Development of a simulation model for dynamic derailment analysis of high-speed trains

The running safety of high-speed trains has become a major concern of the current railway research with the rapid development of high-speed railways around the world.The basic safety requirement is to prevent the derailment.The root causes of the dynamic derailment of highspeed trains operating in severe environments are not easy to identify using the field tests or laboratory experiments.Numerical simulation using an advanced train–track interaction model is a highly efficient and low-cost approach to investigate the dynamic derailment behavior and mechanism of high-speed trains.This paper presents a three-dimensional dynamic model of a high-speed train coupled with a ballast track for dynamic derailment analysis.The model considers a train composed of multiple vehicles and the nonlinear inter-vehicle connections.The ballast track model consists of rails,fastenings,sleepers,ballasts,and roadbed,which are modeled by Euler beams,nonlinear spring-damper elements,equivalent ballast bodies,and continuous viscoelastic elements,in which the modal superposition method was used to reduce the order of the partial differential equations of Euler beams.The commonly used derailment safety assessment criteria around the world are embedded in the simulation model.The train–track model was then used to investigate the dynamic derailment responses of a high-speed train passing over a buckled track,in which the derailmentmechanism and train running posture during the dynamic derailment process were analyzed in detail.The effects of train and track modelling on dynamic derailment analysis were also discussed.The numerical results indicate that the train and track modelling options have a significant effect on the dynamic derailment analysis.The inter-vehicle impacts and the track flexibility and nonlinearity should be considered in the dynamic derailment simulations.

Study on the subgrade deformation under high-speed train loading and water–soil interaction

It is important to study the subgrade characteristics of high-speed railways in consideration of the water–soil coupling dynamic problem,especially when high-speed trains operate in rainy regions.This study develops a nonlinear water–soil interaction dynamic model of slab track coupling with subgrade under high-speed train loading based on vehicle–track coupling dynamics.By using this model,the basic dynamic characteristics,including water–soil interaction and without water induced by the high-speed train loading,are studied.The main factors-the permeability coefficien and the porosity-influencin the subgrade deformation are investigated.The developed model can characterize the soil dynamic behaviour more realistically,especially when considering the influenc of water-rich soil.

高速铁路运营过程中的关键问题:轮轨磨耗等(英文)

随着高速铁路运营里程和列车运营速度的不断增长,出现了一些和列车轨道耦合大系统密切相关的关键科学和技术问题。这些问题不仅影响到列车的运行品质,甚至威胁到安全运行,是当前高速铁路运用和发展中急需解决的问题。本文系统描述了高速铁路在运营过程中所出现的一些关键科学和技术问题,并述评了全世界有关这些问题的研究进展、现状和不足之处,提出了今后有利于认识和解决这些问题的发展方向。在长期高速运营的铁路大系统环境中,这些问题的形成的机理、发生、发展过程和预防措施的研究,需要从列车/轨道耦合大系统运营环境(速度、路况、气候和运用维修)、系统的自身参数匹配、材料选用和运营成本等全面系统考虑,并从理论、技术、工艺、监控和维修等方面解决。

Experimental analysis of the mechanism of high-order polygonal wear of wheels of a high-speed train

目的:通过试验研究,对高速列车车轮多边形磨耗机理进行初步探究。创新点:以试验方法为基础,跟踪调查车轮多边形磨耗的发展规律,然后分别对轨道系统和车辆系统开展现场试验,对导致车轮发生多边形磨耗的因素进行排查,探明了车轮多边形磨耗的机理。方法:1.进行车轮多边形磨耗跟踪测试;2.进行轨道结构模态特性测试、钢轨波磨测试和轨道振动响应测试;3.进行转向架模态特性仿真研究、悬挂系统隔振特性测试以及车辆振动特性跟踪测试。结论:1.列车运行时,车轮受到周期性激励作用会发生多边形磨耗,且当激励波长整分车轮周长时,多边形磨耗发展迅速;2.作为主要激励源,轮轨接触表面出现的车轮偏心、钢轨表面不平顺、轨下支承不均匀、钢轨接头和道岔等激发了转向架系统在550~600 Hz频段内的模态耦合共振,从而导致了车轮多边形磨耗的产生;3.变速运行可以有效地控制车轮多边形磨耗的产生与发展。

钢轨波磨处高速轮轨滚动接触行为与波磨发展的模拟研究(英文)

研究目的:为求解钢轨(短波)波磨处的高速轮轨瞬态滚动接触建立有限元模型,研究影响高速钢轨波磨发展的重要因素。创新要点:1.求解不同牵引条件下轮轨间的瞬态法和切向滚动接触问题,并考虑真实轮轨几何和钢轨波磨,最高模拟速度达500 km/h;2.基于模拟结果,解释了中国高速线路上发现的钢轨波磨很快稳定下来的现象。研究方法:1.详细分析钢轨波磨处高速轮轨瞬态滚动接触的法、切向解以及由此导致的V-M等效应力和摩擦功沿轨面的波动;2.变化波磨波长、波深及重要滚动参数如速度和牵引系数等,研究它们对波磨处滚动接触行为的影响;3.对比上述有限元模型与传统多体动力模型在波磨处的法向轮轨力结果。重要结论:1.法、切向轮轨力及法、切向接触应力均随着波磨几何呈周期性波动,但相位略有差异,V-M等效应力和摩擦功的波动形式接近切向接触应力;2.牵引系数越大,波磨处V-M等效应力和摩擦功的波动范围越大;3.名义参数下,对于所研究高铁系统,波长为80 mm左右、速度为250–300 km/h时波磨的动态响应最大,这与现场观测相符;4.传统多体动力模型会高估钢轨波磨激励的法向轮轨力;5.钢轨波磨会逐渐稳定下来,通过速度越高进入稳定越快。

高速列车车轮多边形对车内噪声的影响(英文)

研究目的:研究高速列车车轮多边形特征对轮轨噪声和车内噪声的影响规律,讨论目前国内高速列车车轮镟修指标的不足,为高速列车车轮镟修方法的优化改进提供科学依据。创新要点:系统分析高速列车车轮多边形阶次、幅值和相位等参数对车内噪声的影响规律;提出车轮镟修中仅考虑车轮径跳作为限值是不够的。研究方法:1.基于线路试验,初步分析高速列车车轮多边形状态对车内噪声的影响,进而对车轮多边形特征进行剖析;2.基于带通滤波和快速傅里叶变换,使用MATLAB程序生成不同阶次、幅值和相位的车轮多边形粗糙度数据;3.基于TWINS轮轨噪声原理,使用HWTNS预测含有不同车轮多边形特性的轮轨噪声;4.基于混合有限元-统计能量分析(FE-SEA)方法,建立高速列车客室端部车内噪声预测模型,预测车内噪声;5.通过分析车轮多边形参数、车轮径跳和车内噪声之间的相互关系,研究目前的高速列车车轮镟修指标是否合适。重要结论:1.高速列车车轮径跳值相同,但车轮多边形状态不同时,轮轨噪声与车内噪声有明显差异;2.当车轮多边形幅值相同时,高阶多边形可以引起更高的轮轨噪声和车内噪声;3.改变车轮多边形的相位,可以获得不同的车轮径跳值,但是对轮轨噪声和车内噪声几乎没有影响。

不同速度高速列车车外噪声的调查研究(英文)

研究目的:基于声源识别,得出车外噪声分布特性及场点主要噪声源。创新要点:1.研究高速列车噪声源强特性及频谱特性;2.揭示不同速度下不同声源频谱变化规律;3.分析车外声场场点噪声变化规律及主要声源。研究方法:1.利用车外声源识别系统(图2)分析高速列车声源分布规律及频谱特性;2.利用声源的垂向(图10)分布研究不同声源在各频率下垂向分布规律;3.利用场点声源与速度的拟合关系(图16)研究场点主要噪声源。重要结论:1.高速列车车外噪声源主要分布在轮轨区域、受电弓和车间连接区域;2.轮轨区域噪声包括滚动噪声和气动噪声,在各频率均为最显著声源;3.在整个列车高度,轮轨滚动噪声对总噪声贡献率大于气动噪声;4.车外场点噪声主要频率为630–2500 Hz,主要来自轮轨滚动噪声。

Characteristics of interior noise of a Chinese high-speed train under a variety of conditions

目的:研究高速列车在不同速度(260~385 km/h)、无砟和有砟轨道以及明线和隧道运行时的车内噪声特性,为高速列车车内减振降噪和车体低噪声设计提供科学依据。创新点:系统分析高速列车在不同运行条件下的车内噪声总值变化、空间分布、频谱特性和声源贡献,掌握车内噪声随列车运行速度的变化规律、轨道型式和隧道混响对车内噪声的影响,研究轮轨噪声、气动噪声和弓网噪声对车内噪声的作用。方法:1.根据不同的列车运行速度,分析车内噪声的变化规律;通过进一步对比头尾车运行时,不同测点位置的噪声总值、显著频率和声源贡献,研究气动作用对车内噪声的影响。2.针对不同轨道型式,分析车内噪声的差异特性;通过进一步对比不同速度下的前、后转向架上方车内噪声测点(其中一个还位于受电弓下方)的噪声总值、显著频率和声源贡献,研究有砟和无砟轨道、弓网噪声对车内噪声的影响以及速度因素的作用。3.对于隧道运行,分析不同速度下在明线和隧道运行时的车内噪声总值和显著频率,研究隧道混响对车内噪声的影响以及速度因素的作用。结论:1.TC01车无论作为头车或尾车运行,车内观光区的噪声均主要受气动作用影响。2.随着列车运行速度的提高,轨道型式的不同对车内噪声的影响有所降低。3.隧道混响对中间车的影响要高于头车。

轮对前2阶弯曲模态对动力学行为的影响(英文)

研究目的:扩展动力学模型的分析频域,建立能考虑轮对柔性的车辆轨道耦合动力学系统模型,为研究轮轨磨耗的形成和发展以及轮轨噪声的来源提供基础。创新要点:利用欧拉梁横向弯曲模型,建立轮轴在垂直于轨道平面和平行于轨道平面内的弯曲振动模型;建立考虑轮轴弯曲的轮对模型与轮轨接触模块之间的耦合关系,进而研究轮轨接触行为受轮轴弯曲变形的影响。研究方法:1.把轮轴模拟为欧拉梁,左右车轮模拟为固结于轮轴上的质量块;2.假设左右车轮始终垂直于轮轴,引入虚拟的两个半边刚性轮对模型,建立轮轨接触模型和柔性轮对耦合的关系;3.基于多刚体车辆-轨道耦合动力学模型,利用以上柔性轮对模型和此耦合关系,建立考虑轮轴柔性的车辆-轨道耦合动力学模型。重要结论:1.建立的刚柔耦合的车辆-轨道耦合动力学模型能够有效地描述轮轴弯曲对轮轨接触行为的影响;2.在0–150 Hz的随机不平顺激励下,多刚体模型和考虑轮对柔性的模型受到的轮轨力和轮轨接触点轨迹不同;这主要是由第1阶弯曲模态被激发导致。

Development and validation of a model for predicting wheel wear in high-speed trains

目的:高速列车车轮磨耗过程非常复杂,涉及因素较多。本文旨在发展及验证一个高速列车车轮磨耗预测模型,对高速铁路轮轨型面设计、车辆悬挂参数设计、车轮镟修计划的制订及降低运营维护成本等具有非常重要的意义。创新点:1.建立一个包含车辆轨道动力学仿真、轮轨局部接触求解、车轮磨耗计算和型面平滑与更新策略的高速列车车轮磨耗预测模型;2.利用跟踪测试的高速列车车轮磨耗结果对预测模型进行验证;3.修正USFD磨耗函数,使得预测结果与实测结果更为吻合。方法:1.在SIMPACK多体动力学软件中建立CRH3型动车组拖车的动力学模型,对武广高铁的实际线路进行统计,采用统计的虚拟线路代替实际线路;2.利用Fa Strip进行轮轨局部接触求解;3.采用修正后的USFD磨耗函数进行车轮磨耗计算;4.利用现场实测数据验证模型的可靠性。结论:轮轨界面状态对车轮磨耗具有较大的影响;直接采用已有的磨耗模型进行车轮磨耗预测可能会导致一定的偏差,需要对其进行适当的修正才能获得较好的预测结果。

一种高速列车-轨道三维空间耦合动力学模型(英文)

研究目的:基于车辆-轨道耦合动力学理论分析方法,建立一种高速列车-轨道三维耦合动力学模型,并明确列车-轨道耦合模型与单节车辆-轨道耦合模型在高速列车-轨道耦合动力学性能分析中的差异。创新要点:建立一种高速列车-轨道三维耦合动力学模型,模型中考虑列车的纵向动力学行为以及车间连接装置对列车中不同车辆动态响应的影响,并基本明确完善的列车-轨道耦合模型在高速列车-轨道耦合动力学性能分析中的重要性。重要结论:单节车辆-轨道耦合模型会过高地估计高速列车在运营过程中的振动响应和动力学性能指标,而完善的列车-轨道耦合动力学模型的计算结果则更加接近实际情况。

Time-domain model for wheel-rail noise analysis at high operation speed

目的:建立高速列车时域轮轨噪声预测模型,考虑轮对柔性对轮轨噪声的影响,预测高速列车轮轨噪声的时域特性和频域特性,为高速轮轨时域噪声预测的学术研究和工程应用提供重要参考。创新点:基于考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆-轨道耦合动力学以及混合有限元-边界元方法,建立高速轮轨噪声时域模型。其中将柔性轮对的时域建模与轮轨噪声预测相结合是本文主要创新点。方法:1.通过考虑柔性轮对的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型(图1)获得轮轨力,然后基于时域有限元-边界元方法(图3),计算轮轨振动与噪声的时域结果,进而通过傅里叶变换得到频域结果。结论:1.考虑轮对柔性与否,对低频轮轨力的影响较小。其主要差别体现在中高频范围,具体表现为:考虑轮对柔性后,当粗糙度波长与轮对固有频率重合时,轮轨力会降低;当粗糙度波长与轮对反共振峰重合时,轮轨力会提高;此外,因为考虑了轮对柔性以及接触的非线性,高频轮轨力的波动比考虑刚性轮对的轮轨力更为明显。2.在500 Hz以下,考虑柔性轮对和刚性轮对得到的轮对振动和噪声差别不大,而在500 Hz以上的中高频范围内,振动噪声会出现更多的峰值和谷值;在中高频范围内,使用刚性轮对会低估轮轨噪声的水平。3.轮轨噪声在总体趋势上随着波磨波长的增加而降低;在某些敏感波长对应的频率处,轮对或轨道的模态会被激发,使得轮轨噪声出现局部峰值。

高速铁道车辆风致安全性研究(英文)

研究目的:随着世界高速铁路网的不断扩张,高速列车的风致安全性成为高速铁路系统中的关键科学问题之一。本文利用车辆-轨道耦合动力学理论分析方法,确定强横风作用下高速铁道车辆的安全运行区域,为强风地带高速列车的安全控制提供依据。创新要点:首次提出了考虑多种影响因素和脱轨评价指标的高速列车脱轨安全域分析方法,并运用到了高速铁道车辆风致安全性研究中。研究方法:基于车辆-轨道耦合动态响应及多种安全性评价指标得到横风作用下高速铁道车辆的安全运行区域和脱轨区域。重要结论:铁道车辆安全性评价指标中,轮重减载率对横风激励最为敏感,其确定了强风作用下高速车辆安全运行区域的边界。

沥青混凝土砂浆层软化对车辆行驶安全性和轨道动力特性的影响（英文）

目的：对于高速铁路，老化和雨水冲刷浸泡将导致无砟轨道水泥沥青砂浆（CA砂浆）软化现象。CA砂浆的软化严重影响轨道动力特性，甚至危害高速列车行车安全。通过仿真计算，系统地调查CA砂浆软化对高速列车行车安全以及轨道动力特性的影响。创新点：系统地对比CA砂浆软化对车辆．轨道动力学特性和轨道层间破坏的影响，为工程实际提供参考。方法：1．通过建立三维车辆．轨道耦合动力学模型以及CA砂浆软化模型，分析CA砂浆软化对行车安全以及轨道动力特性的影响（图2）；2．通过轨道．路基非线性有限差分耦合模型，分析CA砂浆软化对轨道层间破坏的影响（图3）。结论：通过车辆运行安全性分析、轨道位移限值分析以及轨道层问失效分析，得出以下结论：1．CA砂浆软化系数达到10～100时，轨道层间剪切失效开始快速发展；2．CA砂浆软化系数不能超过1000，当CA砂浆软化系数超过该值时，高速列车将面临脱轨危险。

Formation process,key influencing factors,and countermeasures of high-order polygonal wear of locomotive wheels

Two types of high power alternating current(AC) locomotive in China are prone to serious high-order polygonal wear, which has significant negative effects on the operation of locomotives. This study investigates factors influencing polygonal wear in locomotive wheels and determines methods of minimizing operation damage. We designed experiments to analyze the process of polygonization formation of wheels to identify the key influencing factors, finding that natural vibration of wheelsets is the central inherent factor of wheel polygonization and that these vibrations can be easily stimulated by wheel or rail irregularities. We found that poor re-profiling quality is the key external factor in these irregularities. The wheelset bending resonance is activated when the remaining wheel polygonal wear has a wavelength of 200 mm in the 1/3 octave band, in turn leading to significant increases of wheel polygonal wear. In this study, we review a new wheelset design that can mitigate and/or eliminate the polygonal wheel wear due to increased stiffness in wheel bending. We evaluate the potential capacity of the newly designed wheelset and propose two proven effective measures to further improve the wheel re-profiling quality for polygonal wear.