风载作用下高速列车曲线通过性能研究

在风载和曲线欠超高叠加的不利工况下,高速列车的运行安全性表现出复杂的变化规律,因此需要针对风载作用下高速列车的曲线通过安全性进行深入研究。采用空气动力学和车辆动力学相结合的分析方法,考虑车速和风速变化、实际轮轨匹配及线路激励情况,建立瞬态风载模型、横风作用下高速列车空气动力学模型及车辆动力学模型;对高速列车在不同车速和风速作用下的气动载荷变化规律进行分析,并对其以不同速度通过不同欠超高曲线线路时的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等车辆关键动力学参数的变化规律进行分析,研究风载和曲线欠超高对高速列车脱轨和倾覆的影响。结果表明:风速变化引起的侧向力系数变化幅度大于车速;在风载和曲线欠超高叠加的不利工况下,除轮重减载率安全裕量明显降低外,轮轴横向力的安全裕量也降低,且车辆关键悬挂部件工作状态恶化,其中二系横向止档的位移迅速增大且工作状态接近压并,左右两侧空气弹簧压力差也迅速增大,车辆动力学性能的安全裕量明显下降。

基于Simpack转向架的适配性改进及仿真试验分析

转向架可有效解决传统矿山铁路运输时需卸车—装车—再发车而导致的运输效率低和货损率大的问题,为进一步提升转向架的适配性,需要结合实际运输条件对其进行改进。以E22型转向架为研究对象,基于Simpack软件构建了改进后转向架的模型,并根据相关规范设定了判定标准,重点对转向架在不同工况条件下的轮重减载率、脱轨系数以及轮轴横向力进行仿真分析;结合实践工况对不同工况条件下的脱轨系数和轮重减载率进行试验分析。上述两项结论均满足相关标准要求,可在实际中推广应用。

扣件失效对车-轨-路-地耦合系统垂向振动特性影响研究

通过有限元软件Abaqus和多体动力学软件UM联立仿真,从刚柔耦合的角度建立了车辆-轨道-路基-地基耦合振动分析模型,对比分析了正常工况、单侧扣件失效1个、3个、5个和两侧扣件失效1~5对等工况对整个系统动力响应的影响规律。研究结果表明:单侧扣件失效5个时,对钢轨垂向位移和垂向加速度影响较大,对车体垂向加速度影响较小;两侧扣件失效工况下,2.5~5对扣件失效时钢轨垂向位移超过标准规定的最大允许值2mm;轨道板和基床表层垂向振动加速度变化趋势几乎一致,与正常工况相比皆增加了约4倍,轨道板和基床表层垂向位移较正常工况变化量不大;出现非对称扣件失效时脱轨系数和轮重减载率发生突变,此时车辆脱轨风险较高。

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响,以某四塔公铁两用斜拉桥为背景,进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载,并通过桥梁和列车节段模型风洞试验,测得计算所需气动力系数;在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型,研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明:突风效应会导致列车横向位移达到最大值,遮风效应会使列车横向加速度达到最大值;随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加,列车动力响应随之增加;风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数,并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大;仅在风速不大于10 m/s时,列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。

抗菱刚度对平车性能的影响研究

以出口的某型平车作为分析对象,基于Simpack动力学软件建立动力学模型,在不同的抗菱刚度下,分别对空车和重车的新轮和磨耗轮4种工况进行仿真计算,分析其对平车的动力学性能的影响规律。研究结果表明:抗菱刚度对空车新轮的蛇行运动临界速度影响较小,其他3种工况的蛇行运动临界速度总体上呈现出阶梯状的增长,其中对重车新轮的蛇行运动临界速度影响最大。当抗菱刚度低于1.5 MN·m/rad时,磨耗轮的平稳性较差,尤其是空车磨耗轮的横向平稳性。抗菱刚度对轮重减载率指标和脱轨系数指标的影响很小,抗菱刚度对轮轴横向力指标有很大的影响。

考虑冲角影响的改进脱轨准则

根据轮对的准静态平衡方程确定车轮脱轨的临界条件。定义横向蠕滑力与法向力之比为等效摩擦系数,研究冲角和摩擦系数对脱轨临界状态时等效摩擦系数的影响规律。结果表明:轮缘接触侧和踏面接触侧的等效摩擦系数均与冲角呈现明显的反曲函数特征。通过以Boltzmann反曲函数拟和等效摩擦系数与冲角及摩擦系数的关系,提出了考虑冲角、摩擦系数及轮缘角影响的改进脱轨系数判别公式和轮重减载率公式。改进的脱轨系数判别公式不失Nadal脱轨准则的简洁性,改进的轮重减载率公式能够考虑作用于轮对上的横向力和垂向力的影响。改进公式的准确度受轮缘角和摩擦系数的影响不大,对不同的轮轨踏面配合及不同摩擦系数均可提供满意的脱轨判别限值。

铁道车辆运行安全评判的轮对爬轨脱轨准则

为了掌握车辆爬轨脱轨机理及主要影响因素,分析了轮对的三维空间受力,推导了轮轨横向力和垂向力比值的一般表示式,假设车轮在达到最大轮缘接触角时为脱轨的临界状态,并认为这时轮轨间出现完全摩擦滑动,导出了不考虑轮对摇头角的临界脱轨判别的二维准则与考虑轮对摇头角和轮轨蠕滑率效应的三维脱轨判别准则,给出了轮轴脱轨系数的定义,采用轮轴脱轨系数和轮重减载率进行脱轨的判别。仿真计算结果表明:二维脱轨判别准则与三维准则相比偏于保守;摇头角越小甚至变负,越有利于防止脱轨,摇头角越大,三维准则的临界脱轨曲线越接近于二维准则的;减小轮轨摩擦系数与增大轮缘角均有利于防止脱轨的发生。

便梁施工时铁路轨道安全性试验研究

为了保证列车在铁路便梁施工时安全运行,需要对铁路轨道的安全性进行研究。首先要对列车进行3个阶段的测试,即限速阶段、试验车测试阶段、监测阶段,测试每个阶段中钢轨的内、外轨垂直力和横向力;然后计算出脱轨系数和轮重减载率,测试轨头位移,计算出轨距弹性挤开量。根据试验结果,对行车安全进行评估,同时全过程监控行车安全,为以后铁路便梁施工时提高列车限速、保证列车行车安全提供重要技术参数,具有重要意义。

铁路列车作用下轻型桥墩横向振动试验研究

提速线路轻型墩桥梁横向振幅过大严重影响过往列车的安全,通过对轻型墩铁路桥的现场振动测试,得到了桥墩的横向振动特性,给出了列车过桥时轮轨作用力的典型时程曲线和列车的脱轨系数及轮重减载率,为进一步研究轻型桥墩的横向振动机理提供了实测数据.

地震作用下轮轨动态响应分析及列车地震预警阈值

为研究地震作用下高速铁路运行安全和脱轨机理,利用6m×6m大型振动台,对车辆-轨道模型进行全尺寸振动台模型试验.根据振动台模型试验,建立与之相似的多自由度、多刚体车辆-轨道数值模型,将振动台模型试验结果与车辆-轨道数值模型的计算结果进行对比,发现对比结果基本接近,表明车辆-轨道数值模型具有一定的正确性.然后,根据脱轨系数等指标在列车正常运行状态和地震作用状态之间的安全储备,提出确定高速铁路地震预警阈值的新思路,基于上述车辆-轨道数值模型,通过输入6条典型的水平向地震波对车辆-轨道数值模型分别进行地震时程分析,将计算结果中的脱轨系数和轮重减载率与地震波加速度峰值之间的关系进行统计分析,最后给出不同脱轨系数限值和不同轮重减载率限值相对应的高速铁路地震预警阈值评价表,并建议中国高速铁路地震预警阈值设为40gal.

抗侧滚扭杆安装方式对城轨车辆曲线通过性能影响

采用动力学软件Simpack建立了某型地铁车辆的整车模型,通过比较抗侧滚扭杆的不同安装方式,主要分析了其对车辆进出缓和曲线时轮重减载率和脱轨系数的影响。得出结论:根据UIC505-5规范,在满足车体的抗侧滚性能指标下,抗测滚扭杆采用弹性安装方式,可以改善进出缓和曲线时轮重减载率和脱轨系数,提高车辆曲线通过的安全性指标。

强侧向风作用下的高速列车动力学性能研究

针对强侧向风下高速旅客列车运行安全性问题,利用SIMPACK软件建立了3车三维动力学仿真模型,根据已有的高速列车在侧向风下的空气动力学模拟计算得到的风载荷数据,分析了侧向风对列车在直道和曲线上动力学性能的影响。结果表明,列车的轮轨参数考察指标如轮轨横向力、脱轨系数及减载率等均显著增大,最大值均发生在头车。最后得出几种典型风速下直道和曲线上列车最高允许车速的参考值。

抗侧滚扭杆装置建模方式对车辆动力学性能的影响

详细推导了抗侧滚扭杆装置对车体的作用机理,采用一个集中点力元代替整套扭杆装置建模。仿真计算结果表明,误差在允许的范围内,简化建模完全可以取代完整建模,不会对车辆动力学计算的各项指标造成影响。

轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道行车安全性影响研究

为探究弹性支承块式无砟轨道在重载铁路中的适用性,以蒙华铁路隧道应用的弹性支承块式无砟轨道为例,开展重载列车作用下轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道轨道行车安全性影响研究,以期为大轴重下无砟轨道结构选型及设计提供参考意见。通过建立重载列车—弹性支承块式无砟轨道结构动力学精细化耦合模型,设置不同轨下竖向刚度与轨下横向刚度工况,分析重载列车轮轨竖向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数等行车安全性指标变化,并提出合理的轨下支承刚度取值范围。研究结果表明:轨下支承刚度变化主要影响车轮与钢轨间的接触状态,从而影响轮轨接触斑区域及该区域内局部应力状态。随着通行总重量增加,轨下竖向刚度会逐渐增加,因此轨下支承刚度应确保在较低范围内变化。对轨下支承刚度进行合理设置可以改善轮轨接触界面状态,还能够改善轮轨作用力分布,降低钢轨磨耗指数,增加重载铁路钢轨使用寿命。根据列车运行安全性指标变化情况考虑,轨下竖向支承刚度取120~160 kN/mm较为适宜,轨下横向支承刚度取160~200 kN/mm较为适宜,以保证重载铁路钢轨的合理使用寿命及降低换轨周期。

高速铁路桥上列车脱轨研究

本文用桥梁结构动力学和车辆动力学的研究方法 ,从轮轨力、脱轨系数和轮重减载率着手 ,对列车过桥脱轨原因进行了研究。并以秦沈客运专线的桥梁为例进行了计算。

地震作用下高速铁路列车走行性三项指标分析

研究目的:为了研究地震作用下列车运行的安全性,利用多体动力学原理建立动力平衡方程,将地震激励与轨道不平顺激励视为车辆的外荷载,采用MATLAB编程分别计算不同地震作用下地震峰值加速度一定时,列车走行性三项指标(轮重减载率、脱轨系数、横向力)随车速的变化规律,车速一定时地震峰值加速度对三项指标的影响,并比较不同地震动对各项指标的影响程度。研究结论:(1)将地震动调幅至0. 1g,不同地震动作用下轮重减载率在车速大于250 km/h均超过规定限值;(2)控制车速为100 km/h,在CHY004波作用下地震峰值加速度的增大均使得三项指标突增;(3)不同地震动作用对三项指标的影响有较大差异,车速为300 km/h时,横向力在调幅0. 2g的CHY004波作用下是TAFT波的4. 89倍;(4)本研究成果可为地震作用下的高速列车走行安全提供一定参考。

铁路矩形墩桥梁横向振动试验研究

通过对京通线银镇沟桥的现场振动测试 ,得到该桥的横向振动特性 ,给出桥上列车轮轨作用力的典型时程曲线和列车的脱轨系数及轮重减载率 ,为进一步研究矩形桥墩的横向振动提供实测数据。

线路不平顺对货车车辆直线脱轨的影响

根据货车车辆的实际结构,利用NUCARS动力学分析软件,建立了车辆模型,计算分析了车辆的临界速度,并重点分析了线路几种主要不平顺对车辆脱轨的影响趋势。

基于动态Nadal限度的重车重心限制高度

本文基于蠕滑力饱和达到库伦摩擦力的理论,推导考虑了冲角、轮轨蠕滑等因素的动态Nadal限度。以此限度作为车辆运行安全评判标准,研究我国铁路通用货车重车重心合理限制高度。SIMPACK仿真结果表明,在此限度下的重车重心高可达2 400mm,比现行的重车重心限制高度增加400mm。本方法在一定程度上减小了误判率,可为我国铁路通用货车重车重心高的确定及试验方法提供一定的参考。

小半径曲线地段车轮多边形对地铁安全性影响

车轮多边形是列车车轮常见病害之一,威胁列车运行安全。为提高地铁列车在小半径曲线地段的安全运行水平,研究小半径曲线地段车轮多边形对列车安全性的影响。首先,基于多体动力学仿真方法,建立车-轨多体动力学模型;然后,采用脱轨系数和轮重减载率作为评判指标,分析不同波深和阶数作用下列车运行的安全性,并提出各阶车轮多边形对应的波深安全线。结果表明:随着波深的增加,地铁列车安全性指标线性增加;随着阶数的增加,列车安全性指标先增大后减少;当车轮多边形阶数位于6时,车轮安全指标达到最大。