提速和高速铁路曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配研究

铁路曲线轨道上轮轨系统相互作用问题随着列车速度的提高显得更加突出,因此对轮轨动力学性能的匹配提出了更高的要求.本文基于车辆—轨道耦合动力学理论,针对提速和高速铁路,开展曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配的研究.主要研究内容如下.

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型,分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明:车辆通过曲线区段时,轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著;轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力,致使脱轨系数增大,尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大;通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数,同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数,提高车辆横向运行安全性;内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定,且随曲线半径增大而减小。

高速行车条件下钢轨焊接接头区轮轨动态相互作用

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,对高速行车条件下钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动力相互作用进行了分析,明确了适用于400 km/h速度等级线路的钢轨焊接接头几何梯度与轮轨动态力的定量关系。将所提出的几何梯度法应用到某线路20例实测钢轨焊接接头几何不平顺的预测,并与数值模拟结果对比,验证方法的有效性。结果表明:列车以400 km/h通过平直度为0.2 mm的钢轨焊接接头时,其最大轮轨力约为静轮载的2.77倍,小于线路设计时常选用的3倍动态系数;几何梯度法能够考虑实测钢轨焊接接头几何不平顺,与数值模拟结果一致,可用于钢轨焊接接头几何不平顺的快速评估。

高速铁路不同结构类型曲线轨道的轮轨动态相互作用特征分析

为了研究高速铁路不同结构类型曲线轨道的轮轨动态相互作用特征,以期为动车组在线路上的适应性设计提供参考,通过动力学仿真的手段,针对我国高速铁路常见的的板式无砟轨道、双块式无砟轨道和有砟轨道等多种类型轨道结构,采用车辆-轨道耦合动力学模型,选取轨道随机不平顺和钢轨波浪形磨耗不平顺,计算了高速动车组通过曲线时的轮轨动态相互作用响应,分析了动车组在不同结构类型曲线轨道上运行的动态相互作用特征。结果表明,动车组在不同结构类型的曲线轨道上运行时,轮轨垂向动态相互作用指标随速度增大而增大,轮轨横向动态相互作用指标随速度增大呈先减小后增大的规律。随机不平顺作用下,动车组在不同结构类型曲线轨道上动力学性能很接近,其在无砟轨道上的运行性能略优于在有砟轨道上的运行性能;钢轨波浪形磨耗不平顺作用下,CRTSⅡ型无砟轨道上的轮轨动态相互作用最强,CRTSⅠ,CRTSⅢ和双块式无砟轨道次之,有砟轨道最弱。

基于轮轨动态测试的地铁列车运行平稳性异常问题分析

列车平稳性与车辆状态、线路状况、轨道结构及不平顺等因素相关。对某新建地铁线路试运行阶段开展了动态综合测试工作,发现列车在某些区段存在横向平稳性异常问题。通过轮轨动态测试及现场调查等方式对列车平稳性问题进行分析,确定轨向异常是导致列车平稳性异常的原因,并对轨向进行针对性精调及整治。结果表明,列车运行平稳性复测结果满足标准要求。同时阐述了列车平稳性异常问题发现、治理、验证的过程,证明了地铁新线开通前开展轮轨动态测试的必要性。

制动条件下高速列车轮轨动态响应特性分析

为探究制动条件下高速列车轮轨动态响应,利用Abaqus和Simpack建立了考虑钢轨柔性变形的车辆-轨道空间耦合动力学模型。基于多体动力学理论,该模型考虑了车体、构架、轮对、轴箱等车辆系统关键部件的6个自由度,并通过轮轨垂向与切向作用关系,实现车辆与轨道系统的动态耦合。通过与试验结果对比,验证了模型的有效性。基于此,分析了柔性轨道和制动工况对轮轨作用及轴箱振动的影响。结果表明,相比于刚性轨道,柔性轨道上的轮轨垂向接触力和纵向蠕滑力均明显更大,且轴箱振动更为剧烈。随着制动力矩的增加,第一轮对的垂向接触力增大而第二轮对的垂向接触力减小。随着车辆速度等级的增加,轮轨垂向接触力、纵向蠕滑力和车轮磨耗系数均增大;此外,相比垂向接触力,制动力矩对轮轨纵向蠕滑力和车轮磨耗系数的影响更为显著。

基于轮轨动态力测试的小半径曲线车辆运行安全性分析

结合嘉镜铁路列车提吨试验,选取小半径曲线的曲中点作为轮轨动态力的测试断面,对提吨重车和普通重车的测试数据进行对比分析,利用车辆运行安全性评价指标来确定列车提吨是否可行以及对该曲线地段的日常养护维修提出合理建议.

基于位移激励法车轮扁疤引起的轮轨动态响应有限元分析

基于三维轮轨滚动接触有限元模型,通过将车轮扁疤缺陷的几何不平顺转换为轮轨接触界面的位移不平顺,采用显式有限元分析方法模拟了多种扁疤工况下(单个新/旧扁疤、单轮多个扁疤、同轴异轮双扁疤)的轮轨动态响应。仿真结果表明:给定速度和扁疤长度工况下,新扁疤引起的最大垂向轮轨接触力均大于旧扁疤情形,且随着扁疤长度的增大其幅值相差越大;每种扁疤长度工况下,单轮多个扁疤引起的最大垂向轮轨接触力均低于单个扁疤的情形;每种速度工况下,同轴异轮双扁疤产生的最大轮轨垂向接触力均大于同侧车轮单个扁疤的情形。研究结果可为高速轮轨服役安全及镟修策略制定提供一定的技术支持。

提速条件下万吨重载列车通过曲线的车辆稳定性及轮轨动态相互作用试验研究

为研究重载铁路既有线提速(由80km/h提至90km/h)对列车通过曲线的稳定性及其轮轨动态相互作用的影响,开展车辆动力学及轨道动力学试验。试验结果表明:车辆稳定性测试中,随运行速度提高,万吨重载列车的车体、构架及承载鞍加速度普遍小幅增大,其范围分别为0.02g~0.20g、0.13g~0.33g和5.2g~48.8g,相比重车工况而言,空车工况下构架加速度受列车运行速度变化的影响更为显著;轨道结构测试中,轮轨垂向力及横向力的范围分别为101.91~168.30kN和23.51~86.22kN,重载列车提速引起轮轨横向力小幅波动;钢轨及轨枕的垂向加速度范围分别为20.32g~59.32g、2.75g~7.50g,钢轨及轨枕加速度均随列车速度的增加而增大;测试中,车辆稳定性及轮轨动态相互作用指标均小于安全限值。

重载铁路焊接接头不平顺对轮轨动态作用影响

为研究焊接接头不平顺演变对车辆-轨道动态相互作用的影响,现场跟踪测试得到不同服役时期的焊接接头不平顺数据,并利用车辆-轨道垂向耦合动力学模型,从时域和频域两个角度,分析计算了不同服役时期焊接接头不平顺对车轮、钢轨振动加速度及轮轨垂向力的影响.分析结果表明：焊接接头不平顺演变分为马鞍形凹陷形成阶段及焊缝区域内磨损加速阶段;焊接接头不平顺几何形态的演变对时域内轮轨动态响应结果影响显著,随着焊接接头不平顺几何形态演变,轮轨动态响应结果呈先增大后减小再增大的趋势;焊接接头不平顺几何形态演变对轮轨动态响应的频域分布影响较小,轮轨动态响应功率谱密度图中存在明显两个频段,分别为低频段31~35 Hz及高频段530~610 Hz,高频段具体位置和焊缝区域内不平顺几何形态联系紧密.

重载铁路车轮踏面擦伤时的轮轨动态相互作用特征

运用仿真分析手段,考虑车轮踏面新、旧擦伤激扰,研究了重载铁路轮轨相互作用力、轨道结构位移及振动加速度的时、频特征。研究结果表明:在车轮踏面新擦伤作用下,轮轨间将产生高频轮轨垂向力和低频轮轨垂向力,钢轨、轨枕及道床将产生低频振动位移;而对于车轮踏面旧擦伤,轮轨间仅产生高频轮轨垂向力,轨道结构部件的振动位移较小,高频位移幅值略大于低频位移幅值;在新、旧擦伤作用下,钢轨垂向振动加速度的频率很高,前者的道床振动加速度明显高于后者的值,二者的轨枕振动加速度较接近。

制动工况下多边形车轮对轮轨动态相互作用影响研究

车轮多边形是导致车辆和轨道系统异常振动的主要激励源,严重的车轮多边形将威胁车辆和轨道零部件的疲劳寿命。针对机车车辆系统异常振动问题,对存在多边形磨耗的车轮和机车振动特性进行了现场测试。测试结果表明,严重的高阶车轮多边形会导致机车轮对垂向和纵向剧烈振动。建立重载列车-轨道三维耦合系统动力学模型,研究不同制动工况和轮轨接触界面摩擦条件下多边形车轮对轮轨垂向和纵向动态相互作用的影响。研究结果表明,在重载列车制动过程中,车轮多边形不仅加剧了轮轨间垂向的冲击作用,还引发了显著的纵向轮轨相互作用;在轮轨低黏着接触状态下,严重的车轮多边形会加剧轮轨纵向动态相互作用以及接触面的磨耗和疲劳损伤。

牵引/制动载荷和复杂黏着条件对地铁轮轨动态相互作用影响研究

牵引/制动载荷和轮轨黏着条件对轮轨系统动态相互作用影响显著,尤其是轮轨切向作用。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立地铁车辆-板式轨道空间耦合动力学模型;由于轮轨接触斑形状以及接触应力分布实际上呈明显的非赫兹特性,因此建立考虑轮对摇头角的轮轨非赫兹法向接触模型以及相应的轮轨非赫兹蠕滑模型,并用于耦合动力学的轮轨动态相互作用计算中。基于所建立的动力学仿真模型,系统分析牵引/制动载荷以及复杂的轮轨界面黏着条件对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明,牵引/制动载荷和轮轨黏着条件对轮轨切向接触应力及黏-滑区域分布影响显著,在干燥接触条件下,随着牵引/制动载荷的增大轮轨切向应力幅值增大,黏着区域减小,而当牵引/制动载荷较高且轮轨黏着水平较低时,接触斑内表现为全滑动状态。研究结果可为车轮/钢轨异常磨损和型面优化设计进一步研究提供理论基础。

轮轨动态作用的试验与仿真研究

以某线路的曲线区段为试验对象,采用基于剪力法的地面测试方法进行轮轨动作用力的现场测试,分析钢轨廓形变化对轮轨动作用力及运行安全性的影响。建立货车-轨道系统动力学模型,以试验线路为对象进行仿真分析,并与试验结果进行对比。结果表明:钢轨打磨能有效降低轮轨横向力和垂向力,提高车辆的运行安全性,并一定程度上降低钢轨振动加速度;动力学仿真结果的变化趋势与试验结果一致,能较好反映钢轨廓形状态对车辆动力学性能的影响。

重载铁路轨枕空吊对轮轨动力相互作用的影响研究

为研究轨枕空吊对重载铁路货车与轨道动态相互作用的影响,针对具有二系悬挂的重载货车,在充分考虑非线性作用力基础上,建立了重载货车-轨道耦合动力学模型。在此基础上,研究了轨枕空吊状态下轮轨系统的动力响应;分析了完全空吊和非完全空吊条件下,列车运行速度和空吊轨枕结构参数对轮轨动力性能的影响。结果表明:轨枕空吊破坏了轨道结构支承的连续性,导致轮轨间动态相互作用加剧,尤其是在完全空吊条件下,轮轨垂向力随空吊数量的增加与列车运行速度的提高而显著增大;轨枕空吊还会影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性;轨枕完全空吊与轨道不平顺的共同作用会加剧轮轨动态作用;轨枕两端支撑间隙不一致时,也会恶化轮轨动态作用。

道岔区轮轨接触几何关系研究

该文以12号可动心轨式单开高速道岔为例,在对道岔区相关走行轨线轨顶外形离散基础上,依据其空间布置关系,详细研究了道岔区轮轨接触特点,给出了轮/岔两点接触判定和计算方法,确定了道岔尖轨区和心轨区在现有空间结构下发生多点接触位置,给出了轮轨力在相关轨线上的转移与分配特性,分析了道岔区轮轨接触点在走行轨线上的不连续性和跳跃性,揭示了轮/岔间产生横向和垂向冲击振动机理,这为进一步优化高速道岔各股轨线空间结构奠定了基础。该文的研究结果是目前轮/岔接触几何关系研究方面的重要突破。

路基不均匀沉降对高速车辆-道岔系统动力特性的影响

为了研究路基不均匀沉降对高速列车过岔时轮轨动力响应的影响,结合多体动力学和有限元法,考虑道岔多钢轨的相互作用及柔性变形,建立高速列车-道岔刚柔耦合动力学模型,分析路基不均匀沉降位置、沉降波长、沉降幅值、行车速度等因素对高速列车过岔安全性和平稳性的影响。结果表明:高速道岔区发生路基不均匀沉降会导致轮轨力和车体加速度增加,降低车辆过岔的安全性和平稳性,当路基不均匀沉降最大值位于尖轨顶宽15 mm断面时,对车辆过岔的动力学行为影响最大,轮载过渡段的长度较无路基不均匀沉降条件下延长25.64%;各项动力学指标随路基不均匀沉降波长增大而减小,随沉降幅值增大而增大;相比于区间线路,当道岔区发生路基不均匀沉降时,行车速度的变化对动力学响应的影响更大,尤其是轮轨横向力和车体横向振动加速度。

考虑滚动噪声的地铁波磨打磨限值评估方法

钢轨打磨能有效抑制波磨的发展,目前的打磨限值制定标准主要以车辆运行平稳性和行车安全性为依据,对影响环境线路的轮轨滚动噪声重视不足。为了获取服役条件下轮轨滚动噪声约束的地铁波磨打磨限值,根据对某地铁线路噪声段波磨情况的调查,建立了地铁波磨打磨限值综合评估模型。模型中将连续谐波模拟钢轨波磨作为系统输入,根据车辆-轨道耦合动力学理论以及轮轨接触关系确定轮轨动作用力和轮轨表面粗糙度之间的关系,分析获取了车辆-轨道耦合系统的振动响应和轮轨滚动噪声,指出了轮轨动作用力、轮重减载率和轮轨滚动噪声声压级3个指标对地铁线路钢轨波磨打磨限值的影响,进而形成了融合轮轨滚动噪声的地铁波磨打磨限值评估方法。结果表明:考虑轮轨滚动噪声影响的钢轨波磨打磨限值评估,不仅满足车辆运行平稳性和行车安全性的要求,而且保证地铁沿线噪声处于合理范围;基于轮轨滚动噪声对钢轨波磨最为敏感的特性,综合评估地铁波磨打磨限值,提高了载重变化时的车辆运行平稳性。

科隆蛋扣件直线路段钢轨波磨形成机理研究

为研究国内地铁科隆蛋扣件直线路段钢轨表面出现的短波长波磨现象,用CAT波磨仪测试钢轨波磨静态特征,通过力锤敲击法测试轨道结构的频率响应函数以及轮轴的模态特性。考虑簧下质量用ABAQUS软件建立轮轨耦合有限元模型,并基于此建立三维瞬态滚动有限元模型,分析轮轨耦合条件下轨道的模态特性以及轮轨瞬态滚动特性。基于轨道结构振动理论与瞬态滚动理论,分析轮轨耦合系统动态特性与钢轨波磨的相关性。研究结果表明:在直线路段左右轨钢轨磨损的程度几乎一致,钢轨波磨主要波长为30~40 mm,在运营车速为80 km/h的车速下波磨波长的通过频率为555~740 Hz;轮轨耦合系统在波磨波长通过频率范围内振动的模态振型主要表现为钢轨相对于轨道板的垂向弯曲振动;在25~50mm短波长凹坑的激励下轮轨垂向力差值显著频率和轮轨耦合系统的垂向弯曲振动频率与波磨波长通过频率相吻合,钢轨波磨的产生与该路段钢轨的垂向Pinned-Pinned频率关系不大,主要是轮轨耦合系统570~710 Hz内钢轨的垂向中高频固有特性被钢轨表面损伤激发导致的。轨道结构波磨的产生主要与轨道结构中高频固有特性相关,轮轨耦合中高频模态特征被激发是诱发和加剧钢轨波磨发展的根本原因。研究成果可为解释科隆蛋扣件直线路段钢轨波磨的形成奠定有关理论基础。

钢轨波磨对高速车辆-道岔系统动力性能的影响

为研究钢轨波磨对高速车辆-道岔系统动力学性能的影响,建立高速车辆-道岔刚柔耦合动力学模型,考虑道岔区多钢轨的柔性变形,通过数值模拟来描述钢轨表面波磨;考虑钢轨波磨的分布相位、波长、波深及通过速度等影响因素,重点分析道岔区波磨工况下轮轨垂向力和车辆部件垂向振动的变化规律。研究结果表明:在尖轨顶宽40 mm处,当钢轨波磨处于波深时变率最大的相位时,尖轨侧轮轨垂向力最大;道岔区波磨会缩短轮载过渡段长度;当波长为150 mm、波深达到0.08 mm时,尖轨侧车轮在轮载过渡段完全减载,出现瞬间轮轨分离现象;轮轨垂向力、车辆轴箱垂向振动加速度最大值与波长呈负相关,与波深、速度呈正相关。