关键词： 高速列车   转向架   蛇行运动模态   悬挂模态   轮轨型面对齐  

摘要： 由于实测的车轮和钢轨型面(轮轨型面)基准坐标系会受到多种因素的干扰而与理论坐标系产生偏差,因此需要将实测的轮轨型面进行坐标变换,才能与标准坐标系对齐并对比分析。提出了将ICP算法应用于轮轨型面对齐的数据处理方法,并与传统的5种轮轨型面对齐方法进行了对比。分析表明,采用线对齐的ICP算法比传统方法效果更好,能更加准确的计算轮轨磨耗量。当测量基准坐标发生偏移和旋转时,传统方法将不再适用,而ICP算法仍然有效,可将此方法应用于轮轨型面的在线监测。我国高速动车组在线路运营中,发生过1.0～2.5Hz范围内的车体晃动现象,这是因为在某些边界条件下,车体的悬挂模态与蛇行模态耦合发生一次蛇行,会对车辆性能产生很大的影响。通过建立经典的转向架和车辆横向动力学模型,研究了悬挂模态和蛇行模态的频率、阻尼比和振型,并对车辆悬挂模态和蛇行模态交叉耦合转换现象进行了分析。通过变参分析,研究了参数对车辆模态的影响规律。本文的主要工作有:(1)提出了适用于轮轨型面对齐的ICP算法,通过对比分析表明,采用线对齐方法优于传统的点对齐方法。(2)建立了 6自由度转向架横向模型,分析了特征值和特征向量与模态参数的关系,分别用振型速度追踪法和特征值速度追踪法研究了振型的连续性。(3)从悬挂参数动态灵敏度分析和单变量分析法,对转向架的模态频率做了分析,发现一系定位刚度是最重要的影响因子。通过多元参数对转向架的模态分析发现,只有小定位刚度和小阻尼时,构架存在恢复性失稳振型,否则,只有轮对的两个永久失稳振型。(4)建立了 17自由度的车辆横向模型,分析了转向架蛇行振型和车体振型交叉耦合现象,发现在特定条件下车辆的悬挂模态与蛇行模态频率交叉时,两种振型会相互转换,而这种状态往往对应车辆的一次蛇行。通过变参分析,得到了参数对车体三个振型的影响规律。

关键词： 踏面形状   地铁车辆动力学性能   轮轨磨耗   影响  

摘要： 城市地铁建设是缓解地面交通压力的一种手段,当前很多城市都在加快地铁建设,我们就不同踏面对于地铁轮轨磨耗的影响进行分析,并对不同踏面形状对车辆两种动力学性能——稳定性和曲线通过安全性进行了研究,以了解不同踏面形状在地铁建设中应用的适合条件。

关键词： 道岔   轮轨动力学   车辆动力学   成功  

摘要： 7月10;4日,由轨道集团组织的2017年轮轨动力学及道岔专题培训班在山海关山桥培训基地成功举办。轨道集团所属研究中心、技术公司、铁福公司、九州铁物公司业务骨干员工共计40余人参加了培训。此次培训邀请了西南交大、山桥集团、北京局等单位专家就轮轨动力学、道岔结构设计与生产工艺、道岔现场维护等方面进行了专题培训;到中铁山桥集团、新铁德奥道岔有限公司进

关键词： 钢轨焊接接头   显式有限元法   瞬态轮轨滚动接触   轮轨动力响应   安全限值  

摘要： 如今的高速铁路和地铁,鱼尾板钢轨接头逐渐被时代所淘汰,无缝线路已经成为了线路铺设的首选方法。无缝钢轨不仅可以大大的降低轮轨振动冲击载荷,还可以延长钢轨线路的使用寿命,其中钢轨焊接接头无疑是无缝线路关键技术中最为重要的一项。随着铁路运行速度的提高和货运客运运量的增大,钢轨焊接接头的损伤情况变得越来越严重,这不仅会增高铁路的运营维护成本,还会直接降低铁路运输的安全性。因此,开展与钢轨焊接接头有关的研究工作具有很强的现实意义和工程应用背景。通过建立的三维有限元模型模拟钢轨焊接接头,本文详细分析了钢轨焊接接头区域的轮轨动力响应。首先,回顾了钢轨焊接接头相关的研究现状与进展,指出了利用瞬态滚动模型研究焊接接头的必要性。接着,对地铁焊接接头现场调查结果进行了统计和总结,发现叠合形焊接接头在现场中出现的最频繁。第3章参考地铁线路实际参数,采用ANSYS/LS-DYNA建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。并对轮对滚过光滑钢轨时的瞬态接触解进行了简单的分析。第4章详细解释了对钢轨焊接接头的模拟,同时考虑了材料的不均匀性。利用建立的有限元模型,对比分析了长波和短波焊接接头不平顺激扰下的轮轨动力响应差异,同时对现场实测焊接接头不平顺其激扰下的轮轨动力响应进行了分析。结果发现在钢轨焊接接头不平顺的激扰下,轮轨接触力、钢轨支点反力和轮轨接触应力在焊接区域的波动明显,叠加不平顺激扰下的动力响应特性拥有短波冲击的特性。且实测马鞍形钢轨焊接接头不平顺对于轮轨动力响应影响严重。第5章中对诸如行车速度、焊接接头几何不平顺类型、焊接接头不平顺波深、焊接接头位置、扣件刚度和牵引系数等相关参数对轮轨系统动力响应的影响进行了讨论研究。结果发现地铁行车速度的提高会引起接头不平顺区域轮轨动力响应的剧烈波动。上凸与下凹单谐波不平顺激扰下的轮轨垂向力波动关于静轮载对称。焊接接头不平顺波深的增大会造成轮轨动力响应的恶化。当钢轨焊接接头不平顺中心位于轨枕中间时,会明显的降低轮轨接触力和钢轨支点反力。当减小钢轨焊接接头不平顺中心处的扣件系统刚度时,可以显著的改善轮轨系统动力响应。第6章结合轮轨力和最大轮重减载率安全限值标准,提出了钢轨焊接接头的安全限值。最后,给出了本文研究结论和后续的研究展望。

关键词： 轮轨摩擦   温度   载荷   速度   摩擦系数  

摘要： 轮轨摩擦副在列车车辆行驶过程中起着导向、牵引、制动等作用,是铁路系统中极其重要的摩擦副。当代高速、重载列车的快速发展,为轮轨摩擦的研究带来了新的机遇和挑战。由于轮轨摩擦机理是一个十分复杂的过程,在列车行驶过程中温度、载荷、速度的变化会直接影响到轮轨材料组织性能,进而引起轮轨摩擦系数的改变,可能造成列车运行安全隐患,所以开展温度、载荷、速度与轮轨钢摩擦系数的关系研究就显得尤为重要。本文先是总结分析了其他学者的相关研究成果,得到了轮轨材料和摩擦系数受温度、载荷、速度的影响下的变化规律,特别是总结推导了温度与摩擦系数关系的理论公式计算,并设计了实验台和实验方案来验证理论公式的可靠性与合理性。最终得到如下的研究成果:（1）通过借鉴汇总李龙、Popov等人研究成果,发现摩擦系数随温度的变化比较复杂,大体上有三个阶段,分别为低温阶段的上升期（25℃300℃）,中高温阶段的急速下降期（300℃700℃）,高温阶段的缓慢下降期（700℃925℃）。（2）温度对轮轨钢摩擦系数影响的实验结果表明,在数值上实验结果与理论估算结果相差不大,实验结果的数值稍微有点偏高。但是温度低于400℃时,实验结果和理论结果的变化规律不尽相同。理论估算的最大值出现在300℃左右,而实验结果却出现两个极大值。摩擦系数出现转折的温度点是400℃,温度高于400℃后,理论估算和实验结果的变化规律是一致的,都呈下降的趋势。（3）在100℃400℃这一温度范围内,随着温度的升高摩擦系数的变化过程经历一个特殊的阶段,当实验的温度加热到200℃时,摩擦盘和摩擦销就开始变蓝,随着温度的继续增加,颜色开始变深,这种情况一直持续到400℃,这种现象也叫做轮轨钢材料（珠光体钢）的蓝脆现象。正是由于这种蓝脆现象使得摩擦系数的变化规律有所不同,蓝脆现象使得材料的硬度和抗拉强度有所升高,使得材料的脆性降低,再加上载荷与速度的冲击,使得摩擦系数在这一温度范围的变化规律有别于理论估算的结果。（4）滑动速度对轮轨钢摩擦系数影响的实验结果表明,随着滑动速度的增加,轮轨钢的摩擦系数是呈现逐渐降低的趋势,但是由于目前对滑动速度的工作量较小,并没有出现别的变化趋势,这也是下一步实验研究的一个方向。（5）载荷对轮轨钢摩擦系数影响的实验结果表明,随着载荷的增加,在不同的温度下,轮轨钢摩擦系数的变化趋势略有不同,但是大多数情况下摩擦系数是随载荷的增加而逐渐降低的,尤其是载荷由250 N（接触应力为8.84 MPa）升高到300 N（接触应力为8.84 MPa）时,摩擦系数都是降低的。当然有个别的情况下表现不同,如在200℃这个温度条件下,摩擦系数随着载荷的增加是呈现先降低再升高后降低的趋势,在载荷为200 N（接触应力为8.84 MPa）处取得极小值,而200℃正好也是蓝脆现象的开始,也能反映出蓝脆现象对摩擦系数的影响。（6）摩擦必伴随着磨损消耗,从多次的实验结果来看,在温度低于600℃时,摩擦磨损损耗不大,损耗主要发生在摩擦阶段的磨粒磨损阶段。但温度高于600℃时,便会出现渗碳现象,摩擦磨损损耗加剧,且摩擦平稳状态持续时间不长。

关键词： 有限容积法   轮轨关系   接触斑   接触应力  

摘要： 轮轨接触关系是车辆正常运行的基本条件,肩负着承载、牵引、制动等重要使命,轮轨关系是车辆轮轨系统中最基本而又十分复杂的问题,随着铁路运输重载化和高速化的发展,准确分析轮轨关系对铁路运输的经济性和安全性具有重要的意义。机车车辆在轨道上运行时,轮轨接触关系涉及到多种物理现象:车轮在轨道上运行,承受巨大的载荷,轮轨之间存在弹塑性滚动接触问题,这是固体力学问题;轮轨接触过程,车轮在轨道上将发生摩擦产生热量,热量须及时传输,这是典型的传热学问题;列车高速运行,相对于车轮,其周围的空气在迅速流动,且车轮转动会诱导空气流动,这是典型的空气流动问题。轮轨接触因摩擦而产生热量,空气流动加速热量的散失,热量的及时散失有利于轮轨之间的相互作用。因此列车运行过程中轮轨接触关系是一个典型的固体力学-传热学-流体力学耦合的问题。为此,发展一种基于同一理论基础的数值方法解决上述多学科耦合的轮轨关系问题具有重要的意义。本文采用有限容积法求解轮轨接触应力场,有限容积法是基于守恒原理的一种数值方法,其离散格式和边界条件的处理十分规范。论文基于赫兹接触理论,对轮轨接触关系进行了定性分析,阐述了接触斑的产生和接触斑的划分。轮轨接触问题是固体静力学问题,论文将固体静力学方程和流体流动方程进行类比,找到了适合有限容器法求解的固体静力学方程,并对方程和边界条件进行了离散。论文以单侧车轮和钢轨为模型,建立轮轨静止接触模型进行计算,结果表明车轮上接触斑和钢轨上接触斑大小基本一致,接触斑均呈椭圆形分布。钢轨上接触斑半长轴、半短轴与赫兹理论计算的接触斑半长轴、半短轴之间的误差分别为:5.93%、6.32%,说明用有限容积法求解轮轨接触问题是可靠的。车轮和钢轨接触斑表面,应力随接触斑也呈椭圆形分布,接触斑中心附近应力较大,由接触斑中心向外,应力逐渐减小。车轮和钢轨接触斑大小一致、位值相对应,接触斑上应力的分布也相互吻合。接触斑上应力从接触斑表面向内传递,使得接触斑附近应力在空间上呈椭球形分布。钢轨接触斑表面平均应力为:708.8 MPa,最大接触应力为951 MPa,最大应力大于钢轨材料的屈服极限883.0 MPa,这部分大于屈服极限的应力可能会造成钢轨表面点蚀、脱落等失效形式。

关键词： 刚-柔耦合   相关性   相关系数   时域   频域  

摘要： 由于客运列车行驶速度、行驶密度的不断提高,列车和轨道材料的服役环境日益恶化,各隐患问题日益严重,严重影响行车安全。当列车运行时,线路各种确定性、非确定性不平顺以及动力不平顺等作用下,都会加剧轮轨间的动作用力。运行过程中,可以看作一个动态的输入输出系统,当轮轨作用力不断发生变化时,构架载荷也在不断变化,同时也引起了构架动应力的不断变化。国内外大量的调查研究表明,许多铁路事故都是由于转向架焊接构架在复杂的交变载荷作用下引起的疲劳损伤造成的,构架作为高速列车的关键部件,其使用寿命受到高度关注与重视。就目前而言,对轮轨力、构架载荷以及构架动应力进行线路实测已经有了较高水平,但若通过其间存在的关联性,借助构架载荷对轮轨力进行预测,分析对构架动应力的影响,将具有较大的经济意义,也可以避免线路实测时对某些数据测试的不便性,也能通过相关性分析对实测数据的结果进行评价。本文研究构架载荷与轮轨力以及构架动应力之间存在的相关性,借助ANSYS有限元软件将转向架构架进行弹性化处理,在SIMPACK中建立刚柔耦合动力学模型,分别分析垂向、横向上存在的关联性。所做工作及结论如下:(1)在垂向上,轮轨力与构架载荷在不同速度下的相关系数均小于0.3,属弱相关;随着速度的提高,高频成分对轮轨力影响明显,而构架载荷由于车辆一系悬挂系统的阻尼减振作用,受到的影响有限,构架载荷的主振频率同一系悬挂的自振频率相一致;当车辆以300km/h运行以不同的波长作为激扰时发现频率在4Hz以上时,轮轨力与构架载荷之间有明显的相位差,为此不能忽视不同频率成分传递时相位差对相关系数的影响;而轮轨力与构架载荷在不同速度的有效值、幅值的变化情况之间有明显的相关性,根据构架的振动频率界定范围,分别分析在低、中、高频区域构架载荷和轮轨力的相关性,最后得出以一系悬挂自振频率的倍频、不同速度时构架载荷频率分布作为划分依据,以各频域区间有效值比值作为传递系数可以完成构架载荷与轮轨力时间历程的拟合,并对拟合曲线进行评价。(2)利用ANSYS分析在垂向作用力下应力大的点,运用瞬态分析方法分析在一定的载荷时间历程下,该点的动应力变化情况,由于构架载荷的频率成分绝大部分低于构架的一阶自振频率,所以用两者有效值比值作为传递系数,完成对动应力的影响分析。(3)根据横向作用力在时域以及频域的变化特征,提取关联信息,提出了横向构架载荷对横向轮轨力的拟合方法及步骤,以及横向作用力下对构架动应力的影响。

关键词： 快速货车   蛇行运动   参数优化   动力学  

摘要： 铁路是交通运输的大动脉,对国民经济的增长起着非常重要的作用。目前,各国都在大力发展高速铁路,并取得了一定的成就。我国也在积极发展快速化铁路运输。高速客运专线的开通为货运的快速化提供了有利的条件,同时也对货运列车的速度提出了更高的要求。因此,快速货车的研制就变得相当重要。自2000年以来,我国先后研制出一系列快速货车,并取得了一定的成果,但是离商业化运营的快速货车的成功研制还是有一定的距离,原因是目前的技术还不够成熟,没有形成相关的标准,列车在高速下运行时的一些关键技术还没有解决,尤其是列车在高速下运行时的运动稳定性和平稳性是亟待解决的问题。基于此背景,本文开展了快速货车横向运动动力学特性和系统参数优化的研究。本文结合我国快速货车的技术特点和运行速度的要求,利用经典的多刚体动力学理论建立起具有19自由度的快速货车系统非线性数学模型,模型中考虑了非线性轮轨间作用力以及心盘、旁承与车体间干摩擦等强非线性因素,应用数值积分方法分别对车辆系统在直线轨道和稳态曲线轨道上运行时的动力学行为及分岔特性进行了细致的研究,以全面了解车辆系统的运动特性。同时,还对车辆的部分悬挂参数和结构参数对车辆系统动力学性能的影响做了研究,以期优化车辆的动力学性能,为车辆优化设计提供理论参考。研究表明:车辆的一系悬挂纵向、横向刚度和二系悬挂横向刚度越大,车辆的临界速度越小,二系悬挂纵向刚度变大,车辆临界速度则先上升后下降。轮轨间摩擦系数和车辆轮对踏面等效锥度对临界速度的影响很显著,其中轮轨间摩擦系数增大,车辆的临界速度明显上升,而随车轮踏面等效锥度的增大,车辆临界速度则明显下降。在车辆超过临界速度运行的过程中,对称的系统中会出现不对称的运动过程,不对称的系统中也会出现对称的运动过程。随着这些参数的变化,系统还表现出不同的动力学特性,通过这些参数对车辆系统动力学性能影响的深入分析,获得了每个参数的最优取值区间,为改善车辆的动力学性能,设计出更高速度,动力学性能更优的快速货车提供了一定的理论参考。

关键词： 车辆-轨道耦合动力学   重载铁路   钢轨波磨   轮轨相互作用   安全阈值  

摘要： 重载运输是提高铁路运能效率的有效方式,已成为我国铁路货运的主要发展方向。随着货车轴重的加大和运营速度的提升,尤其是轮轨的垂向相互作用力会不断增加,给轮轨之间的相互作用带来不利影响。钢轨波磨使得轮对和轨道结构振动加剧,影响车辆的安全性,因此会极大缩短轮对和轨道结构的使用寿命,甚至造成脱轨事故。本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立重载货车-有砟轨道垂向耦合动力学模型,将车辆子系统、轨道子系统的数值振动方程,转换成矩阵形式,可以方便准确地求解车辆-轨道动力学的非线性方程;采用连续谐波模拟钢轨波磨作为轮轨间激励,编制仿真计算程序研究钢轨波磨对整体系统动力学响应的影响。在数值计算与分析部分,货车轴重分别选取25t、27t和30t,在60km/h、80km/h和100km/h的运行速度下,分析了不同波长和波深的钢轨波磨对重载铁路轮轨动态作用性能和货车运行安全性的影响;最后基于行车安全性能,确定了钢轨波磨安全控制限值。研究结果表明:(1)对于选定的钢轨波磨计算工况,假定波磨波长不变、波深增大,货车的轮轨垂向力、轮重减载率、轮对振动加速度、钢轨振动加速度随波深的增加而增大;波磨波深不变、波长增大,轮轨动力响应数值相应减少。(2)特别地,当车辆运行速度和波磨激励波长分别为60km/h和250mm时,此时波磨激振频率接近于轮轨系统振动频率,发生共振现象,导致轮轨相互作用加强。(3)当波磨波长从10mm逐渐增大到250mm时,不同轴重和不同速度等级下的各项轮轨动力响应指标,其变化趋势均随波长的增大而增大,在出现峰值后逐渐减小。在波磨波长大于临界波长的情况下,相应指标均随波深的增加而增大,并且在特定区段呈线性变化的特征。(4)根据临界波长与货车轴重、货车速度的关联关系,在相同计算条件下通过求解钢轨波磨波长和波深的安全阈值得出,如果波长大于临界波长或者波深小于临界波深,车辆将安全运行。

关键词： 扣件胶垫   分数阶Zener模型   非线性摩擦力模型   幅变特性   高频振动  

摘要： 钢轨扣件系统中的弹性橡胶垫板,是无砟轨道结构中具有弹性和阻尼性能的重要组成部件,其动态力学性能对车辆与轨道系统振动以及轮轨间相互作用都有重要的影响。已知表征弹性橡胶垫板动态力学性能的基本参数随温度、频率变化,且与应变幅值有关,因此,研究温度、频率、振幅对无砟轨道扣件系统中弹性垫板的动态力学性能的影响规律,进而分析其对轮轨系统随机振动响应,尤其是对高频振动的影响具有重要意义。本文首先以350km/h时速无砟轨道系统中使用较多的Vossloh 300型扣件为测试对象,结合了非线性摩擦力模型的相关知识,设计了非线性摩擦力模型参数识别试验和定频变温试验,得到非线性摩擦力模型计算参数后,实测分析了在-60℃～20℃范围内考虑与不考虑摩擦力(幅变特性)后扣件胶垫储能刚度与损耗因子随温度的变化规律,结果表明:随温度降低,摩擦力对扣件胶垫储能刚度与损耗因子的影响均减小,但是摩擦力对损耗因子的影响要远大于对储能刚度的影响。结合温频等效原理,得到扣件胶垫储能刚度与损耗因子随频率的变化规律,结果表明:随着频率升高,摩擦力对储能刚度与损耗因子的影响减小,但摩擦力对损耗因子的影响大于对储能刚度的影响。对分数阶Zener模型的时域本构关系式进行变换,推导出频域内储能刚度和损耗因子的表达式,分别对考虑与不考虑摩擦力下频域内扣件胶垫储能刚度和损耗因子的变化曲线进行拟合,得到分数阶Zener模型的计算参数。基于轮轨动力学的理论基础,推导出非线性摩擦力模型与分数阶Zener模型应用到车辆-轨道垂向系统耦合动力学中的计算公式,分析了扣件胶垫幅频变特性对车轨垂向耦合系统时域动力响应的影响规律,结果表明:(1)扣件胶垫的动态幅频变特性对行车安全性影响很大,考虑扣件胶垫的频变特性后轮重减载率大幅增大,考虑幅变特性后可适当减小轮重减载率最大值;(2)扣件胶垫的频变特性能明显增大轮轨间相互作用,幅变特性的存在能适当减小轮轨相互作用幅度;(3)扣件胶垫的动态幅变特性和动态频变特性对行车平稳性的影响均很小,可忽略不计;(4)非线性摩擦力模型中关键参数x减小和Ffmax增大对时域动力响应的影响一致,其效果和扣件胶垫动态幅变特性对轮轨垂向系统动力响应的影响效果类似。将时域动力响应的部分计算结果通过FFT变换和1/3倍频不计权处理后,分析扣件胶垫的幅频变特性对轮轨系统宽频振动的影响,结果表明:(1)忽略扣件胶垫的动态幅变特性会人为增大胶垫的频变特性,导致轮轨系统高频部分动力响应增大;(2)扣件胶垫的动态幅变特性能有效缓解由动态频变特性带来的不利影响,尤其是对高频部分的不利影响;(3)关键参数x减小或Ffmax增大能够进一步缓解由动态频变特性带来的不利影响,其中关键参数x的影响更明显。