关键词： 弹性车轮   间接测量   安全性评估   轮轨力  

摘要： 在低地板轻轨车辆中,采用弹性车轮的轻轨车辆,具有快捷、舒适、便利、噪声小等优点,成为了轻轨车辆发展的重要方向,目前投入使用的低地板轻轨车辆大多采用弹性车轮。准确的测量出轮轨力,不仅是评估车辆脱轨安全性指标的基础,也为进一步研究车辆运行性能和解决轮轨表面损伤等问题提供了理论依据。目前能够将刚性车轮加工成测力轮对从而进行轮轨力直接测量,而弹性车轮却还不能加工成测力轮对,也就不能直接测量得出轮轨力。对于具有弹性车轮的轻轨车辆,采用轮轨力间接测量方法进行线路动力学试验,对车辆的运行安全性进行准确评估,有着十分重要的工程意义。本文研究了国内外轮轨力测量的相关技术发展,分析了这些方法的优缺点及应用可行性。针对70%低地板车辆建立系统动力学模型,并将轮对结构考虑为刚性与弹性,对比了刚性与弹性结构轮对车辆模型的动力学差异。采用动力学仿真的方法,将轮轨力间接测量计算结果与仿真直接输出结果进行对比,进行误差分析,从而验证了轮轨力间接测量方法对于低地板车辆的可行性,并对其进行脱轨安全性评估,论证了联合脱轨安全域对低地板车辆脱轨安全性评估的适用性。

关键词： 高速列车   动力学   轴承耦合模型   轮轨接触关系   轮轨激扰  

摘要： 众所周知,铁路运输是国民经济的大动脉,为国民经济健康稳定地发展提供了巨大的推进作用。近年来,随着交通密度的不断增加,运输载荷的不断提高,新材料新技术不断地投入应用,列车的运行速度不断得以提高,由此发展出了高速铁路系统。高速铁路具有安全、舒适、快捷、经济的特点,拥有其他交通工具不可比拟的竞争优势,受到各国铁路部门的重视。我国高速铁路起步较晚,但发展迅速,目前的运营里程已居世界第一。列车运行速度的提高使得车辆与轨道间的相互作用加剧,系统动态环境恶化,因此迫切需要深入研究高速列车与轨道的相互作用机制,为高速列车的安全运行保驾护航。本文在前人研究的基础上,针对高速铁路系统动力学模型进行了改进,使其更符合高速列车实际的工作情况,并利用该模型进行了工程实例分析,为高速铁路系统的设计提供了理论指导。本文主要研究内容如下:(1)首先针对高速铁路系统进行动力学建模,加入轴承模型,该模型能够把高速铁路系统的垂向和横向振动耦合起来进行研究,使得系统动力学模型更能反映现实,接近真实,并确定了耦合动力学方程的求解方法。(2)对轮轨接触模型进行了详细的探讨,首先通过确定轮轨接触点的实际位置来确定轮轨空间接触的几何关系,然后对轮轨法向接触力和轮轨蠕滑力的求解进行了介绍,通过轮轨空间接触模型将车辆系统和轨道系统紧密地联系起来。(3)针对列车运行过程中的轮轨典型激扰模型进行了介绍分析,阐明了轨道不平顺的相关特性,对中外轨道谱进行了比较分析,并介绍了对轨道不平顺功率谱进行数值模拟的方法,保证了系统激励的准确性。(4)针对轴承动力学模型的耦合特性设计了实验验证,通过把从轴承振动实验台所测得的动力学响应参数与数值仿真获得的结果进行比对,从而验证轴承耦合动力学模型建立的合理性。(5)将所建立的系统动力学模型带入工程实例分析,考虑轮轨接触关系,分析轨道不平顺激励下的系统动态特性,并对列车不同运行速度和系统动力学参数的影响进行了探讨。

关键词： 轮轨   滚动接触   接触应力   疲劳寿命  

摘要： 为了研究CRH5型动车组轮轨在实际滚动接触过程中的受力情况以及由于循环应力作用而产生的疲劳问题,采用大型有限元模拟分析软件ABAQUS对轮轨在实际工况下的运行进行仿真模拟,结合滚动接触理论,分析不同轴重梯度、湿滑条件下不同摩擦系数以及不同驱动扭矩下轮轨滚动接触接触区域的应力应变响应,得出轴重、各润湿条件下摩擦系数、扭矩对轮轨滚动接触行为的影响规律;基于滚动接触疲劳强度理论,采用S-N曲线折减法和疲劳分析软件Fe-safe对车轮滚动接触疲劳寿命进行了预测。研究结果表明,随着轴重载荷的增加,轮轨接触部位等效应力、轮轨横截面剪切应力、轮轨接触区域的真应变和剪应变均增大,车轮所受等效应力随距表深度的增加而减小,最大等效应力出现在距表深度为1-10 mm范围,而钢轨则呈先缓慢增大后持续减小,应力最大值出现在距表深度12 mm左右,最大真应变出现的位置并不随轴重的变化而转移,此位置在轮轨接触区域车轮深度方向15-20 mm范围;随着湿滑条件下摩擦系数的增大,轮轨接触区域最大Mises应力呈非线性变化,轮轨间的垂向力则随摩擦系数的增大缓慢增大,轮轨接触区域的最大横向、垂向、纵向剪切应力均随摩擦系数的增大而增大,不同的是最大垂向、纵向剪切应力值明显大于最大横向剪切应力,同时最大垂向、纵向剪应力产生的位置会随着摩擦系数的增大不断向表面扩展,这也解释了轮轨次表面受力大,但在表面易出现磨损、起裂现象的原因;驱动扭矩的变化对轮轨滚动接触区域的最大Mises应力、最大横向剪切应力及其分布不产生影响,最大纵向剪切应力随扭矩的增大而增大,且呈现出向轮轨接触面移动的态势。通过S-N折减法计算出:不同轴重下的车轮寿命在6×107次至9×107次循环范围,行驶距离均满足三级以上检修周期要求,湿滑条件不同摩擦系数对应的车轮寿命在6×109次至8.9×109次循环内,属于超高周疲劳,行驶距离达到四级107km检修要求,同时解释了润滑对提高轮轨滚动接触疲劳寿命的重要性;用Fe-safe疲劳分析软件计算疲劳寿命,并对计算结果进行修正,得到不同轴重下轮轨疲劳寿命在6.43×107次至8.10×107次循环范围,属于高周疲劳,理论行驶距离满足三级106 km检修要求,数值计算结果与折减法计算的车轮寿命结果相吻合。

关键词： 轮轨力   有限元   连续测量   小波包   EEMD   车轮扁疤  

摘要： 随着列车的速度与轴重日益的提高和增加,轮轨关系变得更加激烈和复杂,铁路运输的安全形势变得更加严峻,所以轮轨力的准确实时测量显得尤为重要。轮轨力测量的方法中,地面测量轮轨力是比较精准和低成本的方法之一,通过组桥贴片,连接测试系统,从而记录和分析轮轨接触力的状态,判断是否出现安全隐患。列车在运行过程中,轮轨接触变化是非常复杂的。变化的接触作用导致了列车车轮和钢轨不同程度的缺陷。列车车轮和钢轨的缺陷将影响行车的稳定性、安全性,舒适性以及轨道的各部件的使用寿命。本文在中国铁路高速发展的背景下,以轮轨垂向力连续测量和车轮扁疤识别为主题,主要进行了如下的研究工作:1.利用ABAQUS有限元软件建立车轮-钢轨有限元模型,得到不考虑车轮扁疤和轨道不平顺的轮轨作用力仿真结果。在模型分析中,通过提取钢轨垂向位移和振动加速度以及弹簧变形量来分析列车无缺陷车轮行驶情况下,不同车速时,列车对钢轨状态的变化影响。结果显示了,不同车速对钢轨垂向位移变化的影响非常小,而钢轨振动加速度随着车速增大而增大。同时,车速对弹簧的变形量影响不明显,即对弹簧模拟的钢轨扣件的扣压力影响不大。2.提出了连续测试轮轨力的方法,建立有限元模型进行仿真分析,并且通过与缩尺模型试验数据进行对比,证明了理论和仿真模型的可行性和正确性。将本方法应用于实际地铁线路,并且得到了实际的轮轨力应变信号。为消除采集信号中存在的高斯白噪声,通过用小波包降噪结合EMD解相关算法,对实验仿真信号和实测的轮轨力应变信号进行分析处理。证明了该方法在信号降噪,提高信号分析的精度,突显信号的特征方面的有效作用。3.运用有限元软件建立了车轮扁疤的有限元模型,分析了车轮不同扁疤长度的轮轨冲击力特性,得出了轮轨冲击力随着车轮扁疤长度的增加而增大的结论。利用EEMD的分解方法来分析车轮扁疤引起的轮轨冲击力特征,进而对车轮扁疤进行识别。

关键词： 车桥耦合   轮轨蠕滑作用   面接触   蠕滑率   LS-DYNA   轨道不平顺  

摘要： 桥梁是高速铁路线路上的重要一部分,其在高速铁路线路上大量使用。列车过桥时轮轨接触作用是车桥耦合产生的本质原因,有别于传统车桥耦合的点接触滑动,面接触和滚动蠕滑作用能更加真实地模拟实际列车运行时的轮轨接触状态,因此研究基于轮轨面接触的滚动蠕滑作用对车桥耦合振动效应的影响有非常重要的意义。本文首先将诸多传统车桥耦合方法进行对比,并运用ANSYS软件在平顺条件下以及不平顺条件分别下对几种传统方法进行验证,分析车桥耦合的基本特性。再通过LS-DYNA有限元软件建立三维面接触车桥耦合模型运用显式积分算法进行运算,与传统的点接触模型进行比较发现平顺条件下两者结果一致,这就证明了面接触算法的合理性,适用性,而不平顺条件下点接触算法有局限性,其结果会相对偏大。然后,介绍轮轨滚动接触蠕滑理论,将蠕滑作用引入车桥耦合振动分析中,在LS-DYNA面接触的模型基础上建立三维车桥耦合模型并在计算分析中加入轮轨蠕滑接触作用,分别讨论平顺条件下不同蠕滑率,不同接触面摩擦系数对车桥耦合振动效应的影响,以及轨道不平顺情况下蠕滑作用对车桥耦合振动效应的影响。得出结论:平顺条件下蠕滑作用影响桥梁的水平受力并会使跨中挠度增大;随着摩擦系数增大蠕滑作用会增大,其不利影响也会增大;不平顺条件下,蠕滑作用不仅影响桥梁的水平受力也会影响其垂向受力,对车桥耦合造成更大的不利影响。

关键词： 轮轨   曲线半径   重载运输   货物运输   轮轨磨耗   损伤行为   影响因素分析  

摘要： 本文针对国内外重载运输运用情况、重载运输轮轨伤损的原因及影响因素,提出轮轨损伤问题的防范和治理措施的解决方案。在重载铁路运输行业起到提升重载列车综合性能、铁路劳动生产率和铁路车辆运行安全性的作用。如付诸现实将产生较大的社会效益和经济效益。

关键词： 滚动接触疲劳   直裂纹   斜裂纹   动态应力场强度因子   显式有限元法  

摘要： 随着列车速度的提高和轴重的增加,轮轨间滚动接触疲劳已逐渐成为国内外钢轨损伤的主要形式之一,若处理不及时,疲劳裂纹将持续扩展最终导致断轨和崩轮,因此对于钢轨表面疲劳裂纹的萌生和扩展研究显得尤为重要。随着计算机技术的发展,在过去的几十年里,部分学者基于Abaqus和Ansys等有限元软件研究钢轨表面裂纹的扩展行为,也有学者基于Sympack等动力学软件研究钢轨的疲劳寿命,但大多数是建立静态或准静态模型研究二维裂纹问题。正因为之前学者研究的不足,本文中采用虚拟裂纹闭合技术研究三维裂纹的瞬态扩展行为,为理解滚动接触疲劳的扩展机理和优化其防治措施提供支撑。为了研究三维裂纹的瞬态扩展行为,本文基于国内某条高速线路,采用ANSYS-LS/DYNA建立了考虑钢轨表面疲劳裂纹的三维轮轨瞬态滚动接触模型,于时域内分析了轮轨滚滑作用下疲劳裂纹的瞬态扩展行为。模型中可以充分考虑轮轨的几何型面,轮轨间和裂纹面接触均采用"面-面"接触算法定义,切向接触满足库伦摩擦定律。本文通过设置该"面-面"接触来求解轮轨间和裂纹面间的法、向瞬态滚动接触响应,并且可求得轮轨接触斑内的"粘-滑"分布,分析车轮滚过裂纹缺陷处的高频响应,再现车轮滚过裂纹缺陷时的冲击行为,着重分析轮轨间、裂纹面间接触解和裂尖应力场强度因子。本文中计算裂尖应力场强度因子采用虚拟裂纹闭合技术,不考虑裂纹面之间的间隙,即两个裂纹面上的离散节点完全重合。本文计算过程中主要分为两步,首先基于裂尖节点力和裂尖附近重合节点的位移差计算出应变能释放率,然后基于应变释放率和应力场强度因子的相互关系计算出KⅠ、KⅡ和KⅢ。由于模型中建立了三维裂纹,其裂尖均由一些离散的节点构成,故可以研究裂尖应力场强度因子沿裂尖的分布情况。为了验证模型的必要性,本文建立了带三维裂纹的静态模型,主要方法是将车轮平行的移动到钢轨表面的不同位置,并求得轮轨间、裂纹面间接触解和裂尖应力场强度因子。同时,本文也采用动态模型求得相同裂纹尺寸下的结果,将静态计算的结果与动态进行对比,最终发现发现利用静态模型计算得到的结果要比动态低,主要是由于静态裂纹模型中忽略了车轮滚过裂纹时产生的瞬态冲击力。对模型进行验证分析后,本文考虑较为简单的模型,即钢轨表面存在直裂纹的三维轮轨瞬态滚动接触模型,并且考虑了列车在牵引状态下,裂纹面摩擦系数、轮轨间粘着系数、裂纹深度和列车速度对于轮轨间和裂纹面接触力以及裂尖应力场强度因子的影响,得出的主要结论如下:轮轨滚滑状态下,直裂纹均闭合,其KⅠ值为0。当裂纹面摩擦系数由0变化到0.5时,|KⅡ|max降低了 20.66%,|KⅢ|max降低了 18.53%;轮轨黏着系数在0-0.5之间变化时,|KⅡ|max变化了 3.98%|KⅢ|max降低20.8%;当裂纹深度由0.5mm增大到3mm时,|KⅡ|max增大30.88%,|KⅢ|max降低20.06%;当列车速度在250-350km/h范围内变化时,轮轨间和裂纹面接触力以及裂尖应力场强度因子不发生变化。在实际的现场调查中很少存在直裂纹的情况,大多数是与轨面成一定夹角,因此为了进一步贴合实际,本文建立了带钢轨表面斜裂纹的三维瞬态轮轨滚动接触模型,考虑轮、轨均为线弹性材料时,列车处于牵引状态下,斜裂纹角度、斜裂纹长度和牵引系数对于钢轨表面斜裂纹瞬态扩展行为的影响。基于所得结果,可以得到以下结论:在不同的倾角下,斜裂纹均处于闭合状态,其KⅠ值均接近0,在所研究的四个角度下,以等效应力场强度因子Keq为评判标准,其值先降低后增加,在α=30°时达到最大,α=75°时达到最小,两者相差25.18%;牵引系数由0增大到0.4时,裂纹将会张开,裂尖应力场强度因子|KⅡ|max和|KⅢ|max幅值分别增大了 48.81%和 25.76%。最后,在考虑了直裂纹和斜裂纹的瞬态扩展行为后,本文对已经研究的内容进行总结并基于已有成果对未来研究进行了展望。

关键词： 地铁车辆   型面匹配   有限元   动力学   型面优化  

摘要： 轮轨关系问题一直是城市轨道交通的重要研究课题,伴随着我国地铁建设的大量开展,地铁线路轮轨的磨耗问题将会更加严重,其中地铁直线段线路长度占地铁总线路长度很大比例,车轮踏面与钢轨轨顶处的型面配合情况将决定轮轨的磨耗速度。地铁车辆高速行驶时在某些直线地段上车辆的平稳性能较差,极大的影响了乘客乘车的舒适性。良好的轮轨型面匹配不仅可以减少轮轨磨耗、提高车辆运行平稳性,同时可以减低城市轨道交通的运行成本,提高地铁的运营效益。本文以北京六号线地铁车辆和某段直线线路作为研究对象,通过对现场实测获得了大量不同磨耗程度的轮轨型面,并挑选出具有代表性的磨耗状态型面。对标准/磨耗轮轨型面进行交叉匹配并建立了四组轮轨接触三维有限元模型,计算分析了空载、定员和满员的地铁车辆在不同轮对横移量下的轮轨接触斑和最大轮轨等效应力。利用动力学软件SIMPACK分别对四组轮轨型面匹配下,不同载员和不同速度时地铁车辆直线段运行时的临界速度、轮轨作用力、车辆平稳性与舒适度和轮轨磨耗功率等动力学性能进行分析。根据轮轨接触情况和动力学性能的分析对地铁直线段钢轨型面进行优化,分别用标准/磨耗车轮型面与优化后钢轨型面进行匹配,计算并分析了车轮与优化后钢轨的接触情况和车辆动力学性能。结果表明:优化后轨顶和钢轨侧面的接触情况得到有效改善,优化钢轨型面后车辆的临界速度、横向平稳性和舒适性提高,轮轨横向力和磨耗功率均有所降低。为地铁直线段轮轨的减磨、提高车辆运行平稳性和钢轨型面优化提供一定的理论依据。

关键词： 轮轨接触   精确理论   接触算法   二次收敛  

摘要： 轮轨之间的接触，包括单点接触、多点接触和共形接触。在直线地段，主要以轨顶面的单点接触形式存在，当列车通过小半径曲线地段时，车轮轮缘会与钢轨轨距角撞击，容易出现多点接触，在周期性荷载作用下，钢轨轨距角位置会快速磨耗，随着通过总重的增加，磨耗达到一定值时，轮轨接触发展为共形接触接触。多点接触、共形接触其接触面的法向方向不一致，均属于非平面接触，对非平面接触的研究能够更加精确掌握轮轨接触状态，为钢轨轨距角的磨耗预测、疲劳分析等提供支撑。目前对于非平面接触的研究，一类是按照赫兹型的接触理论，虽然考虑了接触面的几何形状，但这类方法没有将轮轨滚动考虑在内;另一类是采用精确理论求解，但其采用的影响系数和求解算法均忽略了几何形状，仍然以平面的方法来处理，对于轨顶面接触近似平面处处理误差较小，但轨距角接触作为平面接触将产生较大的误差。　　本文以精确理论为基础，针对非平面接触，考虑了法向与切向之间的相互作用，引入接触面的法向角对影响系数进行修正，并利用接触条件和牛顿拉弗逊迭代对接触方程进行求解，提出一种应用精确理论求解非平面接触问题的方法。　　本文主要研究内容如下：　　(1)在非平面空间下，以平面空间的位移解析解为基础，依据接触面的真实几何形状，对非平面下的弹性影响系数进行修正，使其将法向与切向之间的相互作用均考虑进来;(2)以精确理论为基础，推导在非平面接触条件下，当法向与切向存在相互作用时，接触的最小余能方程表示形式，并提出以总余能最小为目标的求解算法，避开了法向与切向余能相互独立求解造成的误差;(3)对同一接触问题，对比考虑接触面真实形状和不考虑接触面真实形状两种情形下的结果，分析以平面接触处理共形接触时带来的误差;最后以重载铁路为例，分析了随着磨耗的发展，共形接触下接触应力和接触斑的演变过程。　　本文主要研究成果如下：　　(1)依据接触面的真实几何形状，利用局部坐标的法向角对非平面下的弹性影响系数进行修正，使其将法向与切向之间的相互作用考虑进来;(2)推导在非平面接触条件下，当法向与切向存在相互作用时，接触的最小余能方程表达形式，总余能最小时接触方程的解;依据KKT最优必要条件，推导了余能最小时接触应力方程组，利用互补松弛条件因式为零的特性对三次方程进行降维，使方程组满足牛顿-拉夫逊的二次收敛条件;(3)采用CONTACT对本文的接触算法进行了验证，结果表明，二者接触应力分布和大小以及接触斑的形状相吻合，说明本文所提出的接触算法的可行性;(4)对同一接触问题，对比考虑接触面真实形状和不考虑接触面真实形状两种情形下的结果，结果表明按共形接触考虑时，接触斑的形状为非椭圆形，且接触面积更大，主要体现在接触斑沿钢轨作用边方向拓宽，且拓宽范围内均为滑动状态;(5)对重载铁路磨耗型面的共形接触计算分析，结果表明，在钢轨磨耗初期，容易形成两点接触，且靠近轮缘位置的接触斑更加细长，接触应力大，随着通过总重的增加，磨耗的增长，接触斑逐渐横向两侧发展，由两点接触变成共形接触，接触应力也随之减小。

关键词： 快速客运机车   重载机车   轮轨间隙   跨线运输   薄轮缘踏面   动力学性能  

摘要： 作为我国铁路最主要的发展趋势,客运高速化和货运重载化备受瞩目。针对高速化,出现客运专线和既有线的大量共存的局面,快速客运机车跨线运输,可以充分发挥两者的作用。在重载化方面,重载机车踏面的磨耗问题相对严重,踏面磨耗到一定程度后,以检修用标准薄轮缘踏面型面对踏面进行等级镟修,可以提高轮对整体使用寿命。因此,考虑轨距和轮对内侧距的公差极限及不同轮缘厚度标准踏面,引起轮轨间隙变化时,对快速客运机车跨线运行安全性及重载机车检修薄轮缘踏面的适用性进行研究具有重要意义。在快速客运机车跨线运行研究中,针对某200km/h速度等级Bo-Bo轴式快速客运机车,基于多体系统动力学软件SIMPACK建立了该机车动力学模型,选取客专四种轮轨间隙极限工况(轮轨间隙变化范围为11.51～35.99mm)进行动力学性能研究。发现四种不同间隙工况下,该机车蛇行稳定性、直线运行性能及曲线通过性能均能满足跨线运行安全性的要求;从动力学性能角度考虑,普通机车的薄轮缘踏面检修方案也适用于该跨线运行快速客运机车;对于该机车大间隙下的横向稳定性能,采用不同方法进行仿真研究,发现:随着轮轨间隙的增大,横向稳定性下降,从轮轨最小间隙到最大间隙工况线性临界速度下降9.6%,非线性临界速度下降30%左右;轮轨间隙对该机车直线运行时的横向性能有一定程度的影响,在较大轮轨间隙情况下略有恶化;在曲线通过时,轮轨间隙对机车的横向性能影响较为明显,在较大间隙情况下机车横向性能恶化;垂向性能几乎不受轮轨间隙的影响。重载机车检修用标准薄轮缘踏面适用性的研究中,基于SIMPACK软件平台模拟该机车动力学性能,选取既有线四种轮轨间隙极限工况(轮轨间隙变化范围为9～40.99 mm)对该机车动力学性能进行仿真分析。结果表明,即使在间隙极限工况下,该重载机车检修用标准薄轮缘踏面适用性良好;伴随轮轨间隙的增加,蛇行临界速度的下降相对明显,轮轨间隙最小工况到轮轨间隙最大的工况,重载机车非线性临界速度下降超过40%;直线线路上机车的横向性能对轮轨间隙敏感,机车的垂向性能对轮轨间隙不敏感;曲线通过时,随着轮轨间隙增大,机车动力学性能变差;轮轨间隙对机车磨耗影响显著,最小轮轨间隙机车轮缘磨耗指数及导向轮磨耗功率分别为最大间隙工况的25.6%和18.9%以下。