两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较
车辆—轨道垂向系统的统一模型及其耦合动力学原理
车辆—轨道垂向系统的统一模型及其耦合动力学原理示例文章篇一：哎呀，这题目对我这个小学生来说也太难懂啦！什么“车辆—轨道垂向系统”，什么“耦合动力学原理”，这都是啥呀？我就想啊，车辆不就是我们平常坐的公交车、小汽车吗？轨道不就是火车跑的铁轨吗？可这垂向系统又是啥呢？难道是说车和轨道上下的关系？就好像我和我的好朋友一起跳绳，我俩的动作得配合好，不然绳子就会打结。
车和轨道是不是也得配合好，不然车就会颠得厉害，甚至还可能出危险呢？老师给我们讲这个的时候，我看好多同学都一脸懵。
我就偷偷问同桌：“你能听懂吗？”他摇摇头说：“这比做数学题还难！”我又想，这会不会就像搭积木，每一块积木都得放对地方，要不然整个房子就搭不起来。
车和轨道是不是也是这样，每个部分都得在正确的位置，发挥正确的作用，这样车才能跑得又快又稳？我回家问爸爸，爸爸说：“这可复杂啦，就像一个大拼图，每一块都不能错。
”我还是不太懂，又问：“那为啥要研究这个呀？”爸爸笑着说：“要是不研究清楚，火车出轨了咋办？”我心里一惊，这可太可怕啦！那这个统一模型是不是就是把车和轨道当成一个整体来研究，找出它们之间的规律？就像我们做游戏要知道规则一样。
可这耦合动力学原理，到底是啥呢？我感觉自己的脑袋都要想破啦！难道是说车和轨道之间有一种神秘的力量在互相影响？就像我考了好成绩，妈妈会高兴，妈妈高兴了会给我做好吃的，这是不是也有点像耦合呀？哎呀，我真希望自己能快点长大，能一下子就明白这些复杂的东西！我觉得研究这个的科学家们可真厉害，能搞懂这么难的东西，一定花了好多好多的心思。
反正我觉得，弄清楚这个车辆—轨道垂向系统的统一模型及其耦合动力学原理太重要啦，能让我们坐的车更安全，出行更放心！示例文章篇二：哎呀呀，这题目也太难了吧！对于我一个小学生来说，“车辆—轨道垂向系统的统一模型及其耦合动力学原理”，这听起来就像外星语言一样！我想想啊，车辆，那不就是我们平常坐的汽车、火车啥的嘛。
两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较
以上适用于振动只含一个频率成分时的情况,
表 2 频率修正系数
实际上, 实测得到的车体加速度往往含有许多频率 成分, 并以标志着机车车辆固有频率的那些最为突 出。此时需要将测得的加速度的时间历程按频率进
行分解, 于是在对每一个频率成分中的加速度按式 ( 1) 计算确定平稳性指标后, 再由此求得总平稳性指 标如下[ 8]
分别使用 TB 型车轮踏面和 LM 型车轮踏 面, 在美 国 AAR 标准的 6 级线路谱 激扰之下, 车辆均 以
120 km/ h的速度在直线轨道上运行时其车体横向与垂向加速度最大值及其相应的平稳性指标列于表 3。 从表 3 中可以看出, 无论对于车体横向, 还是车体垂向, 采用两种类型踏面仿真计算所得到的响应结果均
表 1 TB 型与 LM 型 踏面车辆的临界速度 km/ h
踏面类型
TB 型踏面
LM 型踏面
临界速度
340
291
的临界速度达到340 km/ h, 相对 LM 型踏面的 高出
49 km/ h。由此证明, LM 型踏面使车辆蛇行运动临界速度降低, 从而较 TB 型踏面容易产生失稳现象。
这主要是由 2 种类型踏面外形几何尺寸固有的特性所决定的。TB 型踏面在滚动圆附近是由斜线构 成, 其斜率是线性的, 而 LM 型踏面是由多段不同半径的圆弧相切组合而成, 其斜率呈非线性。为此, 常常
相当。同时, 整体结果表明, LM 型踏面引起的车体响应较之 TB 型踏面稍微大些, 但此差别非常之小而不
足以说明后者的直线轨道响应性能要好于前者。
表 3 TB 型与 LM 型踏面车辆在直线轨道上车体响应
响应 车体横向
车体垂向
指标 加速度最大值
平稳性指标 加速度最大值
车辆轨道耦合动力学
车辆轨道耦合动力学一、引言车辆轨道耦合动力学是研究铁路车辆与轨道之间相互作用的学科，是交通运输工程领域中的一个重要分支。
车辆与轨道之间的相互作用会对列车的行驶安全、运行效率以及轨道设施的使用寿命等产生影响。
因此，深入研究车辆轨道耦合动力学问题具有重要意义。
二、车辆与轨道之间的相互作用1. 车辆对轨道的影响（1）垂向力：列车通过铁路时，会对轨道产生垂向力，这种力会导致轨道弯曲和振动。
（2）横向力：当列车在弯曲铁路上行驶时，会对铁路产生横向力，这种力会导致铁路侧向移位和变形。
（3）纵向力：列车在加速和制动过程中会产生纵向力，在高速行驶时这种力会导致轮胎滑移和损坏。
2. 轨道对车辆的影响（1）几何条件：包括铁路线形、曲线半径、坡度等条件，这些条件会对列车的运行速度和稳定性产生影响。
（2）轨道弹性：轨道的弹性特性会对列车的振动和稳定性产生影响。
（3）轨道不平顺度：轨道表面不平顺会导致列车在行驶过程中产生振动和噪声。
三、车辆轨道耦合动力学模型1. 列车模型列车模型是描述列车运动状态的数学模型，包括列车质量、惯性、空气阻力等因素。
常用的列车模型有点式、刚体式和柔性多体式等。
2. 轨道模型轨道模型是描述轨道几何形态和弹性特性的数学模型，包括铁路线形、曲率半径、坡度等几何参数以及材料特性等因素。
常用的轨道模型有梁式、板式和壳体式等。
3. 车辆与轨道相互作用力学模型通过建立列车与轨道之间相互作用力学模型，可以研究列车在铁路上运行时所受到的各种力，并分析其对铁路设施和行驶安全的影响。
常用的相互作用力学模型有轨道弹性模型、车辆动力学模型和轮轨接触模型等。
四、车辆轨道耦合动力学问题1. 车体振动问题列车在行驶过程中会受到各种外界干扰，如风荷载、地震等，这些干扰会导致列车产生振动。
而列车振动会对乘客的舒适度和行驶安全产生影响。
2. 轮轨磨损问题列车在行驶过程中会对轨道表面产生磨损，而轮轨磨损会导致铁路设施的使用寿命缩短，同时也会增加列车的能耗。
不同车轮踏面对高速轮轨关系的影响研究
不同车轮踏面对高速轮轨关系的影响研究周新建;王琦;王成国;张海【摘要】Based on the current situation of China Railway High-speed, when distance between backs of wheel flanges is 1353, rail base inclination is 1:40, CHN60 is selected as rail, this paper studies the effects of three different wheel treads on relationship between High-speed wheel and rail. The three different wheel treads are LMa used for CRH2, S1002G used for CRH3, and JP-ARC used for the Japanese Shinkanse. The results show that the wheel-rail contact point of LMa and CHN60 is well distributed for maintaining wheel treads, better than S1002G and JP-ARC' s wheel-rail contact point distribution. Meanwhile, the paper explores the effects of these three different wheel treads on stability of the vehicle by comparing its wear and derailment quotient. The conclusion is that stability of the vehicle decreases in each kind of wheel tread as the vehicle speed increases. S1002G is superior to JP-ARC and LMa in stability. LMa is superior to JP-ARC and S1002G in wear. And S1002G is superior to LMa and JP-ARC in safety (derailment quotient).%根据中国高速铁路的现状,在轮对内侧距选用1353、轨底坡选用1:40、钢轨选用中国高速钢轨cHN60的前提下,研究了CRH2上使用的LMa、CRH3上使用的S1002G和日本新干线圆弧车轮JP-ARC这3种踏面对CHN60轮轨的影响.研究结果表明,LMa与CHN60的轮轨接触点分布比较均匀,有利于车轮型面的保持;其次是S1002G,最差的是JP-ARC踏面.另外,通过比较这3种踏面的磨耗情况和脱轨系数,研究了这3种踏面对车辆平稳性的影响.研究结果表明,随着车辆运行速度增加,3种踏面的平稳性下降.S1002G踏面在平稳性方面优于LMa和JP-ARC;车轮磨耗情况方面,LMa踏面优于S1002G和JP-ARC;安全性(脱轨系数)方面,S1002G踏面优于LMa和JP-ARC.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2011(028)002【总页数】5页(P14-18)【关键词】轮轨关系;平稳性;磨耗;脱轨系数【作者】周新建;王琦;王成国;张海【作者单位】华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室,江西,南昌,330013;华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室,江西,南昌,330013;武汉铁路局,湖北,武汉,430071;中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京,100081;华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室,江西,南昌,330013;中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】U266.2由于历史和技术等原因，各国高速铁路采用了不同形状的钢轨、车轮和轮对内侧距。
高速列车车辆轨道耦合动力学特性分析
高速列车车辆轨道耦合动力学特性分析高速列车已经成为现代交通运输的重要组成部分，它的快速、高效和节能的特点深受人们的喜爱。
然而，高速列车与轨道之间的耦合动力学特性对列车的运行安全和乘坐舒适性有着重要的影响。
因此，对高速列车车辆和轨道之间的耦合动力学特性进行分析具有重要的意义。
首先，需要了解高速列车和轨道之间的耦合是如何产生的。
当列车在轨道上行驶时，车轮与轨道之间会产生相互作用力，如摩擦力和轨道弯曲力。
而车体的振动和轨道的弯曲会对列车的运行产生一定的影响。
因此，对车辆和轨道的耦合动力学进行分析就变得尤为重要。
其次，我们可以从车辆和轨道的几个关键参数来进行动力学特性分析。
首先是轨道的刚度和阻尼系数。
轨道的刚度决定了列车在行驶过程中对轨道的变形程度，而阻尼系数则影响了列车的运动稳定性。
此外，车辆的质量分布和车轮的刚度也会对耦合动力学产生影响。
接着，我们可以考虑列车在不同速度下的动力学特性。
当列车在高速运行时，由于惯性力和空气动力学效应的影响，列车的振动和稳定性会变得更加复杂。
因此，需要对高速列车的耦合动力学特性进行具体分析和评估。
除此之外，高速列车在进出弯道时也会产生一定的动力学特性。
当列车通过弯道时，由于几何形状的限制，车轮与轨道之间会产生侧向力。
这种侧向力会引起车辆的横向振动，对乘坐体验产生负面影响。
因此，对高速列车在弯道行驶时的耦合动力学特性进行研究也是非常重要的。
最后，我们还可以考虑对高速列车车辆和轨道之间的耦合动力学特性进行优化。
通过调整列车的设计参数和轨道的几何形状，可以降低耦合动力学特性对列车运行稳定性和乘坐舒适性的影响。
此外，新型材料和技术的应用也可以提高列车和轨道的耦合特性。
总之，高速列车车辆轨道耦合动力学特性的分析对于提高列车的运行安全性和乘坐舒适性具有重要意义。
通过对这些特性的深入研究，可以为高速列车的设计和运行提供理论依据，从而改进列车的性能和效率。
我们相信，在不久的将来，高速列车将在全球范围内得到广泛的应用和推广。
车桥耦合振动中2种轮轨接触模型的比较分析
接触模型及迭代时间步长。
， ｗ ， ３ ， Ｙ３ ，
）
式 中： ， ， ，Ｙ， 分 别 为 沉 浮 、点 头 、侧滚 、
１ 车辆系统模型
１ １ 车辆模 型 ．
横 摆 、摇 头 自由度 ；下 角 标 ｖ ｉ ｗ 别 为 车 ，ｔ 和 分 体 的 自由度 、转 向架 的 自由度 和 轮 对 的 自由度 ，ｉ
中图 分 类 号 ：Ｕ２ １ ５ １ ． 文献 标 识 码 ：Ａ
轮轨 弹性 接触和 密贴接触 模 型的选 取对车 桥 系
头 ，如 果轮 轨为 弹性接触 ，则 每个 轮对有 ４个 自由 度 ，分别 为横 摆 、沉浮 、摇头 和侧 滚 ，这样 车辆 共 有 ３ 个 自由度 （ １ ６轴机 车为 ３ ９个 自由度 ） 如果 轮 。 轨 密贴接触 则 每个 轮对 有 横 摆 和摇 头 ２个 自由度 ， 车辆 共 有 ２ ３个 自由度 （ ６轴 机 车 ２ ７个 自由度 ） 。 轮对 的沉 浮和侧 滚 自由度 由桥梁 的左右 轨 的位移得
［ ］ ） ［ ｛ ） 优 ｛ ＋ ｃ］ ＋ ］“）： ｛ （） ｛ Ｐ ） １ 式 中 ： 优 ，［ ， ］ ［ ］ ｃ］ 分别 为车辆 质量 、 阻尼及 刚
度矩阵；｛ ，｛｝ ｕ ｝ “｝ ｕ ，｛ 分别为车辆 自由度 的位 移、速度、加速度列 向量 ； ｛ Ｐ ）为作用于车辆各 自由度 的荷载 列 向量 。
统动 力响应 有着 重要 的影 响 。国内外对此 问题 已有 些 研究 ［ 。但 这些研 究只 针对 不 同车辆 模 型 时桥 】 ］ 梁 的 响应 进行 了研 究 ，而 对 车辆 影 响 的研 究 较 少 ， 缺 少 ２ 模 型 对 车 桥 系 统 的影 响 以及 适 用 性 的研 种 究 。随着 我 国列车速 度 的提高 ，轮轨 之间接触 模 型
锥形踏面和磨耗形踏面轮轨弹塑性接触性能的比较
锥形踏面和磨耗形踏面轮轨弹塑性接触性能的比较
张军;刘迎曦;吴昌华
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2002(38)6
【摘要】用有限元参数二次规划法分析轮轨的三维弹塑性接触问题,对锥形踏面和磨耗形踏面的机车车轮与标准轨道组成的轮轨系统分别进行计算,并将得出的轮轨接触状态、接触力及接触应力场进行了分析比较,指出了磨耗形踏面耐磨的根本原因。
这一方法为轮轨型面的优化设计提供了新的思路。
【总页数】5页(P26-30)
【关键词】锥形踏面;磨耗形踏面;有限元法;接触;弹塑性;接触应力;轮轨型面
【作者】张军;刘迎曦;吴昌华
【作者单位】大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室;大连理工大学;大连铁道学院
【正文语种】中文
【中图分类】U211.5
【相关文献】
1.采用磨耗形踏面时东风型机车的轮轨滑动接触特性 [J], 魏先祥
2.踏面磨耗及其对轮轨接触几何关系的影响 [J], 孙效杰;周文祥
3.锥形及磨耗形踏面轮对的空间轮轨接触几何约束特点 [J], 严隽耄;王开文
4.踏面磨耗对轮轨接触特性影响研究 [J], 袁雨青;李强;刘伟
5.踏面形状对地铁车辆动力学性能及轮轨磨耗影响研究 [J], 雷洋;李越超;;
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高速列车踏面磨耗仿真与动力学性能影响研究
内燃机与配件0引言中国自引进国外先进的高铁技术，经过十年的消化吸收，目前已完全拥有自主创新的能力，但随着高铁运行速度的不断提升，踏面磨耗加剧，轮轨接触恶化，车辆振动加剧，产生大量噪声且加速车辆各部件损耗，严重影响了运行时乘客的舒适度和运行安全性[1]。
目前许多学者致力于踏面磨耗研究。
在国内，金学松教授等基于轮轨摩擦学原理，提出新的打磨方法优化了钢轨打磨模型[2]；张波等采用赫兹实验方法进行轮轨磨耗实验研究，并提出轴重、蠕滑率、总的接触次数是影响磨耗的主要因素[3]；在国外，Archard 最早提出了广义的Archard 磨耗模型，认为磨耗量与接触物体的材料、相对滑动距离有关，Archard 磨耗模型可以用于轮轨磨耗[4]；Alina Saidova 等以运行在俄罗斯线路条件下的货车进行仿真分析，研究在不同磨耗状态下如何合理选择Archard 磨损摩擦系[6]。
本文针对两种高速列车A 、B ，分析其在行驶不同里程后踏面的磨耗规律及磨耗后踏面对高速列车动力学性能的影响，为国内高速列车轮轨参数和车辆悬挂参数提供一些参考。
1动力学建模及磨耗模型建立1.1车辆动力学建模———————————————————————作者简介：闫红卫（1994-），男，甘肃庆阳人，硕士研究生，主要研究方向为机车车辆系统动力学；姚远（通讯作者）（1983-），男，安徽宿松人，博士，副研究员，博士研究生导师，主要研究方向为转向架设计及理论、车辆系统动力学及控制。
高速列车踏面磨耗仿真与动力学性能影响研究闫红卫①；陈希成②；姚远①（①西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031；②成都工业职业技术学院轨道交通学院，成都610218）摘要：针对国内两种典型不同悬挂参数模式的高速列车A 、B ，采用UM 软件进行磨耗仿真及其对动力学性能影响研究。
研究表明，由于A 车匹配阻尼系数较大的抗蛇行减振器和低锥度踏面，其车轮区域磨耗较为集中，反之，B 车匹配阻尼系数较小的抗蛇行减振器和大锥度踏面，其转向架横向位移较大，车轮踏面磨耗区域较宽。
高速列车轨道结构与车辆耦合动力分析研究
高速列车轨道结构与车辆耦合动力分析研究引言：高速列车交通作为现代化城市运输的重要组成部分，在提高出行效率和改善人们生活品质方面起到了至关重要的作用。
在高速列车运行过程中，轨道结构与车辆之间的相互作用对列车运行的安全性、舒适性和能效性起着重要影响。
因此，对高速列车轨道结构与车辆耦合动力的研究具有重要意义。
1. 轨道结构的特点及对列车耦合动力的影响高速列车轨道是列车运行的基础设施，其结构特点对列车运行产生重要影响。
在高速列车运行时，轨道结构主要具有以下特点：1）高刚度和高强度：为了抵抗列车的重量和动态载荷，轨道结构通常采用高刚度和高强度的材料和设计，以确保轨道在列车运行过程中保持良好的稳定性。
2）平直度和垂直性：为了保证列车运行的稳定性和舒适性，轨道的平直度和垂直性要求较高，以减小列车的晃动和噪音。
3）动态响应特性：由于列车运行过程中存在弓位变化、路面不平等等因素，轨道结构的动态响应特性对列车的振动和舒适性具有重要影响。
轨道结构的特点将直接影响列车的耦合动力，包括纵向和横向动力。
纵向动力主要包括列车的加速度、制动力和牵引力等，而横向动力则包括列车的侧向力和横向加速度等。
通过对轨道结构和列车之间的耦合动力进行研究，可以更好地了解列车运行过程中的动力特性，为提高列车运行的安全性和舒适性提供理论依据。
2. 轨道结构与车辆耦合动力的分析方法在对高速列车轨道结构与车辆耦合动力进行分析研究时，需要采用适当的分析方法。
目前较为常用的方法包括数值模拟和实验测试两种。
数值模拟方法通过建立轨道结构和车辆的数学模型，并采用相应的数学模型解算方法，模拟列车在轨道上的运行过程，分析列车在不同运行状态下的耦合动力特性。
数值模拟方法主要适用于探究不同条件下列车运行的动力特性、参数优化和轨道设计等方面的研究。
实验测试方法则通过搭建实验平台，在真实的条件下对列车和轨道结构进行测试，测量列车在运行过程中的动力特性。
实验测试方法主要适用于验证数值模拟结果、研究列车和轨道结构的耦合动力特性、评估列车的运行安全性和舒适性等方面的研究。
浅析城市轨道列车盘式制动与踏面制动的优缺点及发展趋势
浅析城市轨道列车盘式制动与踏面制动的优缺点及发展趋势摘要：本论文在分析城市轨道车辆运输特点基础上，结合城市轨道车辆基础制动装置具体类型，分析了城市轨道车辆踏面制动与盘式制动的优缺点关键词：城市轨道车辆，基础制动，盘形制动。
地铁、轻轨等作为城市轨道交通的重要组成部分，在缓解交通压力、拓展城市空间等方面发挥着重要作用，其运行速度也由最初的30km／h，逐渐提高到80 km／h，甚至更高。
随着速度的提高，在运营过程中城市轨道车辆所装配的踏面制动装置已暴露出车轮踏面产生高温剥离或热裂纹、车轮和钢轨踏面异常磨耗进而恶化轮轨匹配关系、维修工作量和运营成本大大增加等问题。
迫使我们对城市轨道列车的运输特点及其基础制动装置匹配问题进行认真分析，并做出合理选择。
1 城轨运输的特点城市轨道交通运输与铁路运输有很多相似之处，但是与铁路运输相比还有许多差异，其中与制动系统有关的有以下几个方面：(1)运行速度低。
目前国内外地铁的运行速度一般都在135 km／h以下，而铁路机车车辆和动车组的发展趋势是重载和高速，我国高速动车组的持续运行速度已经达到350 km／h。
(2)减速度大、制动距离短。
地铁站间距短，只有起动加速快、制动减速度大才能提高列车的运行速度和效率，因此地铁车辆的紧急制动平均减速度一般定为1．2～1．3 m／s2，有的甚至到1．4 m／s2，而铁路机车车辆和动车组的紧急制动平均减速度一般为0．7～1．2 m／s2；大连地铁3号线要求紧急制动初速120 km／h时，制动距离≤427 m，而铁路机车车辆和动车组在同样速度时，制动距离≤800 m。
(3)制动频繁。
地铁运输有城市公交站间距短的特点，一般只有几百米，长的也只有几公里。
这就要求列车必须频繁的制动停车，以满足乘客的上下车要求。
而铁路运行的站间距一般都在几十公里，甚至一百公里以上。
(4)制动的准确性要求高。
地铁车站普遍装有屏蔽门，对定位停车的精度要求比铁路机车车辆和动车组高，停车位置精度一般在±250 mm左右。
高速铁路车辆的轮轨动力学耦合分析
高速铁路车辆的轮轨动力学耦合分析近年来，随着科技的发展和人民需求的提升，高速铁路的建设和运营已成为国家的重点工作。
而高速铁路车辆的轮轨动力学耦合分析是保证高速铁路运行安全和效率的重要研究方向。
本文将从不同角度对高速铁路车辆的轮轨动力学耦合进行探讨，以期为相关研究提供参考。
一、高速铁路车辆与轨道系统的介绍高速铁路车辆是指专门用于高速铁路运营的列车。
而轨道系统则包括轨道、轨枕、路基等部分。
高速铁路车辆和轨道系统的相互作用会产生一系列的动力学效应，这些效应对高速铁路的运行安全和舒适性有着重要的影响。
二、高速铁路车辆的轮轨耦合机理高速铁路车辆的运行过程中，车轮与轨道之间存在着轮轨接触力，这是导致轮轨动力学耦合的根本原因。
具体而言，高速铁路车辆的轮轨耦合机理包括轮轨力学特性、车辆动力学特性以及高速列车对轨道的激励等。
1. 轮轨力学特性轮轨接触力是高速铁路车辆的运行基础，它包括垂向力、横向力和纵向力三个方向的力。
垂向力主要由车辆自重和加速度等因素决定，横向力则受到弯道、曲线等因素的影响，而纵向力主要由牵引、制动等因素产生。
理解和掌握轮轨力学特性对于轮轨动力学耦合研究至关重要。
2. 车辆动力学特性高速铁路车辆的运动包括转向、横摇、纵向加速度等多个方面。
车辆的动力学特性对于轮轨动力学耦合的分析和优化至关重要。
例如，车辆的横摇会对轮轨力学特性产生一定的影响，进而影响到高速铁路的运行稳定性。
3. 列车对轨道的激励高速铁路列车的运行会对轨道产生一定的激励作用，这包括噪声、振动等因素。
理解列车对轨道的激励对于轮轨动力学耦合的探讨和解决具有重要意义。
三、高速铁路车辆的轮轨动力学耦合分析方法针对高速铁路车辆的轮轨动力学耦合问题，研究者提出了多种分析方法和数值模拟技术，以期深入理解和解决高速铁路运行中的问题。
1. 整体仿真方法整体仿真方法是一种将车辆和轨道系统作为整体进行建模和分析的方法。
通过这种方法，可以较为全面地研究高速铁路车辆的运行状态和对轨道的影响。
LMA和LM型踏面对机车脱轨性能分析
LMA和LM型踏面对机车脱轨性能分析毕贞法;陈萍【摘要】不同的轮对踏面与钢轨的配合对机车的脱轨性能影响很大.应用SIMPACK软件分别建立了LMA和LM型踏面的机车模型及钢轨模型,通过不同速度下小半径曲线上的仿真,分析了2种踏面对机车脱轨性能的影响,结果表明:合理的踏面轮对与钢轨的配合可以提高机车的脱轨性能,LMA型踏面的脱轨性能优于LM 型踏面.【期刊名称】《上海应用技术学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(015)004【总页数】4页(P367-370)【关键词】机车;踏面;钢轨;脱轨性能【作者】毕贞法;陈萍【作者单位】上海应用技术学院轨道交通学院,上海 201418;上海应用技术学院轨道交通学院,上海 201418【正文语种】中文【中图分类】U270.33近年来高速列车发展迅速，线路条件得到了很好的改善，列车的运行安全一直是研究的重点.脱轨性能作为高速列车曲线通过性的重要指标，是列车运行安全的最直接体现.由于高速列车轮对踏面和钢轨的形状及运行速度的不同，导致轮轨几何接触之间的不同，会引起轮轨接触状态的差异，从而导致轮对踏面和轨道间存在情况各异的磨耗问题，尤其当列车的行驶速度越来越高时，轮对和轨道之间的磨耗问题也会愈演愈烈.合理选择车轮踏面，对于减少轮轨磨耗，提高列车运行安全意义重大［1-7］.本文应用SIMPACK软件分别建立了LMA和LM型踏面的转向架模型及钢轨模型，通过不同轮对踏面在同一转向架钢轨不同速度下的对比研究，分析踏面形状对脱轨性能的影响.脱轨系数是评价车轮脱轨稳定性的指标，是在同一时间，水平力和垂直力的比值.国际铁路联盟UIC将脱轨系数安全值限定为式中：Q为轮缘上的横向作用力；P为车轮上的垂向作用力，且脱轨系数越大越容易脱轨.SIMPACK软件是德国INTEC Gmbh公司针对机电、机械系统运动学、动力学仿真分析而开发的多体动力学分析软件包.SIMPACK轮轨模块是SIMPACK软件中的一个专业模块，囊括了铁路行业全部相关的动力学分析.2.1 轮对踏面模型（1）LM型踏面是我国自行研制和使用的一种车轮磨耗型踏面，其具体尺寸以及外形见图1.（2）LMA型踏面为我国研究设计的一种新型踏面，其尺寸参数以及外形如图2所示.该型踏面在国内随着高速列车设计和制造的发展，在2l世纪初期得到大力发展和应用.LMA型踏面目前已经成功应用于CRH1、CRH2和CRH3高速动车组上. （3）2种踏面参数比较，如表1所示.（4）应用AutoCAD软件实现LM和LMA型踏面的数值离散，并把结果保存为.XLS格式的文件；编写SIMPACK识别的.dat文件进行轮轨外形拟合.2.2 钢轨模型的建立钢轨的横断面为工字形，由轨头、轨腰和轨底组成.钢轨头部形状由几个圆弧的半径组成，轨头和轨底有足够的面积和高度，钢轨表面光滑，侧面的半径较小.它是按照磨耗型原则设计，钢轨外形及几何参数如图3所示.轨道不平顺是引起振动和轮轨动力学的主要原因，描述了随机振动其统计特征与规律，很难用确定函数进行描述，一般采用功率谱密度进行描述，美国和德国在轨道谱的研究比较成熟，仿真中选用了德国低干扰谱作为轨道谱模型.线路几何模型：本文采用半径为800 m的曲线，其中150 m直线线路，100 m 缓和曲线线路，200 m圆曲线线路，70 mm外轨超高.2.3 机车模型的建立设置机车模型的质量和转动惯量、悬挂系统参数以及结构尺寸，通过SIMPACK软件创建的机车模型如图4所示.通过体、函数、力元、铰接和约束等方式定义了弹簧、横向止挡、减震器以及车体的位置和运动等.3.1 LM和LMA型踏面的机车模型以180 km／h通过曲线时的仿真结果不同踏面的轮对与钢轨接触形成不同的轮轨接触关系，得到不同的脱轨性能.脱轨系数的具体仿真结果如图5和图6所示.图中数字分别代表相应的车轮号.由图可见：（1）在180 km／h速度下通过曲线时，2种踏面机车的脱轨系数相差不大，最大值都保持在0.12左右；（2）当轮对进入缓圆点后，LM和LMA型踏面的脱轨系数均达到最大值.3.2 LM和LMA型踏面的机车模型以不同速度通过曲线时的脱轨系数2种踏面分别以速度160、170、180、190、200 km／h 5种速度通过半径为800 m的曲线时，仿真计算出的各个指标的最大值如图7所示.由图可见：（1）动车组运行速度在160～180 km／h，2种踏面的脱轨系数比较接近，并且比较稳定；（2）动车组运行速度在180～200 km／h，2种踏面的脱轨系数随着速度的增长呈现上升趋势；（3）动车组运行速度在160～200 km／h，LMA型踏面脱轨系数的最大值比LM 型小，LMA型踏面的脱轨性能更好.通过借助SIMPACK动力学仿真软件对2种踏面的轮轨动力学建模和仿真比较后，得出如下结论：（1）2种踏面的脱轨系数在轮对进入缓圆点后，都达到最大值.（2）动车组运行速度在160～180 km／h，2种踏面的脱轨系数最大值变化不大；运行速度在180～200 km／h，随着速度的增加脱轨系数的最大值增大.（3）动车组运行速度在160～200 km／h的范围内，LMA型踏面的脱轨系数更小，车辆平稳性更好，安全性更高.【相关文献】［1］卜庆萌，姚林泉.轮轨接触几何关系［J］.苏州大学学报，2011，27（3）：79-84.［2］戎保，芮筱亭，王国平，等.多体系统动力学研究进展［J］.振动与冲击，2011，30（7）：178-187.［3］杨朝阳.车轮踏面磨耗及轮径差对高速动车组动力学性能影响研究［D］.北京：北京交通大学，2009.［4］高海俊.基于SIMPACK的轨道车辆动力学性能分析［D］.南京：南京工程学院，2012. ［5］谷学思.不同踏面及轮径差对高速动车组曲线通过性能的影响［D］.北京：北京交通大学，2011.［6］ Liu Yongjun，Liu Xiaofang.Railway wheel profile optimization design based on nurbs curve［C］／／2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation.The United States：ASME press，2010，439：331-335.［7］ Chen Shuangxi，Lin Jianhui，Chen Jianzheng.System dynamic analysis for motorcar-influence of wheel tread reprofiling［J］.Mechanic Automation and Control Engineering，2011，978：4483-4485.。
传统车辆模型与车辆2轨道耦合模型的垂向 随机振动响应分 …
文章编号:100128360(1999)0520070205传统车辆模型与车辆2轨道耦合模型的垂向随机振动响应分析及比较陈 果, 翟婉明, 蔡成标, 王其昌(西南交通大学列车与线路研究所,四川成都 610031)摘 要:基于车辆2轨道耦合动力学原理,运用随机振动理论进行了轮轨系统中传统车辆模型与车辆2轨道耦合模型的垂向随机振动响应比较分析。
结果表明,传统车辆模型仅适用于轮轨系统的低频振动分析,在研究高频振动时将产生大的误差;而车辆2轨道耦合模型则可适用于轮轨系统整个频率带的随机振动分析。
关键词:铁道车辆;随机振动;轮轨系统;模型中图分类号:U260.111 文献标识码:ACom par ison on Vertical Random V ibration Respon ses of Trad itional Veh icle M odel w ith Veh icle Track Coupli ng M odelCH EN Guo, ZHA IW an2m ing, CA I Cheng2b iao, W AN G Q i2chang(T rain&T rack R esearch Institute,Southw est J iao tong U niversity,Chengdu610031,Ch ina)Abstract:B ased on the theo ry of veh icle track coup ling dynam ics and the theo ry of random vib rati on,the veh icle vertical random respon ses w ith the traditi onal veh icle m odel and w ith the veh icle track coup ling m odel are investigated and com p ared.It is show n that the traditi onal m odel is on ly fit to study low frequency vib rati on s of w heel rail system s,and very seri ou s erro rs w ill be p roduced w hen studying h igh frequency vib rati on s.T he veh icle track coup ling m odel can be su itab le fo r studying the w heel rail system random vib rati on w ith in to tal frequency dom ain.Keywords:rail w ay veh icle;random vib rati on;w heel rail system;m odel 长期以来,在研究铁道车辆的振动形态时,习惯上以车辆本身作为分析系统,而将轨道状态(轨道不平顺)视作激扰源,通过车轮向系统输入。
考虑轮对高速旋转和柔性的车辆轨道耦合系统动力学研究
考虑轮对高速旋转和柔性的车辆轨道耦合系统动力学研究摘要城市的发展、人民生活水平的提高离不开便捷的交通，而铁路车辆的提速正是解决公路交通拥堵的有效手段。
然而车辆速度的提高受到多方面条件的限制，因为速度的提高存在引发更大噪声以及恶化轮轨表面状态，对轮轨振动、噪声及轮轨非均匀磨耗等中高频现象形成和发展的研究迫在眉睫，因此，建立能够研究此类问题的车辆/轨道高频刚柔耦合动力学的模型成为了解决该类问题的关键。
本文建立的能够考虑旋转效应以及中高频结构柔性的轮对模型为解决这类问题提供了理论基础。
由于问题研究的复杂性，按从简到难的次序，本文轮对的柔性建模分为三个部分进行。
首先，为分析轮对轴前几阶弯曲的影响，轮轴模拟为Euler-Bernoulli梁，左右车轮被模拟为固定在轮轴上的刚体，基于Euler-Bernoulli梁弯曲振动理论建立了在平行轨道平面和垂直轨道中心线平面内的轮轴弯曲振动方程。
利用模态叠加法进行求解，其中的关键在于计算在此约束条件下的轮轴弯曲模态。
之后，建立了与该柔性轮对模型相适应的轮轨空间接触几何模型，即考虑了轮轴弯曲对轮轨接触关系的影响。
轮轴变形后，基于左右车轮所在的横截面（或车轮滚动圆面）始终垂直于轮轴的假设，确定左右车轮的空间位置，这是此接触模型的关键。
其次，为分析更高频率的轮对柔性特征，利用有限元方法建立了轮对的柔性变形方程，考虑除轮轴弯曲之外的车轮伞形模态（车轮轴向模态）、车轮多节径模态等高频柔性变形。
同样的，为描述这些轮对柔性变形对轮轨接触空间几何关系的影响，建立了相应的轮轨接触计算模型。
由于在5000Hz以内的轮对变形模态存在一个特点，即车轮轮辋区域沿车轮直径剖面轮廓始终不变，因此，引入虚拟刚性轮对，把柔性轮对与钢轨接触问题转化为虚拟刚性轮对与钢轨接触问题，那么虚拟刚性轮对的空间运动情况的确定成为问题的关键。
最后，建立了能够考虑轮对旋转效应的柔性轮对动力学模型，本文在欧拉坐标系中利用拉格朗日方程和模态叠加法建立并求解轮对的运动方程，此坐标系不随轮对的旋转而旋转。
两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较
维普资讯
第３ ７卷
第３ 期
西
南
交
通
大
学
学
报
Ｖｏ ． ７ Ｎ １３ ｏ ３ Ｊｎ ０ ２ ａ ２ ０
２０ ０ ２年 ６ 月
Ｊ ＯＵＲ ＡＬ ＯＦ Ｓ Ｎ ＯＵＴ ＨＷＥＳ ｎ Ｏ Ｏ ＴＪ Ｔ ＮＧ Ｎｎｒ Ｓ Ｔ Ｕ ＥＲ Ｉ Ｙ
ｈ ｏ ｅｐｏ ｌ ｅ ｌ ａ ｅｈｇ ｅ ｉ ａ ｅ ｄ ｏ ｎｉ ｔｂｌｙ ｈ ｒ ｏ ｖ ｓｄｆ ｒｎ ｅｉ ｔｅｃ ｎ ｒｆｅｗｈ ｅｓｈ ｖ ｉｈ ｒ ｒ ｃ ｌ ｐ ｅ ｆ ｕ ｔ ｇｓａ ｉ ｔ．Ｔ ｅｅｉ ｎ ｔ ｂ ｍｕ ｉｅ ｅ ｃ ｎ ｉ ｃｔ ｉ ｓ ｈ ｎ ｉ ｓ ｏ ｆ ｃ ｒ ｏ ｙ ｖｂａｉｎ ｏ ｅ ｉｌｓｗ ｔ ｈ ｗ ＇ｅ ｐｏ ｌｓｒ ｎ ｉｇｏ ａ ｇ ｎ ａ ｋ ａｂ ｄ ｉｒｔ ｆｖｈｃｅ ｉ ｔｅｔ ｏｂｐ ｒｆ ｅ ｕ ｎｎ ｎ ｔｎ ｅ ｔ ｒ ｃ ｓ ｏ ｈ ｉ ｔ
摘
要： 采用 车辆一 道耦合动力 学理论及其相应 的动力学仿真软件 ＴＴ Ｉ 分 别对锥形 （ Ｂ型 ） 轨 ＩＳＭ， Ｔ 和磨耗形 （ Ｍ Ｌ
不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的动力学分析
不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的动力学分析陶功权;温泽峰;陆文教;金学松【摘要】为了研究我国地铁车辆车轮踏面常用的LM、S1002和DIN5573型面与60 kg/m(CHN60)钢轨在不同轨底坡下的动力学性能,建立了某B型地铁车辆动力学模型,详细分析了该车辆采用3种不同车轮型面时轨底坡对车辆运动稳定性、曲线通过性能以及车轮磨耗和滚动接触疲劳的影响,从动力学分析的角度提出地铁车轮型面的最优轨底坡匹配.计算结果表明,轨底坡对LM型面的运动稳定性影响较小,采用现行的1/40轨底坡时车辆具有相对较优的曲线通过性能,有利于减缓车轮的磨耗和滚动接触疲劳.轨底坡对S1002型面的临界速度影响较大,轨底坡由1/30增大至1/25时临界速度出现明显突变,由228 km/h降至171 km/h,轨底坡小于1/30后车辆的综合动力学性能相对较优.DIN5573型面在轨底坡小于1/30时具有相对较优的动力学性能,轨底坡在1/40~1/30范围内轮轨型面匹配较优.%To investigate the dynamic performance of wheel profiles of LM,S1002 and DIN5573,mainly used in metro vehicles in China,matching with profile of 60 kg/m(CHN60)rail under different rail cant conditions,a metro vehicle dynamic model was built to analyze the effect of rail cant on hunting stability of the vehicle,cur-ving performances,wheel wear and rolling contact fatigue when three different wheel profiles were used,to propose the optimal matching of rail cant for metro vehicle wheel profiles based on dynamic analysis.The cal-culation results showed that the rail cant had little influence on the hunting stability for LM profile.The vehi-cle showed relatively excellent curving performances under 1/40 rail cant,which was conducive to the reduction of wheel wear and rolling contact fatigue.Thecritical speed of metro vehicles with wheel profile of S10002 was greatly affected by rail cant.When rail cant increased from 1/30 to 1/25,a significant change occurred to the critical speed for S1002 profile,with speed dropping from 228 km/h to 171 km/h.The comprehensive dynamic performance of the vehicle proved to be relatively excellent when the rail cant was smaller than 1/30 for both S1002 and DIN5573 wheel profiles.The wheel/rail matching performance was better when the rail cant ranged from 1/40 to 1/30 for DIN5573 wheel profile.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】7页(P16-22)【关键词】地铁车轮型面;轨底坡;动力学性能;车轮磨耗;滚动接触疲劳【作者】陶功权;温泽峰;陆文教;金学松【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U211轨底坡作为轨道结构的一个重要参数，对轮轨型面匹配性能具有非常重要的影响。
高铁线路轮轨耦合动力学分析
高铁线路轮轨耦合动力学分析随着交通条件的不断改善，高铁作为一种重要的快速交通工具已经成为人们出行的首选。
高铁是以高速列车为主体，通过珍视一条特定的线路运行而成。
高速列车在运行中会产生各种各样的动力学问题，其中之一就是轮轨耦合问题。
本文将对高铁线路轮轨耦合动力学进行分析。
一、高铁轮轨耦合的基本原理高铁轮轨耦合是指列车运动与轨道之间的相互作用。
高铁列车通过与轨道的接触，将牵引力和制动力传递给轨道，而轨道则反过来将阻力和支撑力传递给列车，从而形成动力学平衡状态。
在高铁轮轨耦合中，列车对轨道的影响是一个很重要的因素。
列车在运动中，产生的振动和噪声都会对轨道造成影响。
高铁列车的制动操作也会对轨道产生冲击，这些冲击会加速轨道的疲劳破坏，从而影响高铁运行的安全和舒适性。
因此，对高铁轮轨耦合进行动力学分析，对提高高铁的运行效率和安全性具有重要意义。
二、高铁轮轨耦合问题的计算方法1.有限元方法（FEM）有限元法是一种数值方法，用于求解数学问题的近似解。
在高铁轮轨耦合问题中，有限元法可以把轮轨系统划分成许多小部件，计算每个小部件的受力情况，并将它们连接起来，形成轮轨系统的整体受力分析。
2.动力学模型方法动力学模型法是基于物理模型的轮轨受力分析方法。
该方法将轮轨系统分解成一个一个的部件，并将它们看作弹簧、阻尼器和质点组成的系统。
动力学模型法能够分析轮轨系统的固有频率、共振频率、系统阻尼特性等。
三、高铁轮轨耦合问题的解决方案1.轨道设计轨道设计是解决高铁轮轨耦合问题的重要手段。
轨道设计要从几个方面入手，包括轨道截面设计、轨道铺设质量、轨道磨损等。
优质的轨道设计能够减少列车与轨道之间的相互运动，降低轮轨耦合的影响。
2.车轮设计车轮设计也是解决高铁轮轨耦合问题的重要手段之一。
车轮的结构、材料和制造工艺都会影响轮轨系统的受力状况。
优质的车轮设计能够增加车轮的寿命，减少车轮与轨道之间的磨损和撞击。
3.高阻尼减振器的使用高阻尼减振器是一种用于减少列车震动和噪声的装置。
轨道交通列车的轮对动力学与轮轨耦合研究
轨道交通列车的轮对动力学与轮轨耦合研究轨道交通列车是现代城市交通运输系统中的重要组成部分，而列车的运行安全和舒适性与轮对动力学和轮轨耦合密切相关。
轮对动力学研究着重于分析列车轮对的力学特性和动力性能，而轮轨耦合研究则关注轮与轨之间的相互作用及其对列车运行的影响。
本文将从轮对动力学和轮轨耦合两个方面探讨这一课题。
一、轮对动力学的研究轮对动力学研究旨在分析列车的轮对在运行过程中所受力学特性和动力性能。
其中，列车轮对的力学特性包括轴力、轴承力和牵引力等。
轴力是指由于车轮在运行过程中与轨道产生的径向力，可通过合适的轮轴设计和轮胎材料选择来减小其对轮对和轨道的磨损影响。
轴承力是指轮对承受的垂直力，过大的轴承力会导致轮对和轴承的损坏，因此需要对轮轴的承载能力进行合理评估和设计。
牵引力是通过牵引电机传递给轮对的力，不仅影响列车牵引能力，还会对轮对和轨道产生一定的力学影响。
轮对动力学的研究还着重关注列车的动力性能，如轮对在运行过程中的摩擦力和滚动阻力等。
摩擦力是整个列车系统中的重要因素，它既与轮胎材料和轨道表面摩擦特性有关，也与列车的运行速度和加速度等因素密切相关。
滚动阻力是指轮对在运行时所受到的阻力，其大小与列车的速度、质量和轮轴设计等因素有关。
二、轮轨耦合的研究轮轨耦合研究旨在分析轮与轨之间的相互作用及其对列车运行的影响。
轮轨耦合主要包括轮轨垂向力的传递、轮轨横向力的相互作用和轮轨纵向力的传递三个方面。
轮轨垂向力的传递是指轮对在运行过程中所受到的轴力通过车轮传递给轨道。
合理的轮轨垂向力传递能够减小轮胎和轨道的磨损，提高列车的运行效率和安全性。
而不合理的轮轨接触会导致轮胎和轨道的异常磨损，甚至引发列车运行事故。
轮轨横向力的相互作用主要指车轮在弯道行驶时所受到的横向力，这种力会造成车轮和轨道侧向的相对滑移。
横向力的研究可以帮助我们优化轮轨设计，减小车轮和轨道之间的相对滑移，提高列车在弯道行驶时的稳定性和舒适性。
高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究
高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究王健;马晓川;陈嘉胤;徐井芒;王平【摘要】In order to study the matching performance between CHN60Nrail profile and different wheel treads (LMA tread ,S1002CN tread and XP55 tread) in high-speed railway ,the wheel-rail contact points ,the equiva-lent conicity and the change of wheel-rail contact creepage rate with wheel-set lateral displacement were ana-lyzed from the perspective of wheel-rail contact geometry relationship .Then the non-Hertz rolling contact theo-ry was used to analyze the wheel-rail rolling contact area and the distribution of maximum normal contact stress .Finally ,the vehicle-track coupling dynamics simulation model was used to analyze the vehicle riding sta-bility ,the curve passing ability and the dynamic distribution of the wheel-rail contact points .The results show that ,XP55 wheel tread has the best dynamic performance when matching with CHN60N rail profile .Due to the worst performance of LMA wheel tread in curve passing ,the comprehensive performance of LMA tread is slightly worse than XP55 tread ,when matching with CHN60N rail profile .S1002CN tread has the worst com-prehensive matching performance when matching withCHN60N rail ,due to the worst comfort of the straight running of the vehicle ,and the surface fatigue factor is obviously larger than that of the other two wheel treads ,which can lead to fatigue damage on the surfaceof the wheel and rail .%为研究高速铁路CHN60N钢轨廓形与不同车轮踏面(LMA、S1002CN和XP55)的匹配性能,从轮轨接触几何关系角度分析轮轨接触点、等效锥度和轮轨接触蠕滑率随轮对横移的变化情况,并基于轮轨非赫兹滚动接触理论分析轮轨滚动接触面积和最大法向接触应力分布情况,利用车辆-轨道耦合动力学模型分析车辆运行平稳性、曲线通过能力及轮轨接触点动态分布情况.研究表明:XP55车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能最优;由于曲线通过性能与其他两种型面相差较大,LMA车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能次之;S1002CN踏面与CHN60N钢轨匹配时,由于车辆直线运行舒适性最差,滚动接触时表面疲劳因子明显大于其他两种车轮型面,易导致轮轨表面产生疲劳伤损,综合匹配性能最差.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2017(039)012【总页数】8页(P94-101)【关键词】钢轨廓形;车轮踏面;匹配性能;接触几何;滚动接触;动力学性能【作者】王健;马晓川;陈嘉胤;徐井芒;王平【作者单位】西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U213.4轮轨几何型面匹配关系是影响轮轨系统相互作用的关键因素之一，其不仅直接影响车辆运行过程中的动力学性能，还关系到轮轨磨耗和疲劳伤损问题，一直是轮轨关系研究的重点。
不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较
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，建立了整车一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。
目前主要采用传统动力学分析方法手工推导建立车辆动力学模型，本文采用多体系统动力学方法进行程式化的建模。
以特定大跨连续桥为研究对象，考虑到车轮的跳轨和挤密情况，建立了单边弹簧．阻尼系统组成的弹性轮轨接触模型。
利用SIMPACK 和ANSYS联合仿真技术对桥梁在列车运行下车桥耦合振动进行了模拟分析，对弹性轮轨接触模型和约束轮轨接触模型的响应进行了对比，分析了其适用性。
车桥耦合振动的研究通过对铁路提速现状中出现的部分桥梁的承载力及结构振动的特性不能满足提速要求的问题，提出进行车桥耦合振动研究的必要性、研究方法及其研究意义，以使既有桥梁技术改造决策更加科学，铁路提速更加安全可靠。
尤其是列车线路经过桥梁时，高速列车通过桥跨结构会激起桥梁的振动，而桥梁的振动反过来又要影响车辆的振动。
有些桥梁，列车通过时侧向晃动激剧，严重影响列车的安全平稳运行，列车限速过桥，使铁路运输能力不能充分地发挥。
因此，为了增加铁路的竞争能力，提高行车速度，必须对列车走行下桥梁的振动响应及其车桥的相互作用进行深入研究车桥耦合振动问题的发展进程与研究现状列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题就是车辆与桥梁之间的振动耦合问题。
在二十世纪60年代以前，对于铁路桥梁振动的研究主要集中在简单移动荷载作用下的解析方法。
计算机的出现和有限元法的应用，使得建立复杂的列车桥梁分析模型成为可能，从而使该方面的研究达到一个全新的起点。
多年来列车桥梁振动的研究表明了这一问题的复杂性和困难性，随着高速铁路在世界各国的广泛修建和我国铁路的几次提速，列车高速过桥引起桥梁振动与低速情况有很大不同，因此，车桥动力分析问题也越来越吸引更多桥梁界人士的关注。
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引入等效斜度来衡量 LM 型踏面的倾斜程度, 所谓等效斜度就是当轮对横向移动时, LM 型踏面所产生的
左右滚动圆半径差等效于锥形踏面轮对所产生的左右滚动圆半径差。图 9 给出了 T B 型踏面和 LM 型踏
面与 60 kg/ m 钢轨配合使用时左右滚动圆半径差随轮对横移量的变化情况。从图中可以看出, 在平衡位置
Comparison between Vehicle Track Coupling Dynamic Performances of Railway Vehicles with Two Types of Wheel Profiles
WANG Kai yun, ZHAI Wan ming , CAI Cheng biao
垂向振动
f / Hz 0. 5~ 5. 9 5. 9~ 20
F(f) 0. 325f 2 400/ f 2
> 20
1
横向振动
f / Hz 0. 5~ 5. 4 5. 4~ 26
F(f ) 0. 8f 2 650/ f 2
> 26
1
W=
(
W
10 1
+
W
10 2
+
!+
W
1n0)
1 10
( 2)
3. 2 两种类型踏面的车辆在直线轨道上响应
相当。同时, 整体结果表明, LM 型踏面引起的车体响应较之 TB 型踏面稍微大些, 但此差别非常之小而不
足以说明后者的直线轨道响应性能要好于前者。
表 3 TB 型与 LM 型踏面车辆在直线轨道上车体响应
响应 车体横向
车体垂向
指标 加速度最大值
平稳性指标 加速度最大值
平稳性指标
TB 型踏面 0. 049g 1. 834 0. 052g 1. 735
在其它运行工况相同条件下, 轮轨作用力增大, 将会对车辆的防脱轨安全性带来极为不利的影响。从 图 3 中可以看出, TB 型车轮踏面引起外侧车轮脱轨系数达到 0. 4, 较 LM 型踏面引起的增加 1 倍多。在整 个车辆动态通过曲线的过程中, LM 型车轮踏面引起的轮重减载率均较之 TB 型踏面的小( 如图 4 所示) 。 由此表明, 使用 LM 型车轮踏面, 车辆动态通过曲线时, 脱轨安全性好于 T B 型踏面, 多年的实际运营经验 也证明了这一点。
轮轨磨耗指数是轮轨磨损程度的重要标志, 定义为轮轨接触斑内轮轨蠕滑率与蠕滑力的乘积。从图 7 中可以看出来, TB 型轮对在滚动时引起的轮轨接触界面之间的磨损( 最大磨耗指数为 30 kN m/ m) 要小于 LM 型踏面轮对引起的磨损( 最大磨耗指数为 60 kN m/ m) , 这与文献[ 5] 得出的结论相一致。这种现象可能是
分别使用 TB 型车轮踏面和 LM 型车轮踏 面, 在美 国 AAR 标准的 6 级线路谱 激扰之下, 车辆均 以
120 km/ h的速度在直线轨道上运行时其车体横向与垂向加速度最大值及其相应的平稳性指标列于表 3。 从表 3 中可以看出, 无论对于车体横向, 还是车体垂向, 采用两种类型踏面仿真计算所得到的响应结果均
( National Traction Research Center, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: With the theory of vehicle track coupling dynamics and the simulation software TTISIM, dynamic performances of vehicles with the cone and the worn profiles, respectively, are calculated and compared in detail. The results show that the worn profile wheels perform better on curve tracks, while the cone profile wheels have higher critical speed of hunting stability. There is not obvious difference in carbody vibration of vehicles with the two type profiles running on tangent tracks. Key words: vehicles; dynamics; wheel profile; comparison; vehicle track coupling dynamics
3 车辆直线轨道运行响应
3. 1 运行平稳性
客车运行平稳性( 旅客乘坐的舒适性) 可根据 Sperling 平稳 性指标进行评定[ 7]
W=
7. 08
A f
3
F
(f
)
1 10
( 1) 图 9 左右车轮滚动圆半径差随轮对横移量
式中: W 为平稳性指标; A 为振动加速度, g; f 为振动频率, Hz; F ( f ) 为频率修正系数( 列于表 2) 。
使用不同类型踏面的车辆由直线进入缓和曲线到圆曲线、再从圆曲线驶出缓和曲线进入直线轨道后 整个轮轨系统运动和受力关系情况如图 1~ 图 8 所示。
图 1 与图 2 分别给出了两种类型踏面引起的轮轨横向力与垂向力随车辆运行距离的变化的比较。从 图中可以发现, TB 型踏面引起的轮轨横向相互作用力明显比 LM 型的大。例如, 当轮对进入缓圆点时, TB 型踏面与 LM 型踏面的外侧轮轨横向力均达到最大值, 分别为 22 kN 和 10 kN, 后者相对于前者小 54. 5% 。 对于轮轨垂向相互作用力, 仍然是 TB 型踏面的较大, 但相差很小。
2 车辆横向运动稳定性
根据文献[ 6] 确定车辆系统临界速度的方法, 在弹性轨道上加入一段 300 m 长美国AAR 标准的 6 级线 路谱作为轨道随机不平顺, 车辆 轨道耦合系统的振动被激发后在平直且无不平顺的轨道上运行, 考察第 一位轮对横向运动随时间历程的变化情况。在振动时间历程图中, 随着车辆的运行速度逐渐增加, 被激发
图 5 给出了两种类型踏面引起的轮对冲角随车辆运行距离的变化的比较。TB 型踏面轮对冲角较 LM 型踏面的大。由此可见, 使用 TB 型车轮踏面时, 由于轮轨相互作用力和轮对冲角均比 LM 型的大, 车辆对 轨道的破坏作用及线路变形的影响也将增大, 这点可以从图 6 中得到反映, 在本算例下, TB 型车轮踏面引 起的外侧钢轨横向位移量是后者的 约 2. 5 倍。
起来的轮对位移随着时间的延续, 不会衰减或收敛到平衡位置, 而是做等幅的周期运动, 此时该速度便是
车辆蛇行失稳的临界速度。
表 1 列出了铁道部四方车辆厂生产的准高速客 车在分别使用 T B 型踏面车轮与 LM 型踏面车轮时 各自的蛇行失稳临界速度。从表中可以看出, 在本 算例工况下, 使用 TB 型车轮踏面时, 车辆蛇行失稳
表 1 TB 型与 LM 型 踏面车辆的临界速度 km/ h
踏面类型
TB 型踏面
LM 型踏面
临界速度
340
291
的临界速度达到340 km/ h, 相对 LM 型踏面的 高出
49 km/ h。由此证明, LM 型踏面使车辆蛇行运动临界速度降低, 从而较 TB 型踏面容易产生失稳现象。
这主要是由 2 种类型踏面外形几何尺寸固有的特性所决定的。TB 型踏面在滚动圆附近是由斜线构 成, 其斜率是线性的, 而 LM 型踏面是由多段不同半径的圆弧相切组合而成, 其斜率呈非线性。为此, 常常
因此, 文中采用车辆 轨道耦合动力学理论[ 4] 及其动力学仿真软件 TTISIM 分别对锥形踏面车辆和磨 耗形踏面车辆与轨道的动力学性能( 动态曲线通过、横向运动稳定性及直线运行平稳性) 进行理论仿真和 综合比较。在进行仿真计算时, 为不失一般性, 选取铁道部四方车辆厂生产的准高速客车和我国传统的 60 kg/ m 钢轨轨道结构, 而车轮踏面分别采用标准锥形( TB 型) 踏面和磨耗形( LM 型) 踏面两种形式。仿真 计算模型和所有参数均取自文献[ 4] 。
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西南 交通 大 学学 报
第 37 卷
由于 LM 型轮对的纵向、横向及自旋蠕滑率比 TB 型的大( 尤其是自旋蠕滑率更为突出) [ 5] 而引起的。 2 种类型踏面引起的轮轨接触应力( 根据 Hertz 理论计算得到) 随车辆运行距离的变化关系如图 8 所
示。LM 型车轮踏 面与 T B 型车 轮踏 面引 起的 轮轨 接触 应力 最 大值 均发 生在 圆曲 线上, 但前 者只 有 762 MPa, 相对后者小 34. 3% 。由此表明, 采用 LM 型踏面, 可以大幅度降低轮轨接触应力, 改善由于接触 应力导致轮轨踏面疲劳剥离从而进一步引起疲劳损坏的情况, 延长轮轨的使用寿命。
以上适用于振动只含一个频率成分时的情况,
表 2 频率修正系数
实际上, 实测得到的车体加速度往往含有许多频率 成分, 并以标志着机车车辆固有频率的那些最为突 出。此时需要将测得的加速度的时间历程按频率进
行分解, 于是在对每一个频率成分中的加速度按式 ( 1) 计算确定平稳性指标后, 再由此求得总平稳性指 标如下[ 8]
Vol. 37 No. 3 Jun. 2002
摘 要: 采用车辆 轨道耦合动力学理论 及其 相应的 动力 学仿 真软件 TTISIM, 分别 对锥 形( TB 型 ) 和磨耗 形( LM 型) 踏面车辆与轨道的动力学性能进行理论仿真计 算, 并 对计算结 果进行 了详细的 比较。结 果表明: LM 型踏面 有利于车辆动态曲线通过; TB 型踏面对提高车辆蛇行失稳 临界速度有利; 两种类 型踏面车轮 对车辆在 直线轨道 上的平稳性差别甚小。 关键词: 车辆; 动力学; 车轮踏面; 比较; 车辆 轨道耦合动力学 中图分类号:U270 文献标识码: A