等效锥度非线性研究及其在踏面设计中的应用

为研究等效锥度非线性特性对车辆系统动力学和磨耗性能的影响,提出可以用于踏面优化设计的非线性特性建议指标。通过对轮轨关系进行细致推导,应用踏面逆向设计快速递推算法,得到具有不同等效锥度非线性特性的踏面,对不同踏面的轮轨关系进行分析。建立车辆系统动力学模型和基于Archard理论的磨耗预测模型,对不同非线性特性踏面的临界速度、横向平稳性、磨耗性能进行对比分析。研究结果表明:非线性因子值过高或过低都会导致临界速度下降,但该指标过高对临界速度影响更大,最大降幅可达20%;等效锥度非线性特性还会影响到踏面的磨耗发展,踏面的初始非线性因子越高,名义等效锥度在磨耗过程中的增长越慢,对延长车轮服役周期是有利的。综合动力学性能及磨耗性能,建议高速列车踏面的非线性因子应取尽可能接近于0的负值。在这一结论的指导下,对S1002CN踏面进行优化设计,得到名义等效锥度为0.1,等效锥度非线性因子为0.013(与S1002CN持平)、-0.002的优化踏面S1002CN_opt1、S1002CN_opt2,优化踏面S1002CN_opt2与S1002CN相比临界速度和横向平稳性有所优化,同时磨耗性能也有所提升。S1002CN_opt2与S1002CN_opt1之间的等效锥度非线性关系在动力学性能及磨耗性能中的表现证明以等效锥度非线性因子限值指导踏面进行优化设计的可行性,研究结果可为踏面设计及轮轨关系研究提供参考。

基于静态轮重减载率的车辆参数分析

轮重减载率主要反映车轮减载的程度,当轮重减载率过大时,车辆脱轨风险增加。在TSI标准体系中,采用EN 14363静态轮重减载率是第三种评估方法的指标,国外其他标准如英国标准GM/RT 2141、澳大利亚ROA指南和美国公共交通协会规定的APTA PR-M-S-014-06均将静态轮重减载率作为评估扭曲线路的评估指标。本文根据美国公共交通协会规定的静态轮重减载率评估方法,基于某市域车辆以仿真和试验相结合的方式进行分析。结果表明:仿真结果与试验结果的最大偏差为0.5%,因此模型可以代替试验进行评估;较大的一系垂向刚度、较小的簧上质量、簧间质量和簧下质量对静态轮重减载率不利,当一系垂向刚度增大,簧上、簧间和簧下质量降低25%时,轮重减载率分别增大20%、17%、5%、6%。因此,在设计车辆时,建议一系垂向刚度范围为1~1.47 MN/m。

考虑车轮多边形演化的动车组轴箱轴承载荷及寿命分析

以某型250 km/h级动车组为研究对象,考虑轴箱轴承的时变刚度特性、轮对轴箱与轨道的柔性,建立了轴承-车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,研究了实测车轮多边形演化下轴承滚道载荷与疲劳寿命的发展规律,揭示了车轮多边形对轴承载荷的影响机理。结果表明,随着运营里程的增加,车轮多边形磨耗幅值总体上不断增大,导致轴箱轴承外滚道接触载荷最大值与8和9号滚道的接触载荷标准差均呈现增长趋势;轴承每千米的损伤值也会不断增大,最高可达1.4×10^(-7),额定寿命则会不断减少;车轮经过镟修后,外滚道最大接触载荷降低了14%,9号滚道载荷标准差降低了56%,轴承每千米的损伤值降低了39%,故及时镟轮可以明显改善滚道载荷环境,延长轴承寿命。此外,当车轮多边形通过频率与钢轨局部弯曲模态产生耦合后,轴承载荷会更加恶劣。因此,针对该型动车组,在运行1.5×10^(5)km后,应适当增加车轮不平顺的检测频次,并重点关注14,15,25和26阶多边形磨耗幅值。

铁道车辆质量对蛇行稳定性的影响分析

由于转向架结构型式及各部件分布的不同,会引起车辆各组成质量存在差异。为了研究铁道车辆簧下、簧间和簧上质量对转向架蛇行运动稳定性的影响规律,推导了考虑Maxwell减振器模型的整车21自由度横向动力学线性微分方程,基于特征根稳定性判据,采用最小阻尼比法求解车辆系统的临界速度。同时结合轮对自激输入能量法和模态能量法,提出一种适用于多自由度铁道车辆轮轨系统的自激输入能量分析方法,利用该方法,进行车辆质量参数对系统自激输入能量的影响研究,自激输入能量越大,表明蛇行运动稳定性越差。最后通过仿真软件SIMPACK建立整车动力学模型,使用渐进稳定性方法求解车辆系统的非线性临界速度,仿真结果验证了最小阻尼比法和多自由度轮轨系统自激输入能量方法的可行性,可以反映车辆参数对蛇行运动稳定性的影响规律。研究结果表明:减小簧下和簧间的质量可以在一定程度上提高车辆稳定性,簧上质量对车辆稳定性的影响不大;若轮对和构架的质量分别增加1000 kg,临界速度将会分别降低19%和9%,自激输入能量将会分别增大91.7%和32%;若轮对和构架的质量分别减小1000 kg,临界速度将会分别提高36%和10.9%,自激输入能量将会分别降低33.8%和21.9%;簧下质量对车辆稳定性的影响程度大于簧间质量。

动车组轴承及其可靠性研究进展

滚动轴承是动车组列车的关键基础零部件,我国动车组高速、长时间持续运行的特点,以及多变的运行环境,使得动车组轴承的工作环境及其内部受力状态较一般轴承更为复杂,这对轴承的设计制造及可靠性提出了更高的要求。为实现我国高速铁路核心技术完全自主化,近年来针对动车组轴承的研究众多。该文首先介绍了动车组轴承的设计制造与工艺,阐述了动车组轴承在服役过程中的典型失效模式、机理及其影响,随后归纳了动车组轴承故障诊断方法与技术,并对轴承可靠性建模与寿命评估方法的研究现状进行论述,最后简要阐述了动车组轴承的可靠性试验研究。通过对动车组轴承及其可靠性研究进展的总结,可为我国轴承的自主设计理论及制造技术提供参考。

基于逆向法的变轨距列车踏面优化设计

通过研究中俄变轨距列车动力学问题发现,一种车轮踏面可能无法适配多种轨道,可能造成低锥度晃车、临界速度降低、磨耗性能变差等问题。为此,基于轮轨接触关系、车辆动力学理论、车轮型面逆向设计递推算法,提出了匹配多种钢轨的均良化踏面设计方法,并在此基础上对LMA踏面进行优化,得到LMAopt踏面,LMAopt踏面匹配P65钢轨等效锥度从0.026提高至0.04,匹配CHN60钢轨等效锥度维持在0.038,保留了匹配两种钢轨交错的接触区,有利于减轻凹磨。LMAopt踏面与俄罗斯P65钢轨匹配时,低锥度晃车现象得到有效抑制,横向平稳性指标明显得到改善,车辆临界速度提高22%;LMAopt踏面与中国标准CHN60钢轨匹配时,其动力学性能与LMA踏面处于同一水平。在两种钢轨共同作用下,LMAopt的磨耗性能也有所改善,可以确保车辆服役周期内的动力学性能。综上,LMAopt踏面是更适合变轨距列车应用的优化踏面。

高速铁路钢轨打磨偏差对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路存在的两种典型的钢轨打磨偏差,建立了我国某型动车组车辆多体动力学模型,仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。结果表明:当轨肩过度打磨时,轮轨接触点位置会偏向于踏面外端和轨头部分,导致等效锥度变小,容易诱发一次蛇行(即"晃车")现象,在一次蛇行对应的速度区间,车辆横向加速度增大,平稳性更差;而当轨头过度打磨时,轮轨接触点位置会集中在踏面喉根圆部分和轨肩部分,引起等效锥度异常增大,引发车辆二次蛇行失稳,容易触发动车组构架横向加速度"报警"。因此,为了提高动车组稳定性,改善运营品质,在钢轨打磨过程中,应该严格控制打磨精度,以标准廓形为目标廓形。

空气弹簧主动控制的摆式列车动力学性能研究

为研究基于空气弹簧主动控制技术的摆式列车动力学性能,建立了考虑连接管路、附加气室与倾摆阀的非线性空气弹簧垂向模型与摆式列车系统动力学模型。采用多体动力学软件Simpack与数值计算软件Simulink联合仿真的方式研究摆式列车高速通过曲线时的动力学性能,分析了空气弹簧主动控制下抗侧滚扭杆角刚度对车辆倾摆产生的影响,对横向止挡刚度与空气弹簧横向刚度等悬挂参数进行了优化匹配,以保证车辆在曲线上的稳定性。结果表明,采用空气弹簧主动控制技术,能够在不改变转向架结构与线路条件的前提下,降低旅客所承受的未平衡离心加速度,提高车辆曲线通过速度;空气弹簧垂向刚度要与抗侧滚角刚度配合,在满足柔度系数的前提下尽量降低抗侧滚角刚度,以减小倾摆阻力,缓解空气弹簧气压波动;空气弹簧主动控制技术会增大车体与转向架之间的横移量,导致车体碰撞横向止挡。合理的空气弹簧横向刚度与横向止挡刚度匹配能够有效减小车体横移量,避免车辆以较大欠超高状态通过曲线时出现一次蛇行晃车现象,同时有利于车辆曲线通过性能的提高。

直线电机地铁车辆铝基复合材料制动盘动力学性能分析

利用多体动力学软件建立了直线电机地铁车辆动力学模型,采用Simpack和Simulink联合仿真的方法,考虑实际作用在车辆上的牵引力、制动力和电磁力,以工程实际需要为背景,对比分析了该地铁车辆将铸铁制动盘更换为铝基复合材料制动盘前后,在惰行、牵引、制动工况运行时的电机气隙、电机和轴箱振动以及各项动力学指标。研究结果表明:更换制动盘后对电机和轴箱的振动影响很小;车辆的非线性临界速度略有提高;平稳性和舒适度指标差异很小;更换制动盘前后车辆的轮轴横向力和脱轨系数差异很小;由于更换后的铝基复合材料制动盘质量小,减小了簧下质量,因此轮轨垂向力和轮重减载率有所改善。

浮置板轨道结构对地铁车辆轨道耦合系统动力性能影响分析

以北京地铁6号线车辆为样本,研究了浮置板轨道对于车辆轨道耦合动力学模型的影响。建模时将浮置板轨道考虑成柔性体,用有限元实体单元建模,并利用模态叠加法进行求解。仿真后得出如下结论:与轨道不平顺引起的冲击相比,采用浮置板轨道后所产生的枕跨冲击、过渡冲击、轨道板冲击并不明显。车辆在浮置板轨道上行驶时,其竖向悬挂系统能够较好地降低轮轨的冲击力;轨道垫板刚度的主要影响是频率在60~150 Hz范围内的振动,对低频振动影响较小。随着轨道垫板刚度的变大,轮轨垂向力和轮重减载率逐渐变大,但其对轮轴横向力和脱轨系数影响很小,对车体振动几乎没有影响。轨道垫板刚度的主要影响是频率在10 Hz左右的轨道板的振动,对浮置板钢弹簧支承力的影响较小,即对路基的减振效果影响较小。

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。

轨道车辆车钩垂向最大摆角计算方法

针对传统的车钩最大摆角计算方法的不足,提出了基于含故障的车辆动力学模型的车钩垂向最大摆角计算方法。依据该方法,对某型地铁连挂车辆开展了悬挂故障下的车钩垂向最大摆角分析,研究了关键参数对车钩最大摆角的影响规律。结果表明,新方法相比传统计算法可以充分考虑车体柔性、故障冲击下各悬挂变形等因素,在单个钢簧断裂和单个空簧失气工况下,新方法的最大摆角计算结果相比理论计算法分别偏大1.2%和10.2%。此外,钢簧断裂的下降量每增加5 mm,车钩摆角增大约0.086°,空簧失气的下降量每增加5 mm,车钩摆角增大约0.173°;车体垂向变形每增加1 mm,车钩摆角均增大约0.05°。

单车型低地板有轨电车旋转止挡布置方式研究

单车型低地板有轨电车近年在城市轻轨交通建设中得到广泛应用。旋转止挡作为低地板有轨电车的常用部件,可以限制车体与转向架之间的相对摇头角度范围,其设计方案对车辆通过小半径曲线线路时的运行姿态与动力学性能均具有较大的影响。确定旋转止挡在转向架上的布置方式是对其进行结构与力学性能设计的基础。目前有关旋转止挡的研究较少,并且尚未关注旋转止挡的布置方式及其影响。针对采用不同旋转止挡布置方式的单车型低地板车辆,提出了综合考虑车辆限界与动力学性能要求的旋转止挡间隙优化方法,研究了不同旋转止挡布置方式对有轨电车动力学性能的影响,提出了在保证车辆限界校核结果相当的情况下,可以使车辆动力学性能更优的止挡设计方案。研究结果表明,车辆通过小半径的S形曲线线路时,随着旋转止挡间隙的减小,车辆更加容易满足限界要求,但是车辆的曲线通过安全性有所降低;在设计条件允许的前提下,综合考虑车辆的限界与动力学性能要求,旋转止挡横向布置方式更适用于单车型低地板有轨电车;若受限于设计条件,旋转止挡需要采用纵向布置方式时,可以通过对二系横向止挡进行调整优化,获得动力学性能更优的车辆设计方案。

概率双线性累积损伤模型与机械结构时变可靠性分析

疲劳断裂是机械结构最常见的失效模式,是影响机械结构寿命和可靠性的关键因素,研究机械结构的疲劳寿命及其可靠性具有重要意义。然而,当前的寿命预测方法和可靠性分析手段在处理疲劳失效过程中的载荷交互作用等复杂问题时存在建模复杂、模型参数难以确定等缺陷。在此背景下,基于疲劳累积损伤理论,建立了概率双线性累积损伤模型,开展了机械结构时变可靠性分析。首先,针对传统静态可靠性分析方法无法体现载荷历程的时变特征的缺点,基于双线性疲劳累积损伤理论,在对数正态分布假设下构建了概率累积损伤模型。随后,进行当量化处理,基于应力-强度干涉理论,将其拓展为动态的“累积损伤-临界损伤”时变可靠性模型,在疲劳全寿命周期内实现了可靠度预测。最后,通过算例分别验证了在恒幅和变幅加载条件下,提出的可靠度分析方法的准确性和有效性。

铁道车辆异常振动噪声的原因分析

针对动车组在高速运行阶段出现的客室内异常噪声现象,结合线路试验测试数据,通过频域与时域分析方法,进行声源识别与振动传递分析。数据分析结果显示客室异响是由于地板的异常振动引起的声辐射。由于轴箱的异常振动主频幅值小于构架,且车辆系统异常振动频率为牵引电机转频及其倍频,故排除轮轨激扰与车下设备产生异常振动的可能性,将故障定位于传动系统。依据牵引电机与齿轮箱典型故障的振动频谱特征,因其与异常振动频率不相符,故可将故障锁定在联轴节处。结合转子动力学理论,推导弹性联轴节不对中状态下的受力方程,理论分析可知,不对中效应会导致转子系统产生以转动频率为基频的倍频振动,这与数据分析结果是吻合的。因此在后续试验中更换联轴节,结果表明,更换联轴节后客室地板异常振动衰减,惰行工况尤为明显,加速度方均根值降低67%,异常振动1X与3X主频幅值消失,2X与4X主频幅值分别降低了78%与66%。客室地板振动水平达到理想效果,理论分析与试验结果得到相互验证。