考虑轮对弹性的车轮振动及车轮多边形化对轮轨力影响研究

为研究直线电机地铁车辆轮对弹性对车轮振动、车轮多边形化及轮轨相互作用的影响,在对单轮对进行模态分析的基础上,建立完整的车辆系统刚柔耦合动力学模型,模型中将轮对视为弹性体,其余部件按刚体处理。研究表明:考虑轮对弹性之后,轮对的弯曲振动频率会与直线电机的沉浮与点头振动频率相耦合,从而加大轮对的振动幅度,因此考虑轮对弹性可以更加真实地反映车轮的振动与轮轨力的变化。车轮多边形化会引起较大的轮轨垂向力,并与车轮多边形化的波深、相位差、谐波阶数及车速有密切关系,而将轮对考虑为弹性体将会更加准确地反映出车轮多边形化对轮轨力的影响。在车辆实际运用过程中,如果已知车轮某阶多边形占主导,应尽量避开该阶多边形化车轮产生的激励与车轮垂向弯曲频率相耦合时的车辆运行速度。

CRH3型动车组车轮多边形化对轮轨接触力的影响

针对高速铁路频发的车轮多边形问题,探讨了多边形阶数、多边形波深以及行车速度对轮轨接触力的影响。基于多体动力学分析软件SIMPACK建立了CRH3型整车动力学模型,进而考虑实际服役条件,计算不同行车速度下车轮多边形化的轮轨接触力荷载谱,确定高速列车行车条件下轮轨接触力的临界范围。研究结果表明:相同行车速度下波深对轮轨垂向力和横向力的平均值影响均较小,但它们的幅值均随波深的增加而显著增加;相同波深下轮轨垂向力的平均值和幅值均随着行车速度的增加而增加;当多边形阶数高于10阶时,轮轨横向力最大值随着行车速度的增加而增加;然而,当多边形阶数低于10阶时,轮轨横向力最大值会随着行车速度的增加而降低;当波深和行车速度不变时,轮轨垂向力和横向力最大值和幅值均随阶数增加而增加,且在车轮多边形阶数超过10阶时迅速增加;高速列车以250 km/h和300 km/h行驶时,车轮0. 05 mm和0. 1 mm波深情况下对应的车轮多边形阶数限值分别为18阶、15阶和16阶、12阶。

车轮多边形化对高速列车齿轮箱体动态响应的影响

为了研究高速列车齿轮箱体在受多边形车轮激扰下的动态响应,建立了包含齿轮传动系统和齿轮箱体有限元模型的整车动力学模型。进行了线路实测试验和箱体模态分析。对齿轮箱体上裂纹易于萌生处进行了加速度和动应力分析。结果表明:20阶多边形车轮容易引起齿轮箱体的一阶共振,导致振动加速度和应力显著提高,故障工况下的加速度和应力相比正常工况增加了4.6倍和45倍;车轮多边形化对齿轮箱体的影响是局部的,其危险区域为油位观察孔附近和散热筋附近;齿轮箱体发生异常振动时易发生疲劳破坏,箱体的服役寿命随着多边形波深增大而显著降低,应该在运维决策中对破坏危险点进行重点关注。

基于FBG传感技术的高速列车车轮多边形化道旁在线监测

文章介绍了一种基于FBG传感技术的高速列车车轮多边形化道旁监测系统,该系统依据轮轨动态相互作用关系,提出了3种FBG应变计阵列的布置方式用于监测被检测列车经过时钢轨的动应变,包括轨腰FBG应变花、轨腰垂向FBG应变计阵列以及轨底纵向FBG阵列。该监测系统布置于一条高速列车试验线上,在列车经过监测断面时对采集的钢轨FBG应变数据进行频域特征提取,构造车轮多边形化指数,用以评价车轮多边形化的程度。为验证该系统对车轮多边形化识别与评价的有效性,采用一列装配有3组多边形车轮对测试动车组进行现场实验,并比较了3种FBG阵列对多边形车轮的识别能力。

高速铁路列车车轮多边形化对道岔区动力学性能的影响

为表征车轮多边形化对车辆通过道岔的动力学性能的影响,以高速动车组和客运专线12号道岔为研究对象,建立高速车辆-道岔耦合动力学模型。多边形车轮采用简谐波与实测多边形两种形式模拟,综合考虑多边形车轮经过道岔的状态、左右侧车轮分布方式、多边形阶数和幅值等影响因素,计算车轮多边形化车辆通过道岔的动力响应。结果表明,多边形车轮半径偏差变化率最大点经过心轨处的响应最大。随着多边形阶数增加,动力响应呈先增大后减小的趋势,15、16阶时响应达到最大;左右侧车轮多边形同相位分布比反相位分布的响应大。多边形幅值越大,轮轨垂向力和轮对垂向加速度越大,当幅值达到0.20 mm,轮轨垂向力超过安全限值,且幅值超过0.16 mm,响应会明显增强。多边形车轮对车辆通过道岔的平稳性影响较小。

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明:车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。

基于格林函数的轮轨缺陷对轮轨垂向动态相互作用的研究

在轮轨垂向耦合振动模型中,把钢轨考虑成离散支撑的连续的铁木辛科梁,用一系悬挂和二系悬挂把在钢轨上滚动的车轮、1/4构架质量块和1/8车体质量块连接起来作为简化的车辆模型。为了高效精确地研究不同车轮和钢轨缺陷对轮轨垂向动态相互作用的影响,对钢轨在移动载荷作用下的运动方程进行拉普拉斯变换,用格林函数法求解其在频域上的响应解,再通过反傅里叶变换求得钢轨在时域内的振动响应。考虑不同工况下车轮的扁疤、多边形化缺陷和钢轨的波磨缺陷,用非线性赫兹接触理论和数值迭代方法计算轮轨垂向冲击力。结果表明:应用格林函数法可以高效准确地求解轮轨垂向动态响应,为在高频范围内研究轮轨作用提供了理论基础。