采用弹性车轮的独立轮对有轨电车曲线通过动力学性能研究

采用动力学仿真软件SIMPACK,利用离散刚度阻尼单元模拟弹性车轮的弹性变形特性,建立了三编组现代有轨电车列车动力学计算模型,对比分析了曲线半径R400 m线路条件下弹性车轮在时域和频域内的减振性能,讨论了50~400 m不同半径的曲线线路条件下不同轮对形式的弹性车轮对中间拖车曲线通过性能的影响。计算结果显示:弹性车轮能够减小20~40 Hz、50~70 Hz和180~300 Hz频率范围内的车体垂向振动以及20~550 Hz范围内的车体横向振动。从轮对横移量和轮重减载率看,曲线半径R200 m左右是弹性车轮传统轮对和弹性车轮独立轮对曲线导向能力的分界点;从轮轨横向蠕滑率、轮对摇头角、脱轨系数和轮轴横向力看,曲线半径R100 m左右是分界点。

机械弹性车轮的滚动模态特性研究

轮胎是农用车辆行走系的重要部件,直接影响车辆各种使用性能的发挥。针对传统农用车轮胎在使用过程中易扎伤、易磨损等问题,设计了一种新型机械弹性车轮。利用有限元方法结合LMS模态试验,研究了各种因素对机械弹性车轮模态参数的影响机理和规律,计算了滚动状态下机械弹性车轮的模态参数,获得了转速对车轮模态参数的影响规律,从而得到了滚动状态下机械弹性车轮的模态特性。研究结果表明,机械弹性车轮在滚动状态下的模态特性可为其与农业车辆的匹配提供一定的指导。

某型有轨电车弹性车轮迟缓试验研究

[目的]某型有轨电车在服役过程中出现弹性车轮迟缓线错位,对车辆的安全运维存在较大影响,故有必要开展相关研究。[方法]利用弹性车轮的质量检测、列车正线测试和仿真计算等方法开展试验研究,深入分析车轮迟缓线错位的原因。[结果及结论]弹性车轮的自身产品性能满足标准和服役要求,其稳定性和可靠性较高;列车在小曲线区段的振动水平高于直线区段,其中垂向振动加速度均方根值达2.77 g;且在曲线区段存在300.00~450.00 Hz的振动主频,与弹性车轮的固有模态频率340.37 Hz相匹配,导致车轮与钢轨在该区段的耦合共振。因此,建议该线路在运维中一方面加强轮轨的润滑作业,另一方面提高小曲线区段钢轨波磨的勘察频次,以实现轮轨摩擦因数的降低和车轮运维环境的提升。

弹性车轮橡胶块疲劳寿命分析及刚度设计

采用Mooney-Rivlin模型,建立了弹性车轮橡胶块非线性有限元本构模型,并仿真分析和计算了橡胶块运行过程中各工况下的应力和应变;研究了弹性车轮整体刚度与橡胶块使用寿命的关系。结果表明,为保证弹性车轮的使用安全性和经济性,弹性车轮径向刚度和轴向刚度设计范围应在100~200 MN/m和10~20 MN/m之间。

基于拓扑优化的机械弹性车轮轻量化分析

为了减轻机械弹性车轮的质量,利用有限元分析软件Abaqus对其进行了轻量化研究.考虑到车轮一直承受的弯矩载荷和径向载荷工况,建立机械弹性车轮的有限元模型,并对其进行有限元仿真分析,由仿真结果提取单元节点的受力数据,确定轮毂和铰链组的载荷大小.利用加权后的变密度法对机械弹性车轮的轮毂和铰链组进行拓扑优化,优化后重建三维模型.结果表明优化后的轮毂、铰链A和铰链B的质量分别减少了15.1%、27.9%和22.6%.

弹性车轮地铁车辆过曲线性能分析

为研究弹性车轮地铁车辆曲线通过性能的影响,建立刚柔耦合地铁车辆系统动力学模型。以实验测得橡胶径向和轴向刚度,求得弹性模量,通过有限元模态分析,在软件UM中建立考虑弹性车轮为柔性和考虑标准车轮为柔性的刚柔耦合地铁车辆模型。研究弹性车轮柔性对地铁车辆动态曲线通过的安全性及平稳性,对比分析不同工况下考虑弹性车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型和考虑标准车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型动态曲线通过时的动力学响应。通过对脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、车体横向振动加速度、车体垂向振动加速度、垂向平稳性、横向平稳性和轴箱横向振动加速度对比分析,得出结论如下:弹性车轮地铁车辆模型的脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、轴箱横向振动加速度、车体垂向振动加速度和垂向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的降低。弹性车轮地铁车辆模型的轮重减载率、车体横向振动加速度和横向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的微幅上升。

考虑橡胶非线性的弹性车轮刚度计算方法及参数优化

弹性车轮刚度是车轮设计中的关键参数,其刚度大小直接影响车辆的运行安全性。为了解弹性车轮刚度特性,基于橡胶材料的Mooney-Rivlin模型,考虑橡胶元件的超弹性以及橡胶与金属元件的接触属性,建立了压剪复合型弹性车轮有限元模型,探究压装对弹性车轮刚度计算的影响,并通过改变V字型橡胶元件的结构参数和摩擦系数,研究弹性车轮刚度的变化规律,仿真结果显示:在对弹性车轮刚度进行仿真计算时,不可省略车轮的压装过程,否则会使刚度仿真数值严重失真;橡胶元件的结构参数和摩擦系数会对弹性车轮刚度产生较大影响,其中径向刚度对参数的变化更为敏感,橡胶厚度增加,车轮的径向和轴向刚度随之降低;橡胶角度增加,车轮的径向刚度增加,轴向刚度减小;摩擦系数增加,车轮的径向和轴向刚度均随之增加。

轨道交通弹性车轮轮箍承载特性研究

针对轮箍在运用过程中的疲劳失效问题,结合弹性车轮结构特点和承载原理,对轮箍的承载特性及相关影响因素进行系统研究,以提高轮箍的承载强度和弹性车轮运用安全性。为了精确分析弹性车轮轮箍在弹性支撑下的应力特性,基于有限元理论,建立了考虑橡胶块弹性离散支撑的轮箍承载特性参数化计算模型,对不同车轮刚度、轮箍厚度和车轮直径等结构参数下的轮箍应力状态分布、动态变形量、应力幅值等进行了研究。研究结果表明,在车轮运行过程中,轮箍内表面和外表面应力分布均呈“W”形变化趋势,其中内表面以拉应力为主,外表面以压应力为主;随着轮箍厚度、车轮刚度的增大,轮箍承载性能和安全性得到改善;但随着车轮直径的增大,轮箍的承载强度呈降低趋势,因此对于直径较大的弹性车轮应当适当增大车轮刚度及轮箍厚度,以确保轮箍的安全性能。文章的研究方法和结果为弹性车轮结构及性能优化提供了可靠的设计依据,为提高弹性车轮的运用安全可靠性提供了极强的指导作用和参考价值。

钢轨波磨不平顺对弹性车轮车辆动力学的影响分析

为了研究地铁弹性车轮车辆通过钢轨波磨不平顺处的动力学行为,建立了弹性车轮车辆和轨道模型。基于多刚体动力学理论建立车辆系统模型,在传统刚性车轮车辆-轨道耦合模型的基础上,将弹性车轮简化为轮辋与轮芯双质量块,轮箍与轮芯的橡胶层用弹簧-阻尼进行建模。推导了矩阵形式的车辆-轨道运动方程,分别调查了刚性车轮及弹性车轮经过钢轨波磨处动力学行为。结果表明:短波长波磨比长波长波磨对车辆运行的平稳性影响更大,在特定条件下,轮轨力比长波长波磨增大了约75.8%;在钢轨波磨波长为0.04~0.05 m时轮轨力会有极大值;钢轨波磨波深与轮轨力呈自相关;弹性车轮相较普通刚性车轮有更好的动力学性能。

考虑踏面制动热应力的不同磨耗弹性车轮强度校核

针对地铁用弹性车轮,研究踏面制动热对弹性车轮强度的影响。建立地铁弹性车轮实体有限元模型,进行连续3次紧急制动,对弹性车轮的静强度和疲劳强度进行校核,分析不同磨耗程度下车轮踏面制动热应力对车轮应力的影响及变化特征。结果表明:弹性车轮制动热应力对轮辋影响明显,相比仅考虑力学应力,考虑热应力和力学应力的新轮轮辋最大von Mises应力在直线、曲线和道岔载荷工况下分别增大了98.9%、48.3%、70.9%,相比仅考虑力学应力,考虑热应力和力学应力的磨耗到极限车轮最大von Mises应力在直线、曲线和道岔载荷工况下分别增大了48.2%、13.7%、36.9%;磨耗到极限车轮应力值较大但热应力影响比例较小,均满足静强度要求;轮芯和安装环部分温度上升较小,均不到0.1℃,应力变化很小。采用Goodman曲线对轮辋进行疲劳评价,得到考虑热应力前后最小安全系数分别为2.7和2.5,均满足疲劳校核要求;受到踏面制动热应力影响,轮辋部分最危险点位置与仅考虑力学应力时不同,最危险点位置从轮辋内侧转移到了轮辋最外侧。

压剪复合型弹性车轮对市域桥梁结构噪声的影响

弹性车轮在地铁及城市轨道交通上的可应用性正在进行深入研究。我国市域线路也包括不少高架线路,因此有必要研究弹性车轮对高架桥梁结构噪声的影响。利用有限元-边界元法建立频域轮轨相互作用模型及桥梁振动声辐射模型,并利用文献测试结果对仿真模型进行验证。在此基础上,分析弹性车轮橡胶参数对桥梁结构噪声的影响,得到以下结论:弹性车轮橡胶弹性模量的变化对桥梁结构噪声辐射总声压级影响较大,当橡胶弹性模量取10 MPa时,桥梁结构噪声辐射总声压级较刚性车轮可降低4.56 dB,但随着橡胶弹性模量的增加,弹性车轮解耦频率也增加,桥梁结构噪声逐渐增大,并逐渐趋于刚性车轮情况下的桥梁噪声;弹性车轮橡胶结构阻尼比的变化对箱梁结构降噪量影响不明显,当橡胶阻尼比由0.1增至0.4时,桥梁结构噪声辐射总声压级只降低1.04 dB;弹性车轮橡胶泊松比的改变对桥梁结构噪声总声压级影响很小。研究成果对弹性车轮在城市轨道交通的推广应用提供一定的参考。

弹性车轮

由西安工业大学田建辉团队自主设计、研发的弹性车轮项目,通过现有测量技术采集实验数据,基于赫兹接触理论和有限元方法,研究轨道交通领域的振动噪声、钢轨的波磨效应、车轮不圆顺化等问题,探究车轮多边形效应的形成机理,并提出相应的解决方案。其主要内容有:①设计新型含有弹性车轮系统的高铁整车动态耦合参数化模型,模拟轨道交通建设中遇到的振动噪声、车轮不圆顺化和多边形效应等实际问题;②以新型参数化模型为基础,采集实验数据,设计轮轨动态滚动模型,研究滚动过程中的特征参数变化,对轨道交通建设中的振动噪声问题,提出新的解决方案;③建立整体耦合与弹性车轮多边形效应的数学计算模型,选择最新数学理论方法对多边形效应机理进行研究,提出抑制多边形效应的相关措施。项目具有较好的市场前景,符合轨道交通减振降噪的发展方向,结构创新、市场上相似的结构较少,竞争力强。随着交通行业的发展,弹性车轮装备的应用为为新的业务增长点,并逐渐向相关行业进行扩展。

踏面制动弹性车轮应力分析及影响因素研究

弹性车轮具有良好的减振降噪性能,广泛应用于我国城市有轨电车系统,目前正将其推广应用到地铁车辆上。针对踏面制动地铁弹性车轮温度及应力问题,建立弹性车轮机械-热耦合有限元模型,计算弹性车轮的橡胶层温度以及轮辋内表面应力,并与试验室制动热测试数据进行对比。通过仿真对比了仅考虑机械载荷与考虑机械-热耦合的弹性车轮应力分布,发现制动热应力对轮辋应力影响较大。通过正交设计方法,研究了轮辋厚度、橡胶层角度、橡胶层弹性模量在不同线路情况下对弹性车轮橡胶层的最高温度以及轮辋内表面应力的影响。结果表明:提高轮辋的厚度可以降低橡胶温度和机械-热耦合应力;当轮辋厚度小于55 mm时机械应力占主导,当轮辋厚度大于60 mm时温度应力占主导;但橡胶层弹性模量的影响则不是单调的,在给定轮辋厚度和橡胶层角度的情况下,存在一个最佳值。

弹性车轮

由西安工业大学田建辉团队自主设计、研发的弹性车轮项目,通过现有测量技术采集实验数据,基于赫兹接触理论和有限元方法,研究轨道交通领域的振动噪声、钢轨的波磨效应、车轮不圆顺化等问题,探究车轮多边形效应的形成机理,并提出相应的解决方案。其主要内容有:①设计新型含有弹性车轮系统的高铁整车动态耦合参数化模型,模拟轨道交通建设中遇到的振动噪声、车轮不圆顺化和多边形效应等实际问题;②以新型参数化模型为基础,采集实验数据,设计轮轨动态滚动模型,研究滚动过程中的特征参数变化,对轨道交通建设中的振动噪声问题,提出新的解决方案;③建立整体耦合与弹性车轮多边形效应的数学计算模型,选择最新数学理论方法对多边形效应机理进行研究,提出抑制多边形效应的相关措施。

弹性车轮踏面裂纹产生机理研究及解决措施探讨

有轨电车运行条件复杂、恶劣,运用过程中偶尔出现车轮踏面裂纹问题,给行车安全带来隐患。文章通过分析弹性车轮踏面裂纹形貌、显微组织、力学性能、化学成分等内容,探讨了踏面裂纹产生机理,提出造成踏面裂纹的直接因素为车轮在运用过程中出现滑行,轮轨接触表面产生高温,易导致车轮踏面表层出现脆硬的马氏体白层,并伴有微裂纹,在轮轨力反复作用下,微裂纹扩展形成宏观疲劳裂纹。针对此原因,梳理了车辆控制逻辑并分析了车载监控数据,确定了车辆运行中频繁使用紧急制动且撒砂系统动作延时设置不合理是导致车轮滑行的根本原因,制定了撒砂系统动作不延时、车辆运用过程中非必要不采取紧急制动进行减速或停车等措施。经运用验证,上述措施可有效解决此类车轮踏面裂纹的产生。

弹性车轮减振降噪特性分析

弹性车轮广泛应用于城市有轨电车,能有效降低轮轨噪声。弹性车轮的基本结构是在车轮轮箍和轮心之间嵌装弹性橡胶件。本文基于TWINS滚动噪声模型,利用有限元-边界元法,建立弹性车轮滚动噪声预测模型,通过仿真预测弹性车轮应用于地铁时的噪声辐射水平,并分析弹性车轮橡胶参数对振动声辐射的影响。计算结果表明:在本文选取参数范围内,激励相同时,橡胶的阻尼损耗因子取0.5、弹性模量取2 300MPa时弹性车轮振动最小,与标准地铁车轮相比降低6dB(A)。

机械弹性车轮提高轮胎耐磨性和抓地性分析

为提高轮胎接地性能,对新型机械弹性车轮垂直静态接地特性进行了研究。通过对车轮结构和承载方式进行分析,分别建立了基于Timoshenko圆形梁的车轮外圈弹性圆环模型和基于连续辐板的铰链组模型,并通过非线性有限元法和试验进行了验证。根据所建立的非线性有限元模型对机械弹性车轮和子午线充气轮胎的接地特性进行了对比研究,结果表明机械弹性车轮通过悬毂式承载控制车轮外圈变形,没有胎肩处的应力集中。在载荷为5 000 N时,机械弹性车轮和充气轮胎接地印迹中心0.14 m×0.265 m矩形区域内的接地压力偏度值分别为0.424和0.536 MPa。机械弹性车轮有效降低了接地压力偏度值,改善了轮胎接地的均匀性,提高了车轮耐磨损性能和抓地性能,研究为车轮性能优化提供了参考。

非充气机械弹性车轮接地特性试验研究

本文中采用压敏膜法对机械弹性车轮的静态接地特性进行试验研究。通过静态接地特性试验,研究了充气安全轮胎、0轮和机械弹性车轮在不同载荷下的接地压力分布规律,根据提取的接地压力分布几何与力学特征参数,对比分析了充气安全轮胎和机械弹性车轮的接地特性。结果表明,机械弹性车轮能有效缓解充气轮胎在大负荷时胎肩的应力集中问题,在一定负荷范围内提高了轮胎的磨损和抓地性能。

新型机械弹性车轮的建模与通过性研究

为了提高轮胎的防刺破、防爆胎和安全防弹性能,提出一种用于某型轮式特种车辆的新型机械弹性车轮。通过分析车轮的系统构成,建立了弹性力学模型与有限元模型,并分别进行求解计算,计算结果显示两种模型的变形吻合,表明有限元模型能很好地反映车轮的变形情况。利用该有限元模型计算得出车轮的滚动半径,之后进行了通过性分析,详细阐述了挂钩牵引力各个分力的影响因素,为以后车轮的设计改进提供了理论支持。与普通充气轮胎的对比表明,机械弹性车轮更具通过性方面的优势。

非充气机械弹性车轮静态径向刚度特性研究

为了研究机械弹性车轮的径向刚度特性,建立了一种基于Timoshenko曲梁的车轮模型,并利用有限元方法和样机试验进行了验证。通过对机械弹性车轮的悬毂式承载和刚度特性进行分析,揭示了车轮径向刚度主要取决于0轮和铰链组的结构和力学特性。基于车轮的非线性有限元模型,对影响车轮径向刚度的0轮刚度、铰链组材料和结构尺寸进行了参数化分析,结果表明:随着铰链组个数、横截面积和杨氏模量的增加,车轮径向刚度呈非线性增加;在车轮刚度较小且其他设计变量不变时,0轮刚度的变化量近似等于车轮径向刚度的变化量。