等效锥度非线性研究及其在踏面设计中的应用

为研究等效锥度非线性特性对车辆系统动力学和磨耗性能的影响,提出可以用于踏面优化设计的非线性特性建议指标。通过对轮轨关系进行细致推导,应用踏面逆向设计快速递推算法,得到具有不同等效锥度非线性特性的踏面,对不同踏面的轮轨关系进行分析。建立车辆系统动力学模型和基于Archard理论的磨耗预测模型,对不同非线性特性踏面的临界速度、横向平稳性、磨耗性能进行对比分析。研究结果表明:非线性因子值过高或过低都会导致临界速度下降,但该指标过高对临界速度影响更大,最大降幅可达20%;等效锥度非线性特性还会影响到踏面的磨耗发展,踏面的初始非线性因子越高,名义等效锥度在磨耗过程中的增长越慢,对延长车轮服役周期是有利的。综合动力学性能及磨耗性能,建议高速列车踏面的非线性因子应取尽可能接近于0的负值。在这一结论的指导下,对S1002CN踏面进行优化设计,得到名义等效锥度为0.1,等效锥度非线性因子为0.013(与S1002CN持平)、-0.002的优化踏面S1002CN_opt1、S1002CN_opt2,优化踏面S1002CN_opt2与S1002CN相比临界速度和横向平稳性有所优化,同时磨耗性能也有所提升。S1002CN_opt2与S1002CN_opt1之间的等效锥度非线性关系在动力学性能及磨耗性能中的表现证明以等效锥度非线性因子限值指导踏面进行优化设计的可行性,研究结果可为踏面设计及轮轨关系研究提供参考。

高速车辆车轮磨耗与轮轨接触几何关系的研究

根据线路实际测量的高速车辆车轮踏面外形,分析了不同磨耗里程下的S1002G踏面的轮轨接触几何关系的变化规律。研究结果表明S1002G踏面随着运营里程的增加,等效锥度逐渐增大,特别是在轮对横移量2mm以内表现最明显。随着轮对横移量的增加等效锥度呈现先减小后增大的变化趋势,这说明S1002G踏面在京沪线实际运营过程中以凹形磨耗为主。通过建立高速动车组单车动力学模型,采用磨耗前后的轮轨型面,分析了三种不同类型转向架车辆模型的运动稳定性。分析结果表明磨耗导致轮轨匹配关系发生变化从而大大降低了车辆的临界速度;而一系纵向定位刚度无论是磨耗前还是磨耗后都会对车辆稳定性造成重要的影响,相对来说柔性转向架更有利于车辆的运动稳定性。轨道参数对轮轨接触几何关系有着非常重要的影响,因此研究车辆稳定性问题必须要考虑轨道几何参数的作用。

高速铁路轮轨匹配存在问题及对策

对我国高速铁路因轮轨匹配问题而导致轮轨接触位置不良、动车组构架横向加速度超限报警、动车组异常抖动、钢轨波磨、道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹等的具体成因进行研究,并主要从轮轨接触关系、等效锥度、轮轨匹配、钢轨打磨、道岔直尖轨处理等方面提出对应的解决方案。结果表明:车轮型面与60钢轨廓形不匹配导致了轮轨接触位置不良,采用60N钢轨可使轮轨的接触位置居中;按设计的钢轨廓形或60N钢轨廓形进行钢轨打磨,可以有效降低轮轨的等效锥度,从而抑制动车组异常抖动和构架横向加速度超限;采用GMC96—B型和GMC96—X型钢轨打磨车打磨产生的钢轨周期性磨痕波深较大时,容易发展成钢轨波磨,而采用大机打磨可有效治理钢轨波磨;道岔直尖轨非工作边因未倒棱且长期承受应力集中作用是造成其产生疲劳裂纹的根本原因,可采用倒圆和组合断面轨面修型处理,有效控制直尖轨非工作边的疲劳伤损。

基于CRH5型高速动车组车辆的轮对动态特性与等效锥度关系初探

为探索轨道随机不平顺激扰条件下高速轮对动力学特性与其等效锥度的关系,采用CRH5型动车组车辆悬挂参数进行车辆动力学计算,分析车轮踏面锥度对车辆平稳性的影响,研究过大的轮对滚动圆半径差能否使车辆在高速通过大半径曲线时发生蛇行现象,并利用LMA型面分析等效锥度与轮对动态横移及轮对恢复对中能力的关系。结果表明:过低的踏面锥度不仅会使轮对动态横移量增大,无益于临界速度的提高,反而会削弱轮对恢复对中能力;合理的踏面锥度应该与轨底坡相匹配,等于或略大于轨底坡。过大的轮对滚动圆半径差可能会激发轮对蛇行。因此,高速轮对等效锥度应兼顾轮对动态横移与恢复对中能力,以确保轮对动态特性的稳定。

轮对内侧距对机车车辆动力学性能影响的试验研究

在分析国内外轮对内侧距方面已有研究结果的基础上,在不改变车轮踏面形状、轨距和钢轨轨头形状的情况下,进行单纯改变车辆轮对内侧距的滚动台试验研究,分析等效锥度对轮轨接触几何关系的影响,得出以下结论。①在保持轮轨接触几何关系相同的情况下,增加轮对内侧距有利于改善轮轨关系和机车车辆动力学性能。②在车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状等保持不变的情况下,单纯改变轮对内侧距,必然会导致轮轨接触关系的变化,从而影响机车车辆的动力学性能;对于我国目前采用的车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状而言,轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm,将导致轮轨接触等效锥度的增加,从而降低车辆的运动稳定性临界速度。③轮对内侧距的选取与车轮踏面形状的选择密切相关,在改变轮对内侧距以后,必须根据轮轨接触几何关系的变化重新对其进行综合优化,确定合适的车轮轮缘踏面外形。

车轮高阶不圆对轮对蛇行运动和等效锥度的影响

根据自由轮对蛇行运动特征,推导出与轮对横移、摇头相关的3个一阶微分方程。该方程得到的蛇行运动与二阶微分方程(与轮对横移相关)得到的结果一致,同时结合Klingel公式也得到一致的等效锥度曲线。分析国内4种轮轨匹配在不同速度下的等效锥度、蛇行波长和蛇行频率,给出轮对横移3mm下自由轮对蛇行频率数表,得到自由轮对蛇行波长不随运行速度变化的特性。根据实测的车轮踏面名义滚动圆处圆周方向不圆曲线,得到车轮高阶不圆度。将其代入轮对蛇行运动公式中,得到车轮高阶不圆下轮对蛇行运动特征。结果表明,车轮在0.1mm径跳20阶高阶不圆下对轮对纵向速度和摇头角速度影响明显,对轮对横移量和摇头角度影响不明显。因此,对自由轮对蛇行频率和等效锥度影响也不明显。

转向架失稳的非线性计算方法研究

建立了完整的非线性动力学仿真计算模型,分别使用初始激励法和实测随机不平顺激励法两种非线性稳定性计算方法对等效锥度曲线呈平坦和呈凹形的两类轮轨匹配进行非线性稳定性计算,并对计算结果进行对比。结果发现:等效锥度曲线平坦变化的轮轨匹配形成亚临界Hopf分岔图,并且两种非线性稳定性计算方法所求临界速度基本一致;"凹"形等效锥度形成超临界Hopf分岔图,速度很小时就出现了幅值较小的极限环运动,两种非线性稳定性计算方法所求临界速度相差非常大。

不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响

为了研究不同车轮型面对地铁9号道岔转辙器区的轮轨静态接触行为的影响,基于经典迹线法求解轮轨接触几何关系,利用三维非赫兹滚动接触理论分析接触力学特性,分析接触点对分布、道岔转辙器结构不平顺、轮轨接触几何参数和轮轨接触斑的形状、面积及最大法向接触应力等。数值计算中,考虑轮背距为1353 mm的LM和DIN5573以及轮背距为1358 mm的S1002这3种车轮型面,从静力学分析的角度提出地铁道岔区的最优车轮型面。研究结果表明:DIN5573车轮过岔接触点对分布较集中,结构不平顺幅值较小,直向过岔时轮对的稳定性较好但接触力学特性较差;S1002车轮侧向过岔通过能力较强,接触力学特性良好,但轮对向尖基轨侧横移时较易发生轮缘接触,轮轨表面易产生疲劳伤损;LM车轮综合匹配性能最好。

车轮型面圆弧参数及其对轮轨接触和车辆动力学影响研究

在调研国内外高速铁路车轮型面的基础上,采用4段圆弧描述车辆正常运行时车轮与钢轨接触的主要区段,提出表示这些区段的6个圆弧参数,包括4段圆弧的半径(R5,R6,R7,R8)以及中间2段圆弧的圆心横坐标(xR6,xR7)。以CRH380B型高速动车组为例,采用单因素分析方法进行车轮型面圆弧参数对轮轨接触和车辆动力学性能的影响分析。结果表明:R5和R8对轮轨接触和车辆动力学性能的影响很小,R6和xR6对车辆曲线通过性能影响较大,R7和xR7对轮轨接触和车辆直线运行性能影响较大;在进行车轮型面优化设计时,应根据现有的车轮型面参数将R5和R8取为固定值,仅将R6,xR6,R7和xR7作为关键圆弧参数;当其他圆弧参数取默认值时,R7大于475 mm或xR7小于19 mm时名义等效锥度小于0.08,容易产生低锥度晃车,导致临界速度小于200 km·h^-1;为改善目前存在的低锥度晃车问题,应将R7和xR7作为重点优化设计参数。

等效锥度的两种准线性计算方法的对比研究

等效锥度是广泛用于表征轮、轨接触几何关系的重要参数之一,是轨道、车辆及多体动力学仿真计算、车辆运行性能评定或验收试验等主要指标。但是它不考虑接触的非线性特性,计算的不同结果使得目前国内技术交流和车辆运行性能评定结果不一致。现基于对等效锥度参数研究概述总结,对目前简化计算中常用的准线性化中的KLINGEL方法和Δr函数线性回归法进行对比分析,结合目前我国3种高速动车组轮、轨副(XP55,S1002CN和LMA)进行计算,并建议采用统一算法,为工程技术和理论研究奠定基础。

基于动车组横向稳定性的等效锥度限值研究

轮轨接触几何匹配关系直接影响动车组的振动性能,轮轨接触不匹配可造成动车组构架横向加速度报警、车体晃车等问题。通过对镟修后初始等效锥度和车体晃车进行研究,提出镟修后初始等效锥度限值,评价镟修质量。通过对服役动车组等效锥度的跟踪、镟修到限等效锥度分布范围与报警轮对等效锥度值的统计,提出LMA、LMB、LMC、LMD型4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值,评估动车组横向稳定性。根据等效锥度限值对车轮进行管理可以控制轮轨型面与接触关系,有效缓解构架横向加速度报警与车体晃车问题,实现车轮状态修,提高镟修经济性。

固定辙叉区轮轨静态接触几何关系计算

针对固定辙叉特殊的轨线布置及复杂的轮轨接触关系,建立固定辙叉区轮轨接触几何关系算法,分析固定辙叉区沿辙叉走行方向主要接触参数的变化规律以及各关键断面轮轨接触点变化情况。结果表明:在辙叉轮载过渡段轮轨接触参数变化规律复杂,结构不平顺变化幅值最大且波长较短;轮对横移量增加,轮轨接触几何参数增大,轮轨动力作用增强;辙叉咽喉区和轮载过渡段辙叉侧轮轨接触点变化存在突变。提出应合理设计辙叉区轮载过渡段结构参数,优化轮轨接触几何关系,进而改善列车通过时辙叉的受力性能。

磨耗后轮轨型面接触关系及线路适应性分析

在高速动车组的动力学试验中发现,车辆在跨线运行时构架横向谐波振动显著增大,该现象通常与车辆轮轨关系有直接的关联。通过对钢轨和车轮踏面进行测试来研究动车组实际轮轨接触关系,并基于不同线路钢轨和车轮踏面廓形存在的差异,分析轮轨接触关系出现差异的原因。分析结果表明,轮对横移量为0~3 mm范围内的等效锥度水平较大是造成车辆异常振动的原因;车轮踏面斜率的绝对值不同是造成不同车辆在匹配相同线路时接触关系存在差异的原因;钢轨轨头圆角高度和轨顶位置不同是造成动车组在跨线运行时接触关系不同的原因。因此,不同线路应精确控制钢轨廓形,避免钢轨轨头圆角高度和轨顶位置差异过大,从而改善动车组跨线运行时的轮轨接触关系,提高动车组的线路适应性。

轨底坡对运营地铁轮轨接触特性的影响分析

为研究不同轨底坡条件下实际运营地铁列车的轮轨接触特性,采用轮轨接触空间迹线方法计算分析了轨底坡对轮轨接触几何参数的影响,并建立某地铁B型车辆动力学模型,详细分析了不同线路条件下轨底坡对车辆动力学性能的影响规律.研究表明:LM&CHN60轮轨匹配条件下,轨底坡在1/45~1/20范围内轮轨接触点分布连续,特别是直线段在轨底坡为1/20、曲线段在轨底坡为1/40时轮轨匹配性能良好;运营条件下车轮踏面凹磨造成等效锥度过大,轮轨接触点分布不连续,易造成异常晃车;曲线地段车轮踏面凹磨限制了轮对横向运动,导致轮对对中困难,轮轨接触匹配不良,易造成轮轨滚动接触疲劳.

基于模态法的高速列车车体关键位置应力谱及寿命评估研究

基于刚柔耦合理论,建立了考虑车体高频弹性振动的高速列车刚柔耦合动力学模型,利用模态应力恢复法对服役条件下车体关键位置动应力进行了求解。通过扫频激励方法模拟了车辆典型服役模式,识别了典型服役工况下车体动态薄弱位置。进一步研究了车体动态薄弱位置在不同轮轨匹配等效锥度下的特征应力谱。基于京广线线路条件仿真分析了不同轮轨匹配锥度状态下车体关键位置应力谱,并研究了不同应力谱编制方式对车体寿命评估的影响。结果表明:基于扫频激励方法的车体结构动态薄弱位置识别方法,可以有效识别车体结构动态薄弱位置;轮轨匹配等效锥度在镟修周期的动态演变会导致车辆稳定性下降,从而可以显著增大车体关键位置动应力幅值。因此,在车体结构关键位置寿命评估中,考虑轮轨关系动态演变对车辆关键部位应力谱的影响具有至关重要的意义。

轮轨接触几何关系对比分析

采用Kalker CONTACT方法计算轮轨接触几何特性,分析对比了LM,LM_A,S1002CN,LM_(B-10),LM_D,XP55车轮踏面与TB 60,60D,60N钢轨廓型匹配的接触几何关系。分析结果表明:相同车轮踏面与TB 60钢轨匹配的名义等效锥度最大,与60D,60N钢轨匹配的名义等效锥度较小;LM_A踏面与TB 60钢轨匹配以及LM,S1002CN踏面与60D钢轨匹配时,具有较好的直线运行稳定性和曲线通过性能;LM,LM_A,S1002CN踏面与TB 60钢轨匹配时,车轮回复到对中位置的能力强;车轮踏面与60N钢轨匹配的接触斑分布均匀,直线上的磨耗性能好;LM_D踏面与TB 60,60D,60N钢轨匹配时也具有很好的磨耗性能;车轮踏面与60N钢轨匹配时,曲线通过的磨耗功最大,磨耗严重。

400 m小半径曲线钢轨打磨前后车辆动力学特性分析

本文选取某线路磨损较为严重的400 m半径曲线钢轨作为研究对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-钢轨耦合动力学模型,不考虑钢轨打磨前后的轨面平顺性,研究分析新轨及打磨前后旧轨廓形与全新车轮LMa车轮踏面接触时车辆动力学特性.结果表明:当横移量大于7 mm时,新轨等效锥度最大,打磨后旧轨等效锥度较打磨前小,车辆通过小半径曲线性能有所降低,但同时也将减小轮轨横向力,减小轮轨磨耗;较打磨前旧轨,打磨后旧轨与LMa车轮踏面接触时,踏面接触斑内纵向蠕滑率最大值分别减小15.07%、2.82%,左右股横向蠕滑率最大值分别减小4.48%、4.69%,左右股磨耗功最大值分别减少18.06%、9.04%;打磨后旧轨轮对横向/垂向加速度变化时域图与新轨几乎重合,且最大值较打磨前分别降低4.46%、19.05%,车辆运行平稳性得到提升;打磨后轨面状态得到改善,剥离掉块得到较好整治,波浪形磨耗得到较好处理,车辆运行品质得到改善.

基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究

在对京沪高铁开展轮轨型面跟踪测试的基础上,分析LM_A和LM_B车轮型面分别与60D钢轨型面匹配时的轮轨磨耗特征;利用数值仿真手段,研究磨耗后不同轮轨型面匹配组合下的轮轨接触范围与钢轨光带宽度和等效锥度的关联性;通过分析钢轨光带宽度与等效锥度的关联性,结合名义等效锥度限值,研究避免高速动车组运行过程中出现典型异常振动问题的钢轨接触光带合理范围。结果表明:高速铁路的钢轨磨耗远小于车轮磨耗;直线区段钢轨磨耗主要分布于钢轨顶弧中心附近,轮轨接触宽度与钢轨光带宽度相对应;钢轨光带宽度与轮轨匹配名义等效锥度正相关,钢轨光带宽度小于20 mm时易出现动车组车体晃车、大于45 mm时易出现动车组转向架横向振动加速度报警。

重载机车车轮磨耗演化对轮轨接触关系的影响

为掌握我国重载车轮型面演变及轮轨匹配特性,以南同蒲线运行某型和谐号六轴重载机车为例,进行车轮型面跟踪测试,在UM软件建立重载机车动力学模型,基于Kik-Piotrowsk算法和Archard磨耗模型,对该线路车轮磨耗演化仿真。验证模型准确性,进一步预测1个镟修周期车轮型面演化,分析轮轨匹配等效锥度规律。结果表明,仿真结果与实测结果贴近,平均磨耗速率相差较小;1~3位轮对在0~2万km等效锥度曲线、接触点分布变化显著,8~10万km后等效锥度曲线、接触点分布较为相似;磨耗后期1位轮对轮缘磨耗严重,但等效锥度向初始值靠近,约为0.121,2位轮对轮缘磨耗较轻,等效锥度较低,约为0.014。

高速动车组车轮磨耗对轮轨接触关系及车辆动力学性能的影响

基于京沪高铁运营的某型动车组1号车8个车轮的64组车轮型面及构架和车体振动加速度在车轮1个镟修周期内的跟踪测试结果,建立并验证高速车辆动力学分析模型,研究实测型面车轮与实测廓形钢轨匹配时轮轨接触点分布、等效锥度曲线、轮轨接触带宽等轮轨非线性特征随车轮镟后运行里程的变化规律。采用非线性稳定性及蛇行失稳极限环分析方法,从蛇行失稳临界速度、极限环分岔形式和蛇行失稳频率的角度,研究车轮磨耗对车辆蛇行运动稳定性的影响规律。结果表明:车轮磨耗速率、等效锥度、轮轨接触带宽随车轮镟后运行里程的变化均呈现非线性变化规律;随着车轮镟后运行里程的增加,车辆蛇行临界速度总体呈现下降趋势;当LMB10型面车轮镟后运行里程达到14.7万km时,车辆蛇行失稳表现出超临界和亚临界失稳的组合特征,达到20.6万km时,等效锥度曲线呈现明显的负锥度特性,构架横向振动加速度、脱轨系数最大值较镟修周期中期略有增大,轮轨横向力较镟修周期中期明显增大,车辆的蛇行失稳极限环表现出典型的超临界分岔特征。