空重混编列车构架蛇行波标准差试验研究

本文在对要车、空货车、重货车构架蛇行波进行现场测试的基础上，采用工程概率数值分析方法对构架蛇行波标准差进行了统计分析，得出具有99％概率水平的构架蛇行波标准差；由此得出空货车与机车、空货车与重货车构架蛇行波标准差的比值，为空重混编列车－轨道（桥梁）系统横向振支激振源的确定提供了基础资料；同时还就轨道几何不平顺对车辆构架蛇行波标准差的影响进行了试验分析，从而进一步为以车辆构架蛇行波标准差来反映列车－轨道（桥梁）系统输入能量的观点提供了试验支持。     

基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因,考虑轮对的旋转惯量,建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型. 基于轮轨系统摩擦自激振动的理论,采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性. 研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响,并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性. 数值模拟结果表明:在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下,轮轨系统的摩擦自激振动导致高速列车车轮多边形磨耗的产生,其导致的21~22阶和23~24阶车轮多边形磨耗占主导地位,这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为符合. 饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗,盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗. 制动压力为13 kN时,车轮多边形磨耗形成的几率最小,发展速度最慢. 过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗. 垂向悬挂力为75 kN时,车轮多边形磨耗形成的可能性最小,发展速度最慢.      

研磨子抑制高速列车车轮多边形磨耗的机理研究

高速列车车轮多边形磨耗是我国高速列车自2008年开行以来出现的最严重的问题之一，直接影响到高速列车的运行安全. 利用高速轮轨滚动试验机试验研究了研磨子的增黏作用和局部缺陷修复作用，探讨了其作用机制. 建立了由轮对、钢轨和整体道床组成的轮轨系统滑动摩擦自激振动模型，研究了轮轨黏着和滑动工况下的轮轨系统摩擦自激振动发生趋势，指出研磨子抑制高速列车车轮多边形磨耗的主要机理在于以下两个方面:(1)研磨子的增黏作用，使轮轨系统制动和牵引时不容易发生滑动，消除了车轮多边形发生的条件；(2)研磨子中硬质颗粒能够有效地将车轮踏面的微观缺陷及时打磨清除，从而有效抑制车轮多边形、异常磨耗及接触疲劳裂纹的产生.      

基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析

轨道随机不平顺作为引起车辆-轨道-桥梁耦合系统振动的最重要的激励源,对列车过桥平稳性有着至关重要的影响．建立车辆-轨道-桥梁耦合垂向振动模型,采用虚拟激励法,计算随机不平顺激励下车辆运行的平稳性以及轨道和桥梁结构的振动特性,避免了繁复的时频转换和复杂的数值积分．数值分析了不同速度下列车过桥的平稳性和列车对不平顺波长的敏感范围．经过分析得到,列车运行速度越大,过桥平稳性指标越大,即舒适性越差;而且影响列车平稳性的不平顺波长越长,其影响范围越大．     

车轮多边形激励下高速列车制动界面摩擦学行为分析

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性. 制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响. 为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为,建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型,并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性. 然后,提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法,能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为. 基于此,研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律. 结果表明:车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈. 此外,系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大. 因此,车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响. 该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.      

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。     

考虑轨道非高斯不平顺的车-轨-桥耦合振动分析

通过无记忆非线性平移得到非高斯轨道高低不平顺,并以此为激励作用于列车-轨道-桥梁耦合系统结构,对比分析了高斯和非高斯轨道不平顺对列车、轨道和桥梁动力学性能的影响。结果表明:模拟的非高斯轨道不平顺相关函数和目标相关函数相互吻合;考虑四种高斯轨道不平顺激励下,车体的垂向振动加速度响应出现了紊乱现象,中国干线轨道高斯不平顺对车体的垂向振动加速度响应影响较其他3种不平顺要小,但对钢轨的垂向振动加速度响应影响比其他3种不平顺要大;美国六级轨道、德国高低干扰轨道非高斯不平顺激励下的耦合结构振动加速度响应均在不同程度上要大于其高斯轨道不平顺,但中国干线轨道不平顺对钢轨和桥梁的振动加速度响应却出现相反的影响。     

轮轨横向接触过程时域计算模型的建立与分析

为研究轮轨横向接触过程稳定性对曲线啸叫噪声的影响,利用改进的新型摩擦系数模型计算了轮轨接触面上的摩擦力变化,在考虑车轮横向、垂向动力学特性的基础上建立了轮轨横向接触系统时域模型。针对S型辐板辗钢整体车轮分析了横向蠕滑量和车轮阻尼对该系统的稳定性影响。结果表明,轮轨接触面上动静摩擦力之间的落差引起的粘滞一滑动形式的自激振动是引起曲线啸叫噪声的主要原因,增大车轮模态阻尼使其大干等效阻尼的临界值,或减小轮轨问横向蠕滑量使其小于0．0024可以使系统稳定,轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

沈大线旅客列车构架振动测试研究

本文根据沈大线旅客列车构架振动测试资料对其振动特性进行了研究，得出了构架振动特性与其行车速度的一系列关系，为分析列车－轨道、列车－桥梁振动系统提供了一些重要的参数．     

钢轨横向不均匀支撑刚度对钢轨波磨的影响

建立了钢轨波浪形磨损计算模型，模型中考虑车辆轨道垂向横向耦合动力学行为、轮轨三 维滚动接触力学行为和轮轨材料摩擦磨损的循环相互作用关系. 发展了相应的计算程序，并 用1: 1试验装置验证了理论模型. 详细分析了实际线路上由轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度和不同行车速度对曲线钢轨接触表面不均匀磨损的影响. 通过数值分析可知： (1)列车通过曲线钢轨时，轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度易引发曲线钢轨波磨的形 成和发展；(2)这类钢轨波磨具有与轨枕间距几乎相等的波长和28~35mm的短波长，这个短波长不均匀磨损主要是由轮轨高频接触振动引起；(3)同一个转向 架4个车轮作用下形成的钢轨波磨最大深度波谷的分布是不同的；(4) 改变过车速度不能有效地抑制轨枕离散支撑导致的钢轨波磨形成和发展速度.     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

列车通过道岔时转向架结构振动特性的研究

建立了考虑线路弹性并视转向架构架为柔体的三节车辆组成的列车通过道岔运行的列车/线 路模型. 分析了列车通过道岔时作用于转向架构架上的动载荷，将动载荷通过程序 FEMBS{-1}转化为适用于FE程序的文件并由ANSYS软件分析整个构架的应力分布及最大应力时间历程变化等. 分析对比了列车及单节车辆的仿真结果并与线路动应力试验结果进行了对比. 研究认为列车通过道岔时各构架的拉、压动应力幅值变化各异且在岔心处大于单辆车的相应值，表明单辆车模型适用于初步的计算分析，欲详细分析构架的结构性能应采用多车模型. 根据动应力频谱分析可知，构架的动应力可分为3个频域区，分别对应由直线驶入道岔的曲线上、岔心和岔尖处及构架固有振动频率附近的弹性振动区.     

低阶谐波磨耗轮对引起的轮轨及等效人体动态响应分析

低阶谐波磨耗轮对不仅会引发高阶谐波磨耗,还会引起列车振动进而影响乘员的舒适性。在传统的10自由度列车模型的基础上,利用集中质量法,将满员时乘客的总质量等效在列车的前后转向架和车体中间三个质量点上,考虑三个等效质量体的沉浮运动,形成了13自由度的人-车模型。该模型既可以研究不同磨耗轮对激励对乘员振动特性的影响,又可以避免将单个乘员纳入系统计算时造成的累计误差。其中轨道结构为多层梁模型,且考虑轮轨接触损失。结果表明,行车速度和磨耗轮对的阶数和波深的增大均会诱发列车发生跳轨现象,影响行车安全。此外,在相同轮对工况下,前端等效人体的垂向加速度均大于车体,所以应该以等效人体而非列车的振动响应来评价乘员舒适性。     

列车荷载作用下轨道和地基的动响应分析

分析了列车运动荷载引起的应力波在轨道结构和周围地基中的传播,用动力子结构方法求解了铁路轨道和多层地基的相互作用问题,特别是在模型中考虑了轨枕离散支撑的作用.研究的对象结构包括列车运动荷载和受轨枕支撑的钢轨,以及下面的无限分层黏弹性地基.通过傅里叶变换求解微分形式的支配方程,得到了在频域和波数领域中的钢轨以及周围地基的振动准解析解,而响应时程则通过傅里叶逆变换得到.利用结果可以评估高速铁路列车运行时产生的轨道与周围地基的振动强度;同时提出了一种直观的方法来确定轨道与地基中产生共振时列车运行的临界速度.     

Periodically supported beam on a visco-elastic layer as a model for dynamic analysis of a high-speed railway track

This paper presents a theoretical study of the steady state dynamic response of a railway track to a moving train. The model for the railway track consists of two beams on periodically positioned supports that are mounted on a visco-elastic 3D layer. The beams, supports, and layer are employed to model the rails, sleepers and soil, respectively. The axle loading of the train is modeled by point loads that move on the beams. A method is presented that allows to obtain an expression for the steady-state deflection of the rails in a closed form. On the basis of this expression, the vertical deflection of the rails and its dependence on the velocity of the train is analyzed. Critical velocities of the train are determined and the effect of the material damping in the sub-soil and in the pads on the track response at these critical velocities is studied. The effect of the periodic inhomogeneity of the track introduced by the sleepers is studied by comparing the dynamic response of the model at hand to that of a homogenized model, in which the supports are assumed to be not discrete but uniformly distributed along the track. It is shown that the vertical deflection of the rails predicted by these models resemble almost perfectly. The elastic drag experienced by a high-speed train due to excitation of track vibrations is studied. Considering a French TGV as an example, this drag is calculated using both the inhomogeneous and homogenized models of the track and then compared to the rolling and aerodynamic drag.     

Medium frequency dynamic investigation of the railway wheelset-track system using a discrete-continuous model

Summary In the paper, dynamic interaction between elastic high-speed-train car wheelset and track is studied using a discrete-continuous mechanical model. The model enables to investigate the influence of the parametric excitation from the track as well as static and dynamic unbalances of wheels and brake disks on the dynamic response of the wheelset running at various speeds on the track of various average vertical stiffness. From the results of numerical simulation it follows that particularly severe periodic resonances occur for the track of large stiffness, yielding high vertical dynamic contact forces between the wheels and rails. The maximum dynamic response has been obtained for parameters corresponding to the conditions at which the phenomenon of grumbling noise generation is usually observed in reality. Received 21 January 1997; accepted for publication 29 February 1997     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现, 使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求. 而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性. 在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行. 随着运行速度的提高,系统间耦合加强, 服役模拟也越来越受到重视. 而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求, 提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真, 得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态; 提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟. 因此, 基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟, 而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.      

Interaction of railway vehicles with track in cross-winds

This paper presents a framework for simulating railway vehicle and track interaction in cross-wind. Each 4-axle vehicle in a train is modeled by a 27-degree-of-freedom dynamic system. Two parallel rails of a track are modeled as two continuous beams supported by a discrete-elastic foundation of three layers with sleepers and ballasts included. The vehicle subsystem and the track subsystem are coupled through contacts between wheels and rails based on contact theory. Vertical and lateral rail irregularities simulated using an inverse Fourier transform are also taken into consideration. The simulation of steady and unsteady aerodynamic forces on a moving railway vehicle in cross-wind is then discussed in the time domain. The Hilber–Hughes–Taylor α-method is employed to solve the nonlinear equations of motion of coupled vehicle and track systems in cross-wind. The proposed framework is finally applied to a railway vehicle running on a straight track substructure in cross-wind. The safety and comfort performance of the moving vehicle in cross-wind are discussed. The results demonstrate that the proposed framework and the associated computer program can be used to investigate interaction problems of railway vehicles with track in cross-wind.     

Interaction of subway LIM vehicle with ballasted track in polygonal wheel wear development

This paper develops a coupled dynamics model for a linear induction motor (LIM) vehicle and a subway track to investigate the influence of polygonal wheels of the vehicle on the dynamic behavior of the system. In the model, the vehicle is modeled as a multi-body system with 35 degrees of freedom. A Timoshenko beam is used to model the rails which are discretely supported by sleepers. The sleepers are modeled as rigid bodies with their vertical, lateral, and rolling motions being considered. In order to simulate the vehicle running along the track, a moving sleeper support model is introduced to simulate the excitation by the discrete sleeper supporters, in which the sleepers are assumed to move backward at a constant speed that is the same as the train speed. The Hertzian contact theory and the Shen- Hedrick-Elkins’ model are utilized to deal with the normal dynamic forces and the tangential forces between wheels and rails, respectively. In order to better characterize the linear metro system (LMS), Euler beam theory based on modal superposition method is used to model LIM and RP. The vertical electric magnetic force and the lateral restoring force between the LIM and RP are also taken into consideration. The former has gap-varying nonlinear characteristics, whilst the latter is considered as a constant restoring force of 1 kN. The numerical analysis considers the effect of the excitation due to polygonal wheels on the dynamic behavior of the system at different wear stages, in which the used data regarding the polygonal wear on the wheel tread are directly measured at the subway site.