关键词： 有轨电车   固定辙叉   轮轨接触   瞬态响应   黏滑分布   析因设计  

摘要： 有轨电车3号道岔固定辙叉旨在为行驶的列车提供连续的滚动接触面,这使得车轮踏面与轮缘之间轮轨接触点的过渡比普通辙叉更加复杂,特别是轮缘承载期间和过渡期间的多点接触,轮载将从踏面传递到轮缘再回到踏面,导致了严重的轮轨摩擦滚动接触行为和轮轨冲击。然而目前尚未有对这种轮缘承载式辙叉的动力学研究,为了更深入理解列车通过有轨电车3号道岔固定辙叉时瞬态滚动接触行为的机制,并为有轨电车3号道岔固定辙叉的设计优化提供一定的理论指导,本文系统分析了有轨电车3号道岔固定辙叉结构不平顺激励下轮轨的瞬态响应。主要工作如下: (1)介绍了有轨电车的研究背景,阐述了岔区轮轨摩擦滚动接触及车辆-道岔动力学的研究现状,并指出深入研究有轨电车3号道岔固定辙叉轮轨瞬态响应的必要性。 (2)基于显式动力学有限元理论,建立了有轨电车3号道岔固定辙叉瞬态滚动接触有限元模型,并计算了轮载过渡前轮轨的垂向作用力。 (3)以时速25km的轮对直逆/顺向通过有轨电车3号道岔固定辙叉为例,详细分析了轮轨宏观动态相互作用以及微观接触解,进而分析车轮滚过3号道岔固定辙叉真实的滚动姿态。 (4)基于仿真模型,对3号道岔固定辙叉进行关键结构参数的动力仿真,探索轮缘槽深、轮缘槽坡度角对轮轨动态响应的影响,为3号道岔固定辙叉的结构参数设计提供一定的理论依据。 (5)为了探明影响有轨电车3号道岔固定辙叉瞬态滚动接触及伤损行为的关键因素,利用正交表设计方法和图形分析法,研究了多个参数对有轨电车3号道岔固定辙叉瞬态滚动接触行为的影响,确定了轴重、速度是关键因素,并分析了其对轮轨瞬态滚动接触及伤损的影响。

关键词： 轮道接触   摩擦热   粘着力   ABAQUS   耦合温度位移   污染物  

摘要： 铁路运输是一种可靠、快速和安全的交通方式,具有能耗低、环保、容量大、安全性高以及能够适应恶劣天气条件等显著优势。铁路系统由众多组件构成,其中车轮和轨道是系统中重要的组成部分,其不仅要承受轴向载荷、摩擦载荷以及热负荷,还要应对牵引和动态载荷等各种负荷条件。车轮和轨道之间的接触形式主要为滑动、滚动或旋转,由于接触面积小而承受高度集中的应力,因此会产生复杂的轮轨相互作用。这些应力会引起磨损、滚动接触疲劳、点蚀、剥落、蠕变、波状磨损和车轮变形等问题。车轮和轨道之间的接触是一个开放的摩擦学系统,轨道上的水、树叶和人工杂物等污染物会导致附着力下降、表面损伤、疲劳寿命缩短等问题,这对铁路网络的安全和性能有着重要影响。低附着力会导致牵引问题(如车轮打滑),从而导致性能下降、无法正常加速等操作问题,延长运行时间,造成延误等。而制动时低附着力(车轮打滑)会导致制动距离延长、信号未能停止、站台超车等问题,造成安全隐患。由于车轮-轨道系统处于开放环境中,因此适当的粘着力控制对于正常的牵引和制动至关重要。许多研究人员研究了环境因素对车轮-轨道附着力的影响。当高速列车的牵引或制动超过可用附着力时,车轮和轨道之间将会发生明显的滑动,而滑动将导致车轮和轨道的接触温度显著升高,温度的升高则会导致车轮或轨道产生严重的磨损,甚至使车轮和轨道的材料相变导致表面开裂,最终导致车轮-轨道损坏和剥落。在正常高速运行下,车轮和轨道之间的蠕滑也会使车轮和轨道表面的温度迅速升高,使车轮和轨道材料软化并严重降低车轮和轨道之间的附着力。因此,研究由摩擦热效应引起的车轮-轨道黏着特性对于铁路系统的安全运行具有重要意义。第二章:文献综述本章节广泛讨论了关于轮轨接触中的各种轮轨表面损伤、轮轨温度和摩擦热效应、轮轨粘着以及轮轨接触处的第三介质层等的研究。轮轨系统的热负荷主要来源于两方面:轮轨蠕滑和制动。这些负荷会导致接触区域温度升高,从而导致轮对和轨道的损伤。这些损伤包括热裂纹、热斑、滚动接触疲劳、疲劳裂纹、磨损、剥落或磨耗、轮缘变形、平面轮胎和过热轮。热裂纹是由于交替的加热和冷却而产生的,是最严重的损伤。热斑是由制动引起的高应力和温度梯度导致的局部损伤。滚动接触疲劳裂纹通常在车轮表面形成,并可能导致剥落。疲劳裂纹通常起源于轮子中的损伤,也可能由热裂纹发展而来。剥落或磨耗是指轮胎表面的金属碎片脱落,是由热损伤、打滑或过度应力引起的。磨损是当两个物体摩擦接触时车轮直径减小的损伤形式。很多手段可以最大限度低地减少磨耗,比如调整轮子的对准度、润滑形式、使用相似的轮子和轨道材料以及适当的机械设备状态。列车制动时,车轮和轨道之间会产生滑动接触,由于摩擦热效应,导致车轮-轨道接触区域的温度迅速升高。然而,制动过程中车轮和轨道的温度预测是一个复杂的过程。首先,需要建立制动块的摩擦特性模型,用以估计给定列车运行和制动行程下的热量生成率。这涉及到考虑制动块材料、车轮和轨道之间的复杂相互作用,以及列车的动态行为。其次,必须解决运动热源的问题,估计制动块、轨道和车轮产生的热量比例。这需要理解制动块产生的热量是如何传递到车轮和轨道的,并且如何通过对流和辐射散热到周围环境中。计算轨道车辆牵引和制动过程中车轮-轨道的温度,主要有以下三类方法:解析、数值和实验方法。其他车轮-轨道温度计算方法包括传热系数法和热量分配法。解析方法涉及使用方程式和文献数据,根据已知输入(例如摩擦力、速度和其他运行条件)计算车轮和轨道的温度。通常这些方法求解速度快且易于使用,但可能不能保证结果的高准确度,也可能不适用于所有类型的轨道车辆和运行条件。用于模拟牵引和制动过程中车轮-轨道温度的解析方法主要有 T?g?ker-Lundberg 方程,Cattaneo-Vernotte 方程和 Biot-Wilke方程。数值方法涉及使用数值求解方法处理热传递方程,例如有限元分析、有限差分法或边界元法。这些方法通常比解析方法更精确,但需要消耗更多的计算资源,并且更难应用。实验方法涉及使用热电偶或红外摄像机在实际列车运行过程中测量车轮和轨道的温度。这些方法提供的结果最准确,但成本较高,并且在实践中难以实现。在铁路行业中,轮轨粘着和蠕滑是两个不同的基本概念。粘着是指轮轨表面之间的切向力,这个力推动轮子沿着轨道运动,或在制动力矩作用下阻碍轮子的运动。轮轨接触是一个开放的系统,易于受环境条件的影响,例如污染物、温度、湿度等,这些因素会影响附着、摩擦和磨损过程。污染物可能是在轨道上自然形成的(例如雨水、雪、湿度和生物材料如树叶和氧化物),也可能是人为添加到轮轨界面上的(例如润滑剂/润滑脂、牵引胶、摩擦改性剂)。接触体之间的摩擦过程会产生热量,也会影响接触表面的特性。目前,有许多关于粘着损失原因的研究,其中包括水(来自降雨或露水)、湿度、树叶、氧化物、磨损碎片和油污

关键词： 重载铁路   钢轨磨耗   摩擦调节剂   车辆动力学   磨耗指数  

摘要： 重载铁路以运量大、成本低、污染少、效率高等特点,在世界各国大宗货物贸易中扮演着愈发重要的角色。但在大力发展重载铁路的同时,随着列车轴重的增大、车辆编组的加长和行车速度的提升,重载铁路轮轨磨耗现象日益严重。在轮轨间涂敷摩擦调节剂不仅是一种可以降低轮轨磨耗的有效方法,也可以改善车辆曲线通过时的动力学性能。但是由于摩擦改进剂的作用效果与线路状态、车辆型号、轮轨材料、运用工况等诸多因素有关,需要深入研究轮轨摩擦调节剂作用效果的影响因素,从而更合理地使用摩擦调节剂来提高重载铁路列车的动力学性能和经济效益。然而目前在实际轮轨廓形匹配条件下,轮轨摩擦调节剂对重载铁路小半径曲线的作用效果的研究尚不充分,因此有必要对重载铁路小半径曲线使用摩擦调节剂的作用效果进行仿真研究。 本文对重载铁路R500的小半径曲线路段钢轨廓形进行了现场测试,并在对测试结果进行分析的基础上,利用SIMPACK软件建立了C80重载车辆系统动力学仿真模型,以研究车辆通过小半径曲线时的轮轨接触和车辆动力学性能。简要介绍了C80型运煤专用车K6型转向架的特点,以及C80-ZK6在软件中的建模特点,选用脱轨系数和轮重减载率作为评定指标,阐述了对钢轨综合摩擦控制策略的仿真实施方法,用来仿真研究8种不同摩擦控制策略下,摩擦调节剂在重载铁路曲线段的作用效果。 通过仿真模型,研究了在新轮新轨状态时,重载车辆运行在小半径曲线时内外轨侧车轮的动力学性能相关指标和磨耗指数。得出在8种不同摩擦控制策略下,无论是否有外轨轨侧涂油,两侧轨顶涂摩擦调节剂不仅可以有效减小车辆外轨侧车轮的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力,而且大大降低了内外轨侧车轮的磨耗指数。相比无轨侧涂油的4种摩擦控制策略,大部分无轨侧涂油的摩擦控制策略配合外轨轨侧涂油之后,虽然会增大车辆内外轨侧车轮的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力,但能减小车辆内外轨侧车轮的磨耗指数。 利用仿真模型分析了钢轨廓形处于前、中、后三种磨耗时期的轮轨状态条件下重载车辆运行在小半径曲线时内外轨侧车轮的动力学性能相关指标和磨耗指数。得出在8种不同摩擦控制策略下,相比无摩擦控制,内轨轨顶涂摩擦调节剂和两侧轨顶涂摩擦调节剂均能有效降低车辆内外轨侧车轮的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力和磨耗指数。相比无轨侧涂油的4种摩擦控制策略,大部分无轨侧涂油的摩擦控制策略配合外轨轨侧涂油之后,虽然稍微增大车辆内外轨侧车轮的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力,但在钢轨不同磨耗时期均能明显减小车辆外轨侧车轮的磨耗指数。 对比分析了在不同轨底坡和不同车辆速度的条件下,重载车辆运行在小半径曲线时内外轨侧车轮的动力学性能相关指标和磨耗指数。得出了当车辆以不同速度通过时,对比均衡速度,摩擦调节剂在过超高速度条件下对轮重减载率的影响效果更明显,而在欠超高速度条件下效果相对较弱。当车辆通过不同轨底坡时,摩擦调节剂对大部分车辆脱轨系数和纵向蠕滑率影响效果较小,无论外轨轨侧是否涂油,外轨轨顶摩擦调节与两侧轨顶摩擦调节均可以明显降低车辆内轨侧车轮的磨耗指数,且随着轨底坡的增大时,两侧轨顶摩擦调节对磨耗指数的降低效果较明显。

摘要： 沈志云的一生与铁路密不可分，无论是求学还是工作，是教学还是科研，始终没有离开过轮轨，可谓“一片丹心在轮轨”。在一本写于30年前、近百页的科研笔记里，详细梳理了各国高速铁路的技术特点、发展情况、各项配套设施和系统，以及各种国际性会议的讨论内容等。这本笔记的作者就是我国高速铁路领域的先驱科学家之一，中国科学院院士、中国工程院院士沈志云。沈志云的一生与铁路密不可分，无论是求学还是工作，是教学还是科研，始终没有离开过轮轨，可谓“一片丹心在轮轨”。

关键词： 轮轨接触力   识别方法   有限元模型   轮轨力对比   不连续型轨道  

摘要： 轮轨系统是铁路及城市轨道交通运行的重要组成部分,但其在运行效率和安全性等状况上目前仍然存在诸多挑战需要解决。其中,与行车安全性相关的很多动力学指标如脱轨系数、轮重减载率等的计算都与轮轨接触力密切相关。由于轮轨接触冲击力的作用,轨道结构出现剧烈的振动、噪声和应力,对行车安全及车轮、轨道结构使用寿命造成了严重的威胁。因此,准确测量轮轨力对于理论分析和实践应用具有极其重要的作用。通过地面装置采集的轮轨力数据,可以实时监测列车的运行状态,并对其动力学特性进行准确评估,是顺利实施车辆状态检修的重要手段和途径之一。基于此,本文的主要内容包括以下几个方面:(1)提出了一种基于轨道动力响应的Newmark-α显式表达移动荷载(轮轨力)时域识别方法,分别推导得到了以位移响应以及应变响应为主的荷载识别传递矩阵方程,并通过最小二乘法以及正则化方法有效解决了方程病态问题。(2)建立普通板式轨道结构有限元模型,基于位移及应变响应分别论证了单移动荷载以及多轮对移动荷载识别情况。对比了最小二乘法以及正则化方法以模拟响应为主的荷载传递矩阵方程求解结果的优劣性,同时分析了测量噪声、车速及采样频率等主要外在影响因素对该荷载识别方法的影响。得到在有误差影响时,正则化方法比最小二乘法求解精度更高,降低噪声误差影响的效果更好,因此在后续模型求解中均选用了正则化求解方法。(3)通过实测应变数据,将识别轮轨力与波数域法计算轮轨力数据对比,识别轮轨力与波数域法轮轨力在各频率上的数值基本对应吻合,表明该方法识别轮轨力准确可靠。最后通过对识别轮轨力做频谱分析,得到其振动主要频率。(4)借助ANSYS有限元软件建立了更精细化的三维不连续轨道结构模型,通过ANSYS平台有效解决了复杂K、M、C矩阵的建立求解,并证明了该方法在复杂不连续轨道结构上的轮轨力识别可行性。同时通过对不同位置测点和不同频率的移动荷载识别结果分析,得到移动荷载通过钢轨向轨下基础传递时,频率越大的移动荷载越不容易向下传递,且以钢轨上测点直接来识别轮轨接触荷载效果最佳。

关键词： 电线支架   弹性振动   高速列车   轮轨激扰   疲劳强度  

摘要： 随着我国高铁的不断发展,对高铁安全性和舒适性的要求也在不断提升。转向架作为动车组的重要组成部分,其零部件如电线支架的安全性和可靠性对高铁的安全性和舒适性至关重要。而安全性和舒适性则主要体现在弹性振动发生时的相关数据限值,当超过某一限值则易于产生不适甚至发生危险。因此,本研究拟定某型高速动车组,利用弹性电线支架作为衡量振动情况的关键节点,在以往的研究基础上,建立合适的车辆系统动力学模型,以求分析多种激扰缺陷的存在对于高铁弹性振动的影响。论文主要研究内容如下: (1)本文对电线支架进行柔性化处理,以弹性电线支架作为衡量振动情况的关键节点,建立合适的车辆系统动力学模型,通过仿真得到电线支架和轴箱垂向振动加速度,相同激扰情况下,电线支架振动更加明显,振动加速度幅值更大,同时,根据限制加速度100g以下提出的轮轨激扰限值,电线支架的限值更为苛刻。 (2)研究车轮多边形、扁疤以及钢轨波磨对结构弹性振动影响,提出抑制电线支架结构弹性振动的车轮多边形和扁疤及钢轨波磨控制限值。对电线支架危险节点动应力进行仿真计算,根据限制等效应力70MPa以下提出轮轨激扰限值,对比相同工况下根据加速度提出的限值。以加速度提出限值,18至24阶车轮多边形幅值限值建议为0.020mm以下;以应力提出限值,18至24阶车轮多边形限值建议为0.023mm以下。以加速度对250km/h至350km/h速度下车轮扁疤长度提出限值,建议扁疤限值为40mm以下;根据应力提出限值,建议扁疤长度为20mm以下。以加速度对钢轨波磨提出限值时,建议当波长为120mm以上时,波深限值为0.033mm。通过应力对钢轨波磨提出限值,钢轨波磨波长为120mm以上时,波磨波深限值为0.03mm。 (3)研究典型轮轨冲击激扰引起的电线支架振动主频特性,提出系统轮轨冲击振动主频与电线支架弹性模态频率隔离限值或范围。针对电线支架弹性频率设计车轮多边形进行仿真计算,计算当速度变量、阶数变量产生差异时,出现多边形缺陷的车轮其加速度和动应力的幅值变化,提出抑制电线支架弹性振动的隔离频率范围。根据加速度提出抑制其弹性振动的隔离频率为其隔离频率为842Hz至920Hz。根据动应力提出提出抑制其弹性振动的隔离频率限值为小于833Hz。 图126幅,表9个,参考文献92篇。

关键词： 山区铁路   长大坡道   牵引/制动   黏着条件   动力响应   轮轨损伤  

摘要： 随着我国西南山区高速铁路的快速发展,艰险山区高速铁路轮轨动力相互作用问题备受关注。山区铁路坡道数量多且坡度起伏大,沿线具有海拔高、气压低且变化大、雨雪频繁等恶劣气象环境特点,对轮轨系统长期健康服役和行车安全产生不利的影响。因此,充分考虑长大坡道上动车组牵引/制动操纵和复杂轮轨接触界面条件因素,深入研究山区铁路动车组与轨道耦合振动行为、轮轨动态响应特征、轮轨接触损伤等科学问题,对于保障山区铁路安全运营,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。 本文针对长大坡道复杂界面条件下动车组车辆的轮轨动力作用问题,开展了以下研究工作:(1)基于车辆—轨道耦合动力学理论,考虑长大坡道动车组牵引/制动操纵与复杂轮轨摩擦条件,建立了动车组车辆—无砟轨道耦合动力学模型;基于显式有限元法,建立了三维轮轨滚动接触有限元模型;提出了一种多体动力学–有限元联合仿真策略。(2)基于动车组车辆—无砟轨道耦合动力学仿真,分析了坡道坡度对动车组车辆运行性能的影响规律;研究了最大牵引和紧急制动操纵下轮轨相对滑动临界摩擦系数水平;探究了不同防滑控制阈值下的车辆动力响应特征。(3)基于多体动力学–有限元联合仿真,分析了长大坡道区段牵引/制动操纵工况下动车组车辆的轮轨接触应力状态;探讨了纵向蠕滑率和摩擦系数突变幅值对轮轨纵向力及损伤的影响。(4)开展了长大坡道制动区段动车组车辆紧急制动操纵下钢轨波磨和车轮擦伤扁疤对轮轨滚动接触动力响应特征的影响研究,从轮轨损伤的角度划分了钢轨波磨和车轮擦伤扁疤安全控制限值。 研究结果表明:(1)坡道坡度对动车组车辆运行性能影响显著。坡度越大,维持车辆正常运行所需牵引/制动力越大,低黏着摩擦条件下更易发生轮轨滑动现象;定阈值PID防滑控制方法能及时缩减电机输出力矩来减缓滑行程度。(2)长大坡道区段牵引/制动操纵条件下,轮轨等效应力分布呈“蝶形”状;制动状态下钢轨接触区域前沿部分受压,后沿部分受拉,车轮与钢轨受力情况相反,牵引与制动结果相反。(3)车轮从低黏着轨面突然运行至较高黏着水平轨面时,轮轨纵向力会瞬时增大,纵向蠕滑率和摩擦系数突变幅值对纵向力水平变化呈正相关影响。(4)钢轨波磨、车轮擦伤扁疤等典型轮轨磨损对轮轨动力响应影响显著。钢轨波磨波长越短,波深越大,轮轨动力响应越剧烈,从车轮损伤角度得到了长大坡道波磨的安全控制限值。包含严重擦伤扁疤的车轮滚过钢轨时,会出现短暂的轮轨分离现象。从钢轨磨损角度得到车轮擦伤扁疤长度安全限值为28 mm。

关键词： 轮轨接触   蠕滑曲线   数值模拟   车辆系统动力学   钢轨磨耗  

摘要： 铁路运输通过钢轨和车轮之间的黏着-蠕滑来传递牵引/制动力,轮轨黏着特性是影响列车牵引/制动最直接、最重要的因素,描述黏着力或黏着系数与蠕滑率关系的曲线称为轮轨蠕滑曲线。我国幅员辽阔,铁路线路多且线路环境复杂多变,这就意味着铁路系统开放的线路环境不可避免地会遭受“第三介质”的污染。“第三介质”的存在会改变轮轨黏着-蠕滑特性,影响轮轨动态相互作用和轮轨磨耗。轮轨磨耗会改变轮轨型面,影响轮轨接触关系,进而影响行车平稳性,导致车辆晃动,严重时威胁行车安全,且过快的轮轨型面磨耗会缩短镟修周期,增加运营维护成本。因此,考虑实测轮轨蠕滑曲线对车辆系统动力学仿真和钢轨磨耗计算的影响具有重要意义。 本论文主要开展了以下几方面工作: (1)首先分别论述国内外轮轨滚动接触模型、轮轨黏着-蠕滑特性及轮轨磨耗研究现状,明确研究实测轮轨蠕滑曲线对列车曲线通过性能及钢轨磨耗的意义和目的。 (2)基于最小二乘法和遗传算法拟合全尺寸高速轮轨试验台测定的40～400 km/h速度范围实测轮轨蠕滑数据,分别采用Polach模型和修正的FASTSIM算法确定赫兹接触和非赫兹接触下实测蠕滑曲线拟合参数的最优值,将Polach模型拓展到高速低黏着工况应用,并对修正的FASTSIM算法参数进行简化,形成较为系统地确定实测蠕滑曲线参数的方法,可服务于车辆系统动力学仿真和轮轨磨耗计算。 (3)通过SIMPACK动力学软件建立车辆系统动力学模型,将第二章中Polach模型拟合参数输入动力学模型模拟实测轮轨蠕滑曲线,理想条件蠕滑曲线则通过FASTSIM算法中摩擦系数取为恒定值模拟,研究轮轨蠕滑曲线对列车曲线通过性能的影响,并进一步分析不同速度下实测蠕滑曲线与理想条件蠕滑曲线下动力学行为及蠕滑行为的差异,研究实测蠕滑曲线下曲线半径、超高对列车曲线通过性能的影响。研究表明,实测蠕滑曲线会影响轮对横移量、轮对摇头角及轮轨蠕滑力等动力学指标,且不同速度下实测蠕滑曲线与理想条件蠕滑曲线对应动力学结果均存在明显差异。 (4)输出车辆系统动力学仿真结果,结合USFD磨耗模型,分别研究赫兹与非赫兹接触下轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗的影响,分析不同黏着水平对应摩擦系数对钢轨磨耗的影响,并进一步对比实测轮轨蠕滑曲线下赫兹与非赫兹接触及不同轮轨材料磨耗率下钢轨磨耗的差异。研究表明,赫兹和非赫兹接触下,实测轮轨蠕滑曲线均显著影响钢轨磨耗大小及分布范围;磨耗深度随摩擦系数的减小而减小,且外轨侧摩擦系数越小,磨耗最大值越靠近轨道中心线;实测蠕滑曲线下,赫兹和非赫兹接触以及轮轨材料磨耗率均会影响钢轨磨耗大小及其分布范围。