基于遗传算法的实测轮轨蠕滑曲线模拟

轮轨黏着-蠕滑特性直接影响着轮轨系统的工作性能和列车的运行安全。为在轮轨接触数值模型中合理地表征实测黏着-蠕滑曲线的影响,在KP模型和改进FASTSIM模型的基础上,提出了黏着-蠕滑特征参数初值计算方法,结合遗传算法设计参数拟合过程并选取合适的适应度函数,形成了一种获取描述轮轨黏着-蠕滑特性特征参数的通用方法,随后以160 km/h速度的实测蠕滑数据为例,分析对比了本文算法拟合蠕滑曲线的计算效率及与理想工况下局部接触结果的差异。研究表明:(1)本文提出的算法在拟合不同速度工况对应的实测黏着-蠕滑曲线时均具有较高的精度,提出的拟合特征参数取值范围提高了遗传算法收敛速度,与遍历法相比计算速度提高18.5倍;(2)考虑潮湿环境实测轮轨黏着-蠕滑曲线时,轮轨黏滑分布、切向接触应力较干态理想工况有显著差异,主要体现在接触斑最大切向接触应力减小、滑动区面积随蠕滑率增大的速度减缓等。本文算法满足车辆-轨道耦合动力学数值仿真要求,可更真实地模拟实际环境条件下的轮轨相互作用。

考虑轮轨蠕滑的高速列车制动非线性振动行为研究

为了揭示在制动工况下轮轨蠕滑对高速列车非线性振动的影响,考虑Polach轮轨蠕滑和盘片Stribeck摩擦,建立了高速列车盘式制动系统的3自由度非线性动力学模型,采用数值积分法求解制动系统的振动响应,并与线路试验数据进行对比,验证了模型的有效性。通过该模型进一步研究了低速下盘式制动系统非线性动力学行为,对比分析了Polach轮轨蠕滑模型与双线性轮轨蠕滑模型的差异;探究了平均蠕滑率和轨面条件对制动系统振动的影响;揭示了轮轨黏着与盘式制动系统非线性行为的相互作用机理。结果表明:相比于双线性轮轨蠕滑模型,Polach轮轨蠕滑模型受车速影响更为明显,更加符合实际服役情况;平均蠕滑率增大、轨面条件变差将导致混沌运动出现时的制动压力更小,混沌-周期振动交替出现的次数增加,制动系统振动行为更为复杂。

考虑轮轨蠕滑和轮对蛇行的车桥耦合振动分析

列车通过桥梁时,车桥系统将发生动力相互作用。选取轮对的横摆和摇头作为独立的自由度,根据轮轨接触几何学理论,给出轮轨间的相互作用力,从而建立了轮对及车辆的振动微分方程。利用结构分析的有限单元法,建立了桥梁结构振动微分方程。根据车辆和桥梁两个子系统之间力和位移的协调条件,把二者耦合起来求解。以主跨为300 m的铁路斜拉桥和DF4型内燃机车为例,利用威尔逊-θ法,模拟机车过桥的全过程,求解桥梁结构的动力响应规律。计算结果表明:桥梁结构的横向动力响应随车速的增加先增大后减小;车速对扭转振动的影响不明显,而偏载对扭转振动有显著影响。

基准级渐开线测量仪的轮轨蠕滑有限元分析

基准级渐开线测量仪的基圆盘是形成理论渐开线的基准件,其在导轨上滚动时,由弹性变形引起的轮轨蠕滑是值得探讨的问题。介绍基于有限元法,使用ANSYS工具,分析计算了钢基圆盘在大理石导轨上滚动的弹性蠕滑区间及蠕滑率,数据结果为轮轨不同材料情况下,蠕滑率对测量仪不确定度评定的影响提供了重要的参考依据。

车轮多边形对蠕滑和临界速度的影响研究

通过分析轮轨蠕滑率和自由轮对的蛇行运动方程,得到轮对横移和摇头的相互耦合关系式;基于多体动力学软件UM建立某型高速动车组拖车动力学模型,对4种车轮多边形工况进行接触斑内的蠕滑力分析,研究车轮多边形对轮轨蠕滑特性和轮对横移的影响。结果表明:车轮多边形的阶数和幅值对轮轨蠕滑特性有较大的影响,总体上轮轨蠕滑力随车轮多边形阶数和幅值的增大而增大,当左右两侧车轮出现不同阶数主导的车轮多边形时,左右两侧车轮的纵向蠕滑力相差较大;两侧车轮多边形幅值的不同会破坏轮对的对中能力,高速运行时会出现蛇行失稳现象,并且车辆的非线性临界速度会随车轮多边形磨损的加剧而降低。

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响，通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型，分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头（包括轨距角）的应力-应变响应，定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量 FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响，并比较导向轮和非导向轮对 FP的影响。仿真结果表明，考虑轮轨蠕滑的情况下，钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态，疲劳参量 FP主要是由剪应力-应变部分作用产生，对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式；FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°～140°夹角，在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°～50°夹角；导向轮作用下的 FPmax要远远大于非导向轮作用下的 FPmax 。

轮对蠕滑条件下钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测

采用多体动力学与三维弹性体非赫兹滚动接触理论,得到不同轨底坡、超高、摩擦系数与曲线半径等多种轨道条件下的轮轨蠕滑状态,将接触力分别施加于钢轨有限元模型的接触斑位置,分析轨头应力应变响应,得到所有节点的疲劳参量.研究疲劳参量的组成类型,若剪应力与应变部分占主要组成部分,则采用剪切型裂纹萌生预测公式,否则采用拉伸型预测公式.分别预测导向轮与非导向轮作用下的曲线外轨疲劳裂纹萌生寿命,结果表明,外轨疲劳裂纹主要由导向轮作用产生,非导向轮对其影响很小;裂纹萌生寿命随曲线半径的增大而延长,随摩擦系数的增大而减小;设置1∶20轨底坡可以延缓外轨疲劳裂纹萌生,尤其是在半径较小的曲线上效果更明显;过超高能延缓曲线外轨疲劳裂纹萌生;当摩擦系数大于0.3时裂纹萌生于曲线外轨表面,而小于0.3时裂纹萌生位置则逐渐向轨头内部转移.

不同牵引特性城轨列车车轮磨耗与疲劳研究

针对列车频繁牵引起动对车轮磨耗与疲劳损伤产生的影响问题,在恒定牵引力的基础上,探究了不同牵引特性曲线恒功率区转折点速度对车轮磨耗与疲劳的影响规律。采用SIMPACK和MATLAB软件进行联合仿真,建立了不同牵引特性下城轨列车动力学模型和基于Archard的车轮磨耗模型,分析在牵引电机不同起动转矩下牵引特性曲线恒功率区转折点速度对城轨列车轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度、磨耗面积以及疲劳指数的影响规律。结果表明:列车牵引起动过程中,电机起动转矩越大,轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度和磨耗面积也越大,而疲劳指数则越小;电机起动转矩一定时,随着列车牵引特性曲线恒功率区转折点速度的增大,轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度和磨耗面积也增大,疲劳指数则有所减小;当电机起动转矩从800 N·m增大到1400 N·m,车轮磨耗深度和磨耗面积增长率最大为6.9%和12.6%,而疲劳指数下降率最大为7.2%;当恒功率区转折点速度从50 km/h增加到80 km/h,车轮磨耗深度和磨耗面积增长率最大为4.4%和4.3%,疲劳指数下降率最大为1.9%。本文研究了车辆起动转矩与恒功率转折点速度变化对车轮磨耗与疲劳的影响规律,可为车辆牵引特性设计和电机控制以及车轮运维提供参考。

高速铁路轮轨作用力的全息辨识模型

结合最优控制理论、卡尔曼滤波方法以及轮轨蠕滑理论,该文建立了轮轨作用力的全息辨识模型,并将模型的反演结果与动力学解答和实验测量结果作对比,验证了模型的适用性。首先,根据车辆系统的状态空间方程,设计一个最优化加速度状态跟踪器,将轮轨作用力辨识问题转换成为最优控制策略的设计问题;然后,利用SVD(singularvaluedecomposition奇异值分解)分解技术对最优控制问题进行逆向求解,完成系统的动态载荷预测值的辨识;进一步结合卡尔曼滤波技术及加速度测试值,对辨识动载荷预测值进行正向修正,得到左、右轮轨垂向力及轮轴横向力;最后,结合轮轨蠕滑理论,将左、右轮轨横向力转换为到左、右轮轨垂向力及轮对横移量的函数,消减不适定性,从而能够分别辨识出轮轨左、右的横向力。辨识模型得到的结果与动力学解答的相关系数分别达到0.65、0.8以上,与实测载荷的相关系数分别达到0.51、0.69以上。

基于轮轨滚动接触稳态特性优选客货列车共线铁路钢轨打磨廓形

基于客、货车车轮镟修踏面和京广线上的3种钢轨打磨廓形,采用mixed Lagrangian/Euler方法建立三维轮轨滚动接触稳态模型,分别计算和分析客、货车车轮镟修踏面与这3种钢轨打磨廓形接触时的轮轨滚动接触稳态特性。结果表明:在轮对对中的情况下,钢轨轨头接触区曲率半径越小,则轮轨接触角越大,且客车的轮轨接触角大于货车的;在不考虑横移的情况下,轮轨接触角在一定范围内变化时,轮轨接触角越大,轮轨接触斑内蠕滑力、蠕滑率的最大值也越大;客、货车镟修踏面与打磨廓形1接触时,接触斑内蠕滑力和蠕滑率的最大值小于其他2种打磨廓形,即打磨廓形1的车辆运行稳定性更好,但轮轨之间的力学性能较差;客、货车镟修踏面与打磨廓形2接触时,接触斑内蠕滑力和蠕滑率的最大值大于其他2种打磨廓形,即打磨廓形2的车辆牵引性能较好,但更容易发生蛇形失稳;客、货车车轮镟修踏面与打磨廓形3接触时,接触斑内蠕滑力和蠕滑率的最大值均介于其他2种打磨廓形之间,可同时保证车辆的牵引性能和运行稳定性,因此打磨廓形3在这3种钢轨打磨廓形中为最优。

一种基于轮轨竖向刚性接触的车-桥空间耦合振动建模方法

车辆-桥梁耦合振动研究具有重要的理论意义和工程实用价值,耦合系统运动方程的建立是研究开展的关键。本文将车辆-桥梁作为一个整体系统,采取轮轨竖向刚性接触方式,考虑轨道竖向、横向不平顺及其一、二阶导数,和轮对侧滚惯性力以及自旋角动量的影响,车辆采用弹簧阻尼连接的多刚体模拟,桥梁采用空间梁单元离散,基于Kalker线性蠕滑理论结合Shen-Hedrick-Elkins修正理论计算轮轨蠕滑力,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及其对号入座法则,推导了车辆-桥梁耦合系统空间有限元形式的运动方程,该运动方程可采用逐步积分法直接求解得到车辆和桥梁的动力响应。最后,本文给出了典型的数值算例进行了分析计算。

基于准静态轮轨关系的车辆动力学基础研究

准静态轮轨关系是指在连续光滑条件下的轮轨接触几何和作用力关系,但轮轨接触"磨光"处理一般要采用加权平均的数值方法,即所谓准弹性接触。考虑到轮轨接触非线性和转向架自身非线性都将对轮轨接触产生影响,因而准静态轮轨关系的应用必须慎重,如高速转向架要有比较充足的稳定性裕度。双振子频响和频谱分析以及整车线性稳定性分析等3个对比与验证表明新型分析软件在线性系统分析应用方面具有极大的灵活性,轮轨蠕滑力计算更加接近实际,这为高铁车辆(HSRS)研发提供了非常好的应用平台。

高铁轨道-车辆系统轮轨力辨识及应用

综合考虑监测的经济性、易于维护性等因素,发展基于车辆响应的轮轨作用力辨识技术具有较大的理论意义和实用价值。基于蠕滑理论、车辆动力学模型和轮轨几何接触关系,利用最优控制理论,建立全信息的轮轨力载荷辨识模型并进行试验验证。该模型可实现对轨道-车辆系统全部轮轨力的辨识,利用辨识结果可对轨道-车辆安全状态进行综合评判。

动态Nadal脱轨评判准则的推导与应用

当轮轨接触状态处于小冲角或负冲角时,若基于经典Nadal公式评判车辆运行安全,可能出现将非脱轨误判为脱轨的现象。针对该问题,从机理分析的角度出发,深度探讨经典Nadal脱轨评判的局限性;通过轮轨蠕滑特性分析,引入实时的有效摩擦系数上限值,推导一个能够考虑冲角影响的改进型脱轨限度,形成新的动态Nadal脱轨评判准则;最后,通过应用算例验证改进型脱轨限度的有效性。结果表明,改进后的动态Nadal脱轨评判准则考虑了轮轨接触冲角的影响,与经典Nadal脱轨评判相比具有较小的保守性,能够科学有效地降低脱轨评判的误判率。目前,该限度仅从理论层面予以验证,在实际应用中建议考虑安全系数裕量进行评判,以确保列车运行安全。

基于卡尔曼滤波的轮对速度估计及仿真

高速列车在制动防滑过程中,由于轮轨蠕滑率很小,采用传统的速度测量和估计方法难以获得轮对速度的快速动态变化,为此建立了车辆系统离散状态方程,采用卡尔曼滤波的方法对轮对速度进行估计,并根据车轮速度和轮对减速度随着轨面条件的变化,实时修正协方差矩阵,以保证估计的稳定性和准确性。通过几种估计方法的对比分析结果表明,在轮对速度发生突变时,平均值估算法将严重偏离实际值。受轨面条件的影响,最大值估算法存在较大的波动,不适合应用于防滑过程中轮对速度的估计。卡尔曼估计法在各种条件下具有有效性和准确性。

车轮扁疤特性对高速车辆系统振动响应的影响

为了探究车轮扁疤扩展对高速车辆系统振动响应的影响,基于车辆动力学理论和刚柔耦合方法,建立考虑轮对柔性的车辆-轨道耦合系统动力学模型,采用非椭圆多点接触算法求解法向接触,以轮径变化模拟车轮扁疤,计算分析扁疤扩展过程中转向架关键部件的振动响应和轮轨动态响应变化规律.结果表明,随车轮扁疤的扩展,一系悬挂以下部件的垂向振动响应显著增大而以上部件的响应变化甚微;车轮扁疤的扩展对轮轨垂向动态响应的影响远大于横向;车轮扁疤的扩展增大了轮轨接触斑面积,这将改变轮轨蠕滑状态,从而影响了轮轨磨耗.

轮对轴箱定位偏心引起的轮对纵向振动问题分析

根据双拉杆式轮对轴箱定位系统的结构特点,分析产生轮对轴箱定位偏心的原因,并且由于轮对轴箱定位偏心而使轮对在滚动过程中产生纵向振动,轮对的纵向振动又会引起轮轨纵向蠕滑率的变化,进而引起轮轨纵向蠕滑力的变化,从而影响到机车对轮轨蠕滑力的调整和轮轨黏着的利用。从轮轨接触点位移量动态变化的微观角度分析轮对纵向振动与纵向蠕滑率/力振动之间的关系,并仿真研究轮对纵向振动对机车动力学性能及轮轨接触特性的影响。结果表明:当轮对发生较大纵向振动时,对机车的垂向平稳性影响较大,而对机车的横向平稳性影响很小;当轮对轴箱定位偏心量达到5mm时,机车的垂向平稳性超标;当一系纵向定位刚度为1.6MN·m-1时,轮对受到的激励频率与其纵向振动固有频率相近,引起轮对的纵向共振,进而使得机车纵向失稳;在轮对纵向振动的作用下,随着轮轨纵向蠕滑率的增大会引起轮轨纵向蠕滑力的增大,当轮轨纵向蠕滑力超过轮轨摩擦极限时,车轮将发生宏观滑动进而引起车轮空转。

线路参数对地铁小半径曲线低轨滚动接触疲劳的影响分析

针对国内某地铁线路在小半径曲线低轨上产生的疲劳损伤问题,通过建立地铁车辆系统动力学模型和损伤函数模型,分析了曲线超高、摩擦系数和轨底坡这3个线路参数对低轨滚动接触疲劳的影响,并提出了相应的减缓措施。研究结果表明,增大曲线超高与低轨摩擦系数均会降低低轨的疲劳损伤值,但低轨会发生疲劳损伤的区域基本保持不变;随着低轨轨底坡的不断减小,低轨会发生疲劳损伤的区域将从轨顶偏向外侧处逐渐移至靠近轨距角处,同时疲劳损伤峰值会先减小随后而又增大;适当增大曲线超高与低轨摩擦系数,并将低轨轨底坡调为1/70,可减缓该小半径曲线低轨滚动接触疲劳的形成和发展。

考虑非正定相关性的测量不确定度蒙特卡洛评定方法

当采用蒙特卡洛法评定测量不确定度考虑输入量相关性时,需基于Nataf逆变换产生服从任意边缘概率分布的相关多维随机变量。为了解决Nataf逆变换过程中输入量相关系数矩阵非正定时,无法产生线性变换矩阵的问题,提出了基于Barzilai-Borwein梯度法的迭代修正算法。进而探讨了输入量服从非正态分布且相关的蒙特卡洛法实施步骤。最后,采用提出的迭代修正算法并基于Nataf逆变换的蒙特卡洛方法,对高速轮轨试验台轮轨纵向蠕滑率不确定度进行了评定,验证了该算法的可行性及有效性。

圆柱踏面车轮沿环形平面轨道运行时的切向应力研究

圆柱踏面车轮沿环形平面轨道运行时,轮轨接触区域由于存在速度差,会产生蠕滑现象,并伴有切应力。研究这种轮轨接触切向应力的产生机理,对准确分析车轮的转向阻力矩和轮轨磨损至关重要。文中提出了一种轮轨接触的简化模型,分析得到了滑移黏着分界点以及车轮转向阻力矩的简化计算公式。有限元仿真结果表明,所建立的简化接触模型可以较准确的反应接触点的切向应力分布特征,能够得到准确的转向阻力矩结果,为核电站环行起重机及其类似产品的运行阻力计算提供了有价值的参考。