基于轮轨型面匹配的高速动车组横向稳定性研究

文中介绍了我国高速动车组轮轨型面匹配现状,不同轮轨型面匹配下的等效锥度不同,是影响车辆横向稳定性的关键因素;结合实际案例分别对低等效锥度和高等效锥度2种工况下引起的2类横向稳定性问题进行了分析,总结了轮轨型面匹配存在的问题,等效锥度过高或过低都会引起车辆横向异常振动。基于实际运用经验,以抗蛇行减振器参数为例,从转向架设计角度提出悬挂参数与轮轨型面匹配的设计建议。

不同钢轨廓形下高速铁路轮轨型面匹配

为了分析不同钢轨廓形对我国高速铁路轮轨型面匹配的影响,针对高速铁路线路上使用的CHN60、60N和60D钢轨廓形,基于经典迹线法、三维非赫兹滚动接触理论及车辆-轨道耦合动力学,分别研究了不同钢轨廓形与高速车轮LMA型面匹配时的轮轨接触特性和车辆动力学性能.研究结果表明:不同钢轨廓形下,轮轨接触几何关系有较明显的差异;在不同轮对横移量下,CHN60钢轨的轮轨接触应力比另外两种钢轨廓形小;当轮对横移量为6 mm时,CHN60钢轨对应的轮轨接触状态最优,其接触斑面积最大,且接触应力分布较为均匀;不同钢轨廓形对车辆的临界速度及曲线通过能力影响较大,60D钢轨与LMA型面匹配时车辆的临界速度约为763 km/h,为三者中最高,但CHN60钢轨与LMa型面匹配时车辆的曲线通过性能最好,相应的轮轨横向力最大值3.584 k N,轮对横移量最大值3.35 mm,是三者中最小.

某型涡轮叶片型面匹配优化设计

介绍了自主搭建的涡轮三维优化设计平台,基于该设计平台,将型面匹配设计理论用于指导某高压涡轮优化。优化实例结果显示:某高压涡轮导叶等熵效率从93.88%提高到94.94%,局部区域流动情况得到较大改善,型面匹配更加合理。这表明所提出的设计平台和设计思想是可行的,具有工程应用价值。

高速铁路车轮与钢轨型面匹配分析

根据我国高速铁路多种钢轨型面在线路中的使用情况,建立车辆动力学模型,研究不同磨耗阶段S1002CN车轮与3种钢轨型面(CHN60轨、60D轨和60N轨)的动力学匹配问题,分析轮轨接触几何关系、运行平稳性、振动幅频特性和磨耗数等动力学评价指标。结果表明:当60D轨和60N轨与标准S1002CN车轮匹配、车轮横移量在±12 mm时,接触点位置仍在轨顶附近,比CHN60轨对中性好;当60D轨和60N轨与不同磨耗阶段S1002CN车轮匹配时,横向、垂向振动主频率均低于CHN60轨匹配情况,平稳性相对较优;60N轨与不同磨耗阶段车轮匹配最大磨耗数和总磨耗数均低于其他2种钢轨,更适应各磨耗阶段S1002CN车轮,具有良好的匹配性和经济性。

不同牵引工况高速铁路轮轨型面匹配研究

为了系统分析新型钢轨廓形与动车组车轮型面匹配情况,将LMA、S1002CN、XP55车轮型面分别与60D、60N钢轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮对-钢轨三维弹塑性接触有限元模型,分析不同牵引工况下轮轨之间的Mises应力、接触状态和纵向接触切应力。得出结果:当动车组车轮型面与2种钢轨型面在对中位置匹配时,60N钢轨的Mises应力更小且更趋近钢轨轨顶中心;施加牵引力后,车轮中最大Mises应力中心点对于钢轨发生纵向偏移,且偏移量随牵引力的降低而减小,但轮轨间的最大Mises应力值几乎不随牵引力而变化;60N钢轨的接触斑面积较大,粘着区相对较大;当列车启动并开始运行后,60N钢轨的最大纵向接触切应力小于60D钢轨的应力值。综上所述,60N钢轨型面可以改善轮轨接触时的相互作用,延长钢轨的使用寿命。

钢轨打磨处理对轮轨型面匹配及轨道振动响应特征影响

为研究不同钢轨打磨处理和轮轨型面匹配对轨道结构振动特性影响,以国内某型号动车组和CRTSⅢ无砟轨道板为对象,基于车辆-无砟轨道-路基耦合系统动力学,借助于Ansys和UM软件建立动力学模型,分析不同速度下轮轨型面匹配对轨道板振动特性的影响。结果表明:轮轨型面磨耗会对接触特性产生显著影响,从单点接触变为多点接触,等效锥度和接触角增大,同时对轨道板结构的振动特性产生不同程度的影响。通过对钢轨进行打磨,可有效改善轮轨接触特性,轨道板的振动位移与加速度峰值下降,为打磨目标型面的后续改进提供指导。

轮轨型面匹配对钢轨亚表面抗疲劳裂纹扩展影响

以标准轮轨型面LMA-60N为对象,分别建立直线运行工况和曲线运行工况下新轮新轨、新轮磨耗轨和磨耗轮磨耗轨匹配关系的6组仿真模型,计算得到钢轨相应的等效应力分布。在焊接钢轨亚表面危险部位引入裂纹并基于Paris理论进行疲劳裂纹扩展寿命分析,以评估轮轨磨耗状态下其型面匹配对钢轨亚表面抗疲劳裂纹扩展能力的影响。研究结果表明:轮轨磨耗对钢轨表面损伤的影响比亚表面的大,且钢轨亚表面2~3 mm深处的裂纹扩展是剪切应力引起的Ⅱ型、Ⅲ型共面剪切型扩展,其深度范围等效应力也最大;直线运行工况更适合新轮新轨型面匹配运行,该型面匹配下钢轨亚表面裂纹扩展速率最慢,扩展寿命最长;曲线运行工况下更适合磨耗轨型面,曲线段磨耗轮与磨耗轨匹配时,钢轨亚裂纹扩展速率最小,扩展寿命最长。

动车运用所内小半径曲线段轮轨型面匹配特性

动车运用所内小半径曲线较多,主要铺设50 kg/m钢轨。本文在分析轮轨型面匹配特性的基础上,提出钢轨廓形的优化目标,进而建立动车组-轨道动力学模型,对比分析实测廓形与优化廓形对小半径曲线段动车组通过性能的影响。结果表明:动车组通过小半径曲线段时的主要问题是接触区域过度集中、轮径差不足,增加轮轨接触面积和轮径差是钢轨廓形优化的主要任务;通过优化上股钢轨廓形增加接触面积,主要优化距轨顶中心10~35 mm的区域;通过优化下股钢轨廓形增加轮径差,主要优化距轨顶中心-5~30 mm的区域;与实测廓形相比,优化廓形可使接触面积增加29%,轮对冲角减小10%,轮轨横向力减小10%,轮缘磨耗指数减小13.4%,脱轨系数也有所改善,优化廓形可明显提高动车组曲线段通过性能。

高速铁路轮轨型面匹配理论分析与试验研究

根据实测轮轨型面数据建立高速铁路轮轨三维弹塑性接触有限元模型,计算分析不同轮轨型面匹配的接触斑状态、轮轨接触应力以及轮对横移量、荷载工况对轮轨接触应力的影响。采用现场切割的标准60 kg/m钢轨、60N轨及磨耗车轮试件,在轮轨接触试验台上试验研究不同轮轨型面的匹配性能。结果表明:不同轮对横移量下,与标准60 kg/m钢轨相比,60N轨与车轮匹配的接触斑面积更大,与标准车轮对中匹配的接触斑更接近椭圆形,且最大Mises应力更小,最大应力点更接近轨面;施加不同的牵引力,磨耗车轮与钢轨匹配的最大Mises应力明显大于标准车轮,与标准60 kg/m钢轨匹配时应力增幅远大于60N轨;试验与仿真计算结果基本吻合;60N轨与车轮总体匹配效果良好。

地铁车辆轮轨型面匹配及其对接触应力的影响

为了改善地铁车轮出现的异常磨耗问题,对上海地铁3号线车辆车轮踏面DIN5573出现的磨耗进行测试,获得2种磨耗车轮踏面。在SIMPACK软件中建立了地铁车辆动力学仿真模型,计算得到未磨耗、凹形磨耗、沟槽状磨耗3种车轮踏面与TB60,60N钢轨型面匹配时轮对横移量,将其输入到用ABAQUS软件建立的轮轨三维弹塑性有限元模型,分析不同轮轨型面匹配对接触应力的影响。结果表明:3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨接触点均匀分布在轨顶和车轮踏面中部,等效锥度基本稳定;在半径350 m的曲线上,与TB60钢轨型面匹配相比,3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨最大接触应力最多减小384.9 MPa,钢轨、车轮最大Mises应力最大减幅分别为40%,35%。城市轨道交通小半径曲线地段较多,采用60N钢轨型面可以明显降低曲线外股的接触应力,减少轮缘磨耗和钢轨侧磨,从而降低钢轨疲劳伤损。

踏面匹配与初始裂纹形态交互作用下车轮多轴疲劳裂纹扩展特性

地铁车辆车轮裂纹常萌生于车轮踏面及亚表面,亚表面裂纹是影响车轮寿命的关键因素之一。借助有限元仿真方法,在轮轨接触三维模型亚表面处插入初始裂纹,研究了不同轮轨匹配形式、不同初始裂纹形态对亚表面疲劳裂纹扩展特性的影响。结果显示,车轮亚表面3 mm处接触应力数值最大,在锥形、LM型、LMA型三种踏面类型中,采用LM型踏面时车轮亚表面等效应力最大,最容易发生疲劳破坏;裂纹扩展均呈现出多轴疲劳裂纹扩展特性,锥形踏面工况下裂纹的扩展速率高于其余两种踏面类型下的裂纹扩展速率;不同初始裂纹角度中,45°初始裂纹角度是最危险的角度;初始裂纹深度对裂纹的扩展路径基本无影响。本研究结果对车轮亚表面埋藏裂纹缺陷评判及剩余寿命预测有一定的工程及理论指导意义。

轨道几何状态对高铁钢轨型面磨耗区段轮轨匹配特性的影响

为分析某运营速度250 km/h高速铁路直线区段的钢轨磨耗情况及其与轨道几何不平顺共同作用下对轮轨匹配特性的影响,建立车轨系统动力学模型,结合非Hertz轮轨滚动接触理论,对比了实测磨耗轮轨型面匹配时,轮轨静态接触的接触点分布、等效锥度以及动态轮对横移量、接触斑面积和最大接触应力的分布特征及其与CHN60&LMA型面匹配时的差异,进一步研究轨道几何状态对钢轨磨耗区段轮轨接触特性的影响。研究结果表明:磨耗钢轨型面左右股光带宽度和垂磨量均存在差异,左右股钢轨型面对称性差;钢轨磨耗导致轮轨接触点分布较为分散,在轮对横移量较小时,等效锥度较大,在轮对横移量较大时,等效锥度较小;轨道几何不平顺作用下磨耗钢轨型面左股钢轨接触斑面积大于右股钢轨,左股钢轨最大接触应力小于右股钢轨,仿真计算结果与现场测试情况一致;与采用CHN60型面相比,采用磨耗钢轨型面轮对的对中能力较差,左右股钢轨接触斑面积减小量的95%分位数约为90 mm^(2),最大接触应力增加量的95%分位数约为800 MPa和900 MPa,轮轨接触状态不良;应及时开展直线段左右股钢轨光带差异较大、钢轨廓形对称性较差区段钢轨打磨工作,以改善钢轨服役状态,保障轮轨良好匹配。

朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究

为解决朔黄铁路小半径曲线轨道的钢轨严重侧磨问题,通过分析朔黄铁路轮轨型面的磨耗特点、接触特征,研究和设计适用于朔黄铁路小半径曲线轨道新钢轨预防性打磨的钢轨打磨目标型面。研究结果表明,新轮的标准LM踏面与75kg·m-1钢轨的标准型面接触时发生两点接触的几率较大,且经过一定运量后车轮踏面磨耗存在明显的不对称性;小半径曲线轨道外侧钢轨在不同时期的侧磨外形接近,与车轮接触时,形成明显的两点接触;设计的钢轨打磨目标型面与新轮、磨耗轮接触时,可明显增加轮轨接触面积,减小轮轨接触应力,显著改善车辆的曲线通过性能;钢轨打磨目标型面表现出良好的动力学特性,延缓钢轨接触疲劳,有利于延长钢轨的使用寿命。

高速列车车轮型面磨耗对轨道、桥梁振动特性影响分析

以国产某型号动车组、CRTSⅢ无砟轨道和32m标准箱型简支梁为对象,基于列车-轨道-桥梁耦合动力学和固定界面模态综合法理论,利用多体动力学软件UM与ANSYS、HYPERMESH联合仿真的方法,建立三维车线桥耦合动力学精细模型,采用轮轨非椭圆多点接触算法。在数值算例中,以列车通过3跨简支梁桥为计算背景,分析不同里程、速度下的车轮型面对轨道、桥梁结构振动特性的影响;结果表明:车轮型面磨耗对轨道、桥梁结构的振动特性:横向受到的影响大于垂向。横向振动响应指标随着车轮型面磨耗增加,逐渐增大;同时会造成轨道、桥梁振动主频发生偏移,幅值异常,对结构的中高频阶影响更大。建议轨道、桥梁结构设计过程中,考虑轮轨型面发生变化后的影响,减小轮轨型面变化对轨道、桥梁结构造成的影响。

CHN60轨与59R2槽型轨对现代有轨电车轮轨匹配性能的影响分析

为研究CHN60钢轨型面、59R2钢轨型面与现代有轨电车不同磨耗车轮型面的匹配性能,对国内一现代有轨电车车轮型面进行现场测量,将运行不同里程后磨耗车轮型面分别与CHN60钢轨型面、59R2槽型轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮轨弹塑性接触有限元模型,对有轨电车轮轨接触的Mises应力、接触状态进行了研究。研究结果表明:新车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力相差不大;随着运行里程的增加,磨耗车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力先增加后减少;有轨电车磨耗车轮与59R2槽型轨匹配的接触斑面积大,最大等效应力小,且形状更接近于椭圆形,轮轨匹配性能较好。

高速铁路轮轨关系现场试验方案设计研究

针对我国高速铁路出现的轮轨匹配问题,以车-地联动,时-空统一,动、静结合为原则进行轮轨关系现场试验方案设计,根据我国高速铁路轮轨匹配特点,选取京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大6条高速铁路开展轮轨关系现场试验。自2016年以来,钢轨静态、车轮静态、车轮多边形、道岔动静态、轮轨耦合振动等测试项目相继开展,初步获取了轮轨状态变化与车辆异常振动的影响关系,积累了大量试验数据,为改善和优化现场轮轨关系问题提供了数据支撑,为进一步完善我国高速铁路轮轨关系技术体系奠定了强有力的基础。

苏州有轨电车轮轨动力学特性分析

介绍苏州有轨电车基本结构特征,建立有轨电车-轨道力学模型,在分析轮轨接触特征的基础上,仿真分析了有轨电车在直线、曲线区段运行时的动力学响应。结果表明:轮缘两侧间隙值分别为6 mm和11 mm,当横移量大于6 mm,接触点爬上轮缘;当横移量大于11 mm,轮缘背部接触。直线和曲线区段的动力学响应满足安全性要求,直线区段平稳性指标属良好等级,曲线区段平稳性指标属合格以上等级。轨下结构部件设计荷载取值时,垂向轮轨荷载不宜低于名义荷载2.0倍,横向轮轨荷载不宜低于40.25 kN,钢轨扣压部件的力学性能应与钢轨变形相适应。在分析轮轨接触特性的基础上,研究有轨电车在直线和曲线区段运行时的动力学性能,为深入系统性认识有轨电车轮轨相互特征提供参考。

动车运用所内9号道岔侧向通过性能研究

为改善动车运用所9号道岔侧向通过性能,分析50 kg/m钢轨9号道岔结构特点,根据钢轨表面光带特点分析轮轨接触特征,确定轮轨型面匹配的优化目标,设计道岔区曲基本轨廓形。基于多体动力学理论建立动车组-道岔动力学模型,计算动车组通过9号道岔时的动力学响应,分析钢轨廓形对道岔区侧向动力学性能的影响。结果表明,动车组通过9号道岔侧向时在大幅值转辙角作用下轮缘参与导向,轮对形成较大冲角冲击尖轨轨肩,产生较大轮轨横向力和轮缘磨耗指数。以预导向理念优化钢轨廓形,增加轮径差改变轮对运动轨迹,轮对预先向曲基本轨侧偏移,形成反向轮对横移,使轮缘接触尖轨的位置后移0.33 m,轮轨接触特征发生改变,轮轨横向力和轮缘磨耗指数分别降低9.3%、16%,安全性指标脱轨系数也有所改善,提高了道岔侧向通过性能。通过钢轨打磨实现优化廓形,钢轨表面实际光带分布符合实际预期,改善轮轨接触状态。