道、外部电源容量较小等问题,加之常规高速铁路固有的负序和过分相问题,使得高原铁路牵引供电系统面临较大困难。牵引变电所全线贯通供电是解决高原铁路供电问题的有效技术手段之一。针对现行同相牵引供电系统和贯通供电系统的不足,提出一种采用组合式变换器的贯通同相供电系统方案。介绍贯通供电系统和功率平衡原理,采用瞬时功率理论设计直接功率控制器,完成控制系统的设计。以3个变电所构成的贯通系统为例,搭建负序治理的相关仿真模型。仿真结果表明,所提方案和控制策略具有有效性和准确性。

磨耗车轮踏面精确轮轨接触关系计算方法

基于轮轨刚性接触给出了轮轨准弹性接触的计算方法,开发了TPLWRSim软件,计算了高速动车组标准车轮踏面和磨耗车轮踏面轮轨接触关系,并对TPLWRSim软件与SIMPACK软件的轮轨关系计算结果进行了对比分析。分析结果表明:对于标准S1002CN踏面,准弹性接触对接触点横坐标的修正量最大为5.26mm,磨耗后最大为11.10mm;对于标准LMA踏面,修正量最大为3.82mm,磨耗后最大为13.14mm。由TPLWRSim软件计算的准弹性轮轨接触关系与SIMPACK计算结果基本一致。轮轨准弹性接触能很好地改变刚性接触点跳变、不均匀、不连续的特征,使其变得更光滑连续。计算结果可用于磨耗后踏面的跟踪测试,具有很好的实用价值。