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地铁车轮多边形磨耗动态监测评价指标

城市轨道交通研究 2024年

作者：余道洪马盛况陈洪轩范广能沈钢王伟铭同济大学铁道与城市轨道交通研究院中车南京浦镇车辆有限公司

[目的]地铁车轮的多边形磨耗会使车辆产生振动,影响车辆运行的平稳性和舒适性。现有的车轮不圆度静态检测手段需要消耗大量的人力、物力,因此需对车轮多边形磨耗的严重程度进行动态监测。[方法]建立整车刚性、轨下基础柔性动力学仿真模... 详细信息

[目的]地铁车轮的多边形磨耗会使车辆产生振动,影响车辆运行的平稳性和舒适性。现有的车轮不圆度静态检测手段需要消耗大量的人力、物力,因此需对车轮多边形磨耗的严重程度进行动态监测。[方法]建立整车刚性、轨下基础柔性动力学仿真模型;提出基于钢轨振动加速度的车轮多边形阶数特征分析方法:分析车轮多边形磨耗评价指标,并基于实测数据对其进行验证。[结果及结论]车轮多边形程度指标K受轨道不平顺影响小,能够定量地反映车轮的不圆程度;基于评价指标K计算获得的车轮多边形幅值与实际车轮的圆周径跳幅值具有较好的一致性。

关键词：地铁车辆车轮多边形磨耗

钢轨波磨对高速列车车轮多边形磨耗产生与发展的影响

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机械工程学报 2020年第17期56卷 198-208页

作者：吴越韩健左齐宇金学松肖新标梁树林西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031 西南交通大学机械工程学院成都610031

列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于我国高速列车上,会显著增大轮轨之间的相互作用力,严重影响列车运行安全性和舒适性,其产生和发展机理值得探究。车轮多边形磨耗与钢轨波浪形磨损(简称:波磨)从磨耗特征来看较为相似,只是发生磨耗的载... 详细信息

列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于我国高速列车上,会显著增大轮轨之间的相互作用力,严重影响列车运行安全性和舒适性,其产生和发展机理值得探究。车轮多边形磨耗与钢轨波浪形磨损(简称:波磨)从磨耗特征来看较为相似,只是发生磨耗的载体不同,钢轨波磨是否对车轮多边形磨耗存在根本的影响值得深入研究。以我国某线路上运行的高速动车组列车为研究对象,通过建立车轮多边形磨耗仿真预测模型,结合现场试验数据,调查钢轨波磨对车轮多边形磨耗产生和发展的影响。研究表明,钢轨波磨虽然可以导致轮轨力和蠕滑率等磨耗关键参数沿车轮圆周发生周期性波动,但是在车辆实际运营条件下,钢轨波磨导致车轮多边形磨耗产生这一观点的成立条件极为"苛刻",对车轮和钢轨波磨区段起始点的接触位置、钢轨波磨的波长以及车轮周长都有严格的要求。在实际中该条件难以满足。因此,钢轨波磨的存在并不是车轮多边形产生的根本原因。结果可为高速列车车轮多边形形成机理的相关研究提供参考和指导。

关键词：车轮多边形磨耗钢轨波磨高速列车车辆轨道耦合动力学模型机理

基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

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摩擦学学报 2022年第1期42卷 131-141页

作者：吴波文刘婷王晓翠潘家保张荣芸安徽工程大学机械工程学院安徽芜湖241000 安徽工程大学化学与环境工程学院安徽芜湖241000

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.... 详细信息

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.

关键词：摩擦自激振动车轮多边形磨耗高速列车盘式制动器饱和蠕滑力

动车组车轮多边形磨耗发展历程模拟及车轮粗糙度的影响

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铁道学报 2021年第6期43卷 23-28页

作者：宋志坤任海星胡晓依刘元富刘伟李强北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心北京100081

将车辆/轨道耦合动力学模型与Archard磨耗模型相结合,建立长期磨损迭代模型,用以模拟动车组运行时车轮多边形的整个发展历程。模拟动车组以速度为250、300 km/h运行时车轮多边形的发展历程,结果与实际情况吻合,验证了模型的正确性。使... 详细信息

将车辆/轨道耦合动力学模型与Archard磨耗模型相结合,建立长期磨损迭代模型,用以模拟动车组运行时车轮多边形的整个发展历程。模拟动车组以速度为250、300 km/h运行时车轮多边形的发展历程,结果与实际情况吻合,验证了模型的正确性。使用频率计算公式得出车轮多边形激励频率约为580 Hz,说明在轮对与钢轨之间存在一个固定的振动频率,这个振动频率促进了车轮多边形的产生和发展。对比分析车轮粗糙度对车轮多边形的影响,结果表明,提高镟修质量可以减缓多边形的增长速度。

关键词：车轮多边形磨耗车轮/轨道耦合动力学模型长期磨损迭代模型磨耗预测

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨力和转向架振动行为的影响

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机械工程学报 2018年第4期54卷 37-46页

作者：吴越韩健刘佳梁树林金学松西南交通大学牵引动力国家重点实验室中国核动力设计研究院核反应堆系统设计技术重点实验室

列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度,恶化车辆系统和轨道部件的工作环境,严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型,用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗,作为车辆轨道耦合动态行为分... 详细信息

列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度,恶化车辆系统和轨道部件的工作环境,严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型,用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗,作为车辆轨道耦合动态行为分析时的激励输入,计算车轮多边形磨耗阶次、车辆运行速度和运行里程对轮轨力的影响,并分析车轮多边形磨耗与轮轨力之间的相位关系;建立转向架系统高频振动全有限元模型,以时域轮轨力作为模型输入,分析车轮多边形磨耗参数对转向架轴箱、构架振动响应的影响。计算结果显示,随着列车运行速度、车轮多边形磨耗幅值和阶数的提高,轮轨垂向作用力波动范围和转向架振动响应均会显著增大。所得的结果可为高速列车车轮多边形形成的机理和抑制措施的进一步研究提供参考和指导。

关键词：高速列车车轮多边形磨耗轮轨力高频振动车辆轨道耦合动力学模型

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兰新客运专线动车组车轮多边形磨耗的机理

西南交通大学学报 2020年第2期55卷 364-371页

作者：赵晓男陈光雄康熙朱琪张胜吕金洲西南交通大学摩擦学研究所四川成都610031

由于兰新客运专线的线路复杂环境,动车组车轮多边形磨耗现象严峻,加大了列车运行过程中的轮轨作用力,影响了乘客舒适性,给高速列车的安全运行造成极大威胁.为解决上述问题,基于长期跟踪客运专线获得的车轮多边形磨耗规律以及摩擦自激理... 详细信息

由于兰新客运专线的线路复杂环境,动车组车轮多边形磨耗现象严峻,加大了列车运行过程中的轮轨作用力,影响了乘客舒适性,给高速列车的安全运行造成极大威胁.为解决上述问题,基于长期跟踪客运专线获得的车轮多边形磨耗规律以及摩擦自激理论的观点,建立了轮对-钢轨-轨道板摩擦耦合自激振动模型,通过复特征值分析方法来研究车轮多边形磨耗的形成原因及其发展规律.研究结果表明,在直线线路上,轮轨间蠕滑力饱和引起的摩擦自激振动易导致车轮第15~16阶多边形磨耗;在制动系统和轮轨系统耦合的情况下,动力轮对和非动力轮对对应的不稳定振动频率分别容易引起第23~24阶和第22~23阶车轮多边形磨耗;轮轨之间的黏着系数变大可能是导致冬春季车轮多边形发展速度较夏季快的重要原因.

关键词：车轮多边形磨耗摩擦数值仿真饱和蠕滑力制动耦合系统黏着系数

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轴盘制动对高速列车车轮多边形磨耗的影响

表面技术 2022年第3期51卷 43-50页

作者：康熙陈光雄朱琪董丙杰西南交通大学机械工程学院成都610031 摩擦学研究所成都610031

目的研究高速列车轴盘制动引起车轮多边形磨耗的形成机理,并提出相应的抑制措施。方法基于摩擦自激振动引起车轮多边形磨耗的观点,建立高速列车拖车轮对-轴盘制动-轨道系统的有限元模型。采用复特征值法,分析制动工况下制动盘和制动... 详细信息

目的研究高速列车轴盘制动引起车轮多边形磨耗的形成机理,并提出相应的抑制措施。方法基于摩擦自激振动引起车轮多边形磨耗的观点,建立高速列车拖车轮对-轴盘制动-轨道系统的有限元模型。采用复特征值法,分析制动工况下制动盘和制动片摩擦激励的振动。根据等效阻尼比判断摩擦自激振动的不稳定性,等效阻尼比越小,则不稳定振动发生趋势越强。当等效阻尼比小于–0.001时,不稳定振动的振幅会克服系统阻尼逐渐增大。为了考虑模型中非线性因素的影响,采用瞬时动态仿真,获得制动时轮轨间的法向接触力,通过功率谱密度分析,获得轮轨振动主频。此外,分析轴盘制动系统安装位置和3种类型的制动片对车轮多边形磨耗的影响。结果轴盘制动系统摩擦制动容易激励出637 Hz左右的不稳定振动,由于复特征值分析与瞬时动态分析求解方法不同,因此该不稳定振动频率的计算结果存在6%左右的相对误差。轴盘制动系统的安装位置对于不稳定振动的发生趋势具有重要影响,考虑到轴盘制动系统实际安装空间,当制动压力角为–10°-10°时,637Hz左右的振动对应的等效阻尼比随压力角的增大而减小。采用多个蜂窝状制动单元组成的制动片,在制动时可引起602 Hz左右的不稳定振动。当制动片表面存在复合沟槽结构时,在550-650 Hz内,没有等效阻尼比小于–0.001的不稳定振动。结论当高速列车运行速度为300 km/h时,轴盘摩擦制动引起的637 Hz左右的不稳定振动可通过轮对传导至轮轨系统中,引起轮轨摩擦功周期性波动,从而导致拖车车轮发生22-23阶多边形磨耗。在满足制动系统安装要求的条件下,适当增大压力角,可减轻由轴盘制动引起的车轮多边形磨耗。采用多个蜂窝状制动单元组成的制动片,容易导致拖车车轮发生20-21阶多边形磨耗。在制动片表面添加复合沟槽结构,可抑制由轴盘制动引起的19-23阶车轮多边形磨耗。

关键词：轴盘制动系统车轮多边形磨耗摩擦自激振动数值仿真高速列车表面沟槽

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高速列车车轮多边形磨耗的形成机理及影响因素探究

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表面技术 2018年第8期47卷 8-13页

作者：赵晓男陈光雄崔晓璐吕金洲张胜朱琪西南交通大学摩擦学研究所成都610031

目的研究高速列车车轮多边形磨耗的形成机理以及轮轨系统结构参数对车轮多边形磨耗的影响。方法基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致车轮多边形磨耗的理论,建立了包含车轮、钢轨、轨枕和道床的实体模型,然后导入到有... 详细信息

目的研究高速列车车轮多边形磨耗的形成机理以及轮轨系统结构参数对车轮多边形磨耗的影响。方法基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致车轮多边形磨耗的理论,建立了包含车轮、钢轨、轨枕和道床的实体模型,然后导入到有限元软件ABAQUS中,钢轨和轨枕之间采用点对点的无质量弹簧阻尼单元组进行模拟,轨枕和道床之间采用绑定约束连接,道床底部支撑采用点对地的无质量弹簧阻尼单元组。采用复特征值方法研究高速线路上发生制动滑动时轮轨系统的运动稳定性。结果在饱和蠕滑力的作用下,高速线路轮轨系统产生的不稳定振动频率为f=495.01 Hz,列车轮对容易产生18阶多边形磨耗。在一定范围内,扣件的垂向刚度对抑制车轮多边形磨耗影响较小,适当提高扣件的垂向阻尼,可以有效抑制轮轨系统的摩擦自激振动,从而达到抑制车轮多边形磨耗的目的。不同偏心形式对轮轨系统不稳定振动几乎没有影响。结论在高速线路上,列车制动滑动容易引起车轮多边形磨耗,适当提高钢轨扣件的垂向阻尼,可有效抑制车轮多边形磨耗。

关键词：车轮多边形磨耗自激振动复特征值分析垂向刚度垂向阻尼重心偏移

车轮多边形磨耗演变及其对轨道结构振动传递特性的影响研究

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车轮多边形磨耗演变及其对轨道结构振动传递特性的影响研究

作者：安金强兰州交通大学

学位级别：硕士

随着我国高速动车组运营里程的逐年增加和运营速度的逐步提升,轮轨缺陷所造成的车辆动力学问题愈发突出。最为典型的就是车轮多边形磨耗,其伴随整个车轮使用周期,且对轮轨接触振动影响较大,尤其是高阶车轮多边形极易引发轨道结构高频振... 详细信息

随着我国高速动车组运营里程的逐年增加和运营速度的逐步提升,轮轨缺陷所造成的车辆动力学问题愈发突出。最为典型的就是车轮多边形磨耗,其伴随整个车轮使用周期,且对轮轨接触振动影响较大,尤其是高阶车轮多边形极易引发轨道结构高频振动,从而恶化车辆服役环境。本文以初始两种阶数组合的车轮多边形为研究对象,探究了车轮多边形磨耗演变规律及其对轨道振动传递特性的影响,主要工作如下:(1)建立一种适用于研究多阶组合车轮多边形磨耗的预测模型。该模型包括车辆-CRTSⅠ型板式无砟轨道耦合动力学模型和两侧车轮多边形磨耗计算模型。动力学模型建立弹性车轮来考虑轮对柔性,钢轨采用考虑剪切及转动惯量的Timoshenko梁,扣件及砂浆层通过弹簧阻尼单元模拟,采用Kik-Piotrowiski模型计算轮轨间全局接触参数。两侧车轮多边形磨耗计算模型通过Fa Strip算法计算轮轨间的局部接触参数,通过USFD磨耗函数计算每个接触斑的磨耗深度。(2)车轮不圆顺的数值模拟。基于Mallat小波变换原理,以随机高斯白噪声作为输入,以粗糙度为目标函数,通过小波分解与重构,利用稳健局部加权回归散点平滑法和20阶傅里叶级数结合相位变换的方法,实现模拟数据的平滑降噪及首尾光滑连接,从而获得与目标函数较为匹配的车轮不圆顺序列。(3)探究多阶组合车轮多边形的磨耗演变规律。实测数据显示车轮偏心存在于整个车轮多边形演变周期,且特征明显,基于此对比分析初始单阶车轮多边形作用及其与车轮偏心叠加时车轮多边形磨耗演变情况。结果表明,初始单阶车轮多边形作用时所得的阶数-幅值结果中并未出现明显的车轮偏心特征,而初始叠加车轮偏心后的车轮多边形演变结果中,可发现在整个车轮圆周磨耗周期中,车轮偏心特征明显,且车轮多边形阶数分布更为符合实际情况,因此在仿真计算车轮多边形磨耗时需尽量考虑车轮偏心;初始多阶组合的车轮多边形,其迭代终止后的轮对垂向振动加速度功率谱密度能量峰值稳定分布在频率507.8Hz附近,满足“定频”机理;当初始车轮圆周存在3阶、4阶和5阶车轮多边形时,车轮多边形阶数整数倍演变的规律更为明显;初始以1阶车轮多边形幅值为主导,同时考虑低阶与高阶车轮多边形组合的情况,可获得与实测数据更为接近的车轮多边形分布。(4)探究车轮圆周磨耗演变对轨道结构振动传递特性的影响。分析车轮多边形阶数、波深和相位等参数对轨道结构振动传递特性的影响,进而研究车轮多边形演变下的轨道结构振动传递特性。结果表明,低阶车轮多边形对轨道结构垂向位移量的影响大于高阶车轮多边形,但高阶车轮多边形作用时,钢轨及轨道板垂向振动加速度存在明显的拍振现象,且拍振现象仅从钢轨向轨道板传递时具有滞后性;振动从钢轨向下传递的过程中,波深较大的车轮多边形所引起的能量衰减明显快于波深较小车轮多边形;左右轮存在相位差时会在一定程度上增加轨道板及底座板的垂向位移,但不会影响振动能量的向下传递;车轮多边形的演变过程中,轨道结构垂向位移未发生明显变化,但垂向振动加速度增幅明显;高阶车轮多边形幅值占主导位置时,振动向下传递的能量衰减明显。

关键词：高速列车车轮多边形磨耗磨耗演变振动传递特性小波变换