高速磁浮与高速轮轨系统主要技术参数对比分析

高速磁浮是利用电磁力将车辆悬浮于导轨上,利用直线电机驱动列车前进的铁路系统,其悬浮导向系统、轨道梁系统、牵引运控系统等与高速轮轨有着显著区别。通过线路工程、轨道工程、桥梁工程、隧道工程及牵引供电工程、运行控制工程、无线通信工程等方面,对比分析了高速磁浮与高速轮轨主要技术参数,以期为高速磁浮工程设计与技术研究方向提供参考。研究结果表明:高速磁浮对轨道结构精度、平顺性,桥梁频率、变形以及隧道内车辆气密性提出了更高的要求,设计时要求桥梁一阶竖向自振频率不小于1.1倍列车通过频率;此外,高速磁浮采用地面控制、固定闭塞方式,1个分区只能有1列车运行,其信号控制、无线通信与牵引供电三子系统间耦合更为紧密,对车地无线通信数据传输性能提出了更高的要求,牵引定位数据时延要求不大于5ms。

高速轮轨列车制动盘热应力有限元研究

盘式摩擦制动器在高速轮轨列车上有着广泛的应用。但该制动器在制动过程中因制动盘温度的急剧上升,将使制动性能降低,甚至有可能导致制动盘失效,因此制动盘温度和应力分布对制动盘的寿命及制动性能有着重大影响。本文采用有限元方法对高速轮轨列车制动盘的瞬态温度场和热应力进行了分析研究。根据制动盘制动原理和传热原理,确定了温度场和热应力有限元分析中的载荷、边界条件、加载过程和模拟工况,通过对蠕铁、25Cr2Mo1V和35CrMo 3种制动盘材料在相同结构、相同制动过程条件下的热应力分析,对不同材料制动盘热应力的影响进行了考查和热特性的分析对比,为制动盘的设计和优化提供了依据。

不同轮轨冲角下高速轮轨稳态滚动接触的蠕滑特性

在分析轮轨接触蠕滑机理的基础上,利用有限元软件ABAQUS,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立三维轮轨稳态滚动接触模型,研究直线线路上轮轨冲角对高速列车轮轨滚动接触面间蠕滑力和蠕滑率的影响。结果表明:车轮接触斑内的纵向蠕滑力随着轮轨冲角的增大而逐渐减小,其最大值与最小值相差约9.67%,因此轮轨冲角的增大会降低列车的牵引性能;横向蠕滑力随着轮轨冲角的增大而增大,轮轨冲角为6mrad时的横向蠕滑力是其为0mrad时的7.3倍左右;在横向蠕滑力和纵向蠕滑力的相互作用下接触斑内存在小自旋蠕滑;轮轨冲角对纵向蠕滑率几乎没有影响,但对横向蠕滑率有较大的影响,不同冲角时最大横向蠕滑率值相差约16.5%。

轮对横移对高速轮轨稳态滚动接触蠕滑力和蠕滑率的影响

运用有限元软件ABAQUS的非线性功能,基于轮轨滚动接触理论,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立高速轮轨稳态滚动接触的大规模有限元模型,分析CRH2型动车组在CHN60钢轨直线线路上运行且其轮对横移量在0～6 mm范围变化时的蠕滑力和蠕滑率.结果表明：随着轮对横移量的增大,车轮接触斑内纵向蠕滑力合力的最大值约为最小值的24.4倍,列车总的纵向蠕滑力几乎是呈线性急剧减小,表明轮对横移量的增大会降低列车的牵引性能;横向蠕滑力合力的最大值与最小值相差约42.4％,变化趋势低于纵向蠕滑力合力,列车左轮与右轮总的横向蠕滑力随着轮对横移量的增大而减小,从而影响列车的横向稳定性与脱轨系数;纵向蠕滑率的最大值与最小值相差约124.8％;与纵向蠕滑率相比,横向蠕滑率很小且几乎不随轮对横移发生变化,表明轮对横移对横向蠕滑率的影响很小.

高速轮轨速度极限探讨

在高铁运用与理论实践基础上,提出了抗蛇行频谱特征匹配原则,并作为超高速转向架技术方案研究的基本指导准则之一.根据基于抗蛇行频带吸能机制的稳定新理论,以ICE3系列作为基准转向架,通过必要的参数优配,制订了超高速转向架优配方案.动态仿真分析表明:400 km/h超高速运用存在3大技术难题:即抗蛇行减振器性能可靠性、车体横向振动响应频带增宽和电机横摆自激振动.尽管这3大技术难题在技术与理论上可以得到解决,但是超高速运用已经丧失了其商业价值.冲击600 km/h打破法国574.8 km/h世界纪录,不仅具有十分重要的现实意义,而且也具备技术可行性.但是时速500 km/h以上,将出现车轮纵向蠕滑不稳定问题.根据威金斯理论,这是高速轮轨速度极限的重要技术标志之一.

钢轨波磨区段高速轮轨瞬态滚动接触高频动态特性

考虑轨道—车辆系统耦合振动以及轮轨几何非线性,建立高速轮轨瞬态滚动接触三维有限元模型,利用隐式与显式相结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动接触过程,轮轨接触采用面—面接触算法。基于列车通过频率和钢轨Pinned-Pinned频率,分析非稳态载荷作用下钢轨短波波磨区段轮轨间相互作用以及列车通过频率对波磨区段轨道—车辆系统动态响应的影响。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨瞬态接触力和牵引比随钢轨波磨几何不平顺的变化呈周期性波动,且牵引比与钢轨波磨几何不平顺呈反相位;当列车通过频率与钢轨PinnedPinned频率相近时引起轮轨系统共振,轮轨接触力出现"拍"振特性,在轨枕附近整体振动较大,加速钢轨扣件伤损,而在2个轨枕跨间整体振动较小;在牵引扭矩作用下,轮轨接触存在周期性黏滑振动,轮轨系统共振时,轨枕附近波磨波谷处的钢轨滑动磨损加剧,加速钢轨波磨的发展。

高速轮轨有害磨耗形成机理及其反馈负面影响研究

安全稳定裕度不充裕是高速轮轨有害磨耗形成的一个主要相关影响因素,其与轮轨关系并无十分明显的相关性影响.如ICE3系列转向架原型及改进设计,一次蛇行导致不合理的轮轨匹配条件,λ(eN)=0.166.动态仿真分析表明:在特定的(非)结构摄动影响下,如侧风对车体扰动或钢轨打磨处理累计误差,λe<0.10,一次蛇行转变为二次蛇行并发生瞬间高速晃车现象,因而车轮磨耗指数呈现十分明显的V字型分布形态.考虑到直线运行或大半径曲线通过,车轮踏面将会逐渐形成凹坑磨耗.车轮自旋蠕滑奇异性是磨耗轮轨不良接触所造成的主要有害影响之一,进而导致转向架振动报警或抖车故障.在新建有砟/无砟铁路服役条件下,轮轨滚动接触不均匀磨耗影响会在整个铁路网内不断扩大.

高速轮轨关系试验台仿真模型的建立及验证

针对中国铁道科学研究院的1:1高速轮轨关系试验台,利用Simpack软件建立了高速轮轨关系试验台仿真模型。为了验证仿真模型的可靠性,选取试验台的蠕滑试验及模拟轮对曲线运行试验,对仿真模型进行验证。结果表明,基于蠕滑试验的仿真模型验证,其最大值误差小于15%,基于模拟轮对曲线运行试验的仿真模型验证,轮轨垂向及横向力的变化趋势较为一致。

高速轮轨磨耗问题及其小蠕滑解决方案

在遵循相关技术规律的前提条件下,高速铁路轮轨关系技术管理应当明确小蠕滑解决方案及其技术优势,利用动态设计方法 DDM,解决RSS转向架及其轮对自稳定问题和RFS转向架不稳定蛇行振荡及其校正两个主要技术问题,且形成经济型或安全型设计及其创新技术特点.线路跟踪测试与动态仿真分析均表明:车轮自旋蠕滑奇异性是造成轮轨滚动接触不连续或不均匀磨耗的主要成因之一,其与专车专线、客运专线以及客货混用等铁路运营方式无关.根据单/双循环工作原理,抗蛇行并联配置的动态特性具有超前滞后校正的相似性.利用这一相似性,制订了转向架参数优配技改方案.如ICE3技改设计在合理的轮配条件下极限速度提升至480 km/h,快铁与高铁运用实现了对钢轨磨耗的互补性.

京沪高铁采用高速轮轨技术

京沪高速铁路将采用高速轮轨技术建设，建成后从北京到上海将从原来的14个小时缩短到5个小时。京沪高速铁路工程测算总造价将达到1300 亿元人民币左右。据研究人员透露。京沪高速铁路的最高时速设计为350公里，在一些区段将达到每小时350公里，在一些区段将达到每小时300公里，而平均时速则为250公里，一次建成高速铁路线路达1320公里。

Transrapid与高速轮轨列车

随着经济全球化和人口的持续增长,世界范围内对采用尖端技术的先进交通工具的需求正在日益增长.一方面,人们对乘坐舒适性和行车速度的要求愈来愈高;另一方面,人们希望交通工具具有更高的载运能力、更长的使用寿命以及更低的维护费用.勿庸置疑,未来的交通工具还需具备可靠的安全系统,并满足可用性和高度环保性等方面的要求.那么,是否有一种系统能满足所有这些要求呢?建立在钢轨-车轮基础上的现代高速轮轨(HSR)系统,如日本的新干线、法国的TGV和德国的ICE都在更新换代中不断取得令人瞩目的进步.它们在时速超过300 km的情况下能保持良好的舒适性.但是,基于物理限度和经济等方面的原因,这些系统往往背离了人们对性价比的合理考虑.轮轨铁路的发展正面临这样的困境:提高系统的速度需要付出太大的代价(300km/h高速铁路的造价比200 km/h的准高速铁路高近2倍,比120 km/h的普通铁路高3～8倍,继续提高速度,其造价还将急剧上升).因此,从经济的角度来说,提速到每小时300 km以上时,它们的运行将不再合理.

高速轮轨和磁悬浮技术在世界轨道交通运输体系中的发展

高速轮轨交通从20世纪60年代开始建设,到2001年世界已建成的高速铁路有5214km;正在建设的新线有4730km,正在研究和准备立项的有8604km。从德国、日本建成磁悬浮试验线后,世界有5个国家启动磁悬浮线路研究,中国上海成为世界第一个高速常导磁悬浮商用试验线建设的地区。世界轮轨高速铁路的发展没有因为磁浮技术的发展而停滞,随着速度目标值的提高,高速轮轨技术仍然在不断创新。磁悬浮的研究与试验和轮轨高速铁路的建设与发展在世界上并存。

高速车辆轮轨接触几何关系及车轮磨耗疲劳研究

将我国高速铁路常用车轮的原始型面(S1002CN,LMA和XP55)及运行20万km后的磨耗型面(S1002CN_20,LMA_20和XP55_20)分别与CHN60钢轨进行匹配,分析轮对内侧距和摇头角的变化对轮轨接触几何关系的影响规律。在此基础上,采用Archard磨耗模型和滚动接触疲劳模型并结合车辆动力学模型,建立车轮磨耗疲劳预测模型,对不同型面车轮的磨耗和滚动接触疲劳进行研究和预测。结果表明:S1002CN型面车轮的轮轨接触几何关系对车轮磨耗、轮对内侧距和摇头角的变化最为敏感,该型面车轮的最大磨耗深度最大且范围最广;XP55型面车轮的磨耗范围最小,LMA型面车轮的最大磨耗深度最小;XP55型面车轮的轮轨接触应力较大,经过曲线线路时易发生高周疲劳现象,但这种现象在车轮磨耗后消失;S1002CN和LMA型面车轮的轮轨接触应力较小,但在车轮磨耗后轮轨的接触应力明显增大,易发生高周疲劳。

宽温域下高速轮轨界面粘着与车轮表面损伤行为

搭建了高低温服役环境轮轨滚动试验台,在实验室条件下成功再现了哈大线等高寒铁路冬季车轮表面剥落和麻点严重、夏季异常光滑的季节性损伤特征;研究了宽温域(-50℃~60℃)下高速列车轮轨界面粘着和车轮损伤行为,系统探讨了不同服役温度下轮轨滚动接触界面的粘着系数演变规律,分析了车轮表面磨损形貌和表层材料塑变行为等重要特性。研究结果表明:随着服役温度的提高,轮轨界面粘着系数总体呈下降趋势,同时,车轮表面的凹坑尺寸减小,在高温60℃时,凹坑特征消失,磨损表面变得较为平整;在低温-40℃时,车轮表面最为粗糙,算术平均粗糙度为3.74,而随着服役温度的上升,磨损表面粗糙度显著下降,在高温60℃时,车轮表面算术平均粗糙度较小,为0.97;随着服役温度的升高,轮轨接触界面的磨损区域内Fe元素含量与O元素含量之比逐渐减小;低温低湿环境抑制了轮轨界面的摩擦氧化作用,增强了摩擦剪切作用,加剧了车轮表面的剥落、严重的塑性变形和表面疲劳裂纹的萌生与扩展,因此,磨损表面较为粗糙;而高温环境加速了轮轨界面的摩擦氧化作用,氧化磨屑的形成一定程度上起到了固体润滑作用,从而降低了轮轨界面间的粘着,车轮表面相对光滑;磨损机制由低温(-50℃~-20℃)服役工况下的疲劳磨损逐渐转变为常温(20℃)工况下的磨粒磨损和氧化磨损与高温(40℃~60℃)工况下的粘着磨损。

轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的研究

根据轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的要求 ,结合我国目前接触线的生产现状 ,研讨了接触线研究、开发的可能性 ,在综合分析抗拉强度与导电率的矛盾 ,接触线的允许最高强度、最大截面、耐磨性及抗疲劳性等技术特性 ,国产化的可能性和现实性后 ,指出应研究开发镁铜合金、锡铜合金和铜包钢接触线。另外 ,对现有的银铜类合金接触线应改善它的平直度 ,以降低离线率 ,使质量达到国外同类先进产品的水平。并建议及时组织机械和铁道系统的研究、设计和制造单位的专家进行技术论证和工作协调 ,做好高速接触网用接触线研究开发的前期工作 ,为国产化统一和明确方向 ,以赶上京—沪轮轨高速电气化铁路对国产接触线的需要 ,加速高速、准高速接触网用接触线国产化的进程。

高速轮轨系统与高速磁浮交通系统选择及案例研究

本文针对高速轮轨系统和高速磁浮交通系统孰优孰劣的争论,在对二者的成本和效益进行分析的基础上,基于成本效益分析法,以寻求社会总成本最小为原则,构建了高速轮轨系统和高速磁浮交通系统的选择评价模型。针对京沪第二高速铁路通道的案例研究,基于本文所构建评价模型,得出的结论是,京沪第二高速铁路通道选择高速磁浮交通系统的社会总成本相对较低。

CR400AF型高速列车车轮擦伤引起的轮轨冲击台架试验研究

由于轮轨滚动接触的复杂性,在有限的建模精度下用数值仿真很难指导实际运营,且现场试验成本太高。为解决这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,采用CR400AF型高速列车真实车轮和一系悬挂,在车轮踏面滚动圆处预制不同长度、宽度和深度的擦伤,进行不同车轮擦伤下0~400 km·h^(-1)速度范围内的轮轨冲击试验,分析车轮擦伤长度、运行速度对轮轨垂向力和轴箱振动加速度的影响规律。结果表明:轮轨垂向力最大值随车轮擦伤长度的增加而增加,在0~35 km·h^(-1)速度范围内随速度的增加逐渐增加,并在约35 km·h^(-1)速度时达到最大,然后随速度的增加逐渐减小;在车轮擦伤冲击下,轴箱振动加速度最大值的变化规律与轮轨垂向力最大值基本一致;从车轮擦伤安全限界分布发现,危险区为舌状分布,车轮擦伤后速度要尽可能避开25~70 km·h^(-1)速度区间,擦伤长度大于60 mm时不建议上线运行。

高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较

研究了现有文献关于高速列车动力学方面的论述 ,就高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较展开讨论。得到的主要结论是 :地面高速轨道交通应以 30 0 km/h左右的轮轨高速铁路为主体 ;在需要 40 0～ 60 0 km/h超高速的特定条件下 ,也可以采用磁浮高速列车 ,作为一种补充。因此 ,一方面要积极修建上海浦东机场高速磁浮试验线 ,一方面要尽早启动京沪轮轨高速铁路的建设。

轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料,且只有在硌伤深度超过150~200μm的临界值时发生,对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料,表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示,初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿,底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳,后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比,硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高,但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深,更易引发大块剥离,局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。