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轨道几何不平顺对高速列车车轴动应力的影响

中南大学学报（自然科学版） 2022年第5期53卷 1719-1729页

作者：高闯孙守光任尊松任君临北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

在考虑轮对的弹性建模基础上,分别建立拖车和动车车辆系统动力学模型,根据实测武广线随机不平顺激励波形,研究轨道随机不平顺和扭曲不平顺对拖车和动车车轴动应力的影响。研究结果表明:轨道随机不平顺对拖车、动车车轴动应力的影响均较... 详细信息

在考虑轮对的弹性建模基础上,分别建立拖车和动车车辆系统动力学模型,根据实测武广线随机不平顺激励波形,研究轨道随机不平顺和扭曲不平顺对拖车和动车车轴动应力的影响。研究结果表明:轨道随机不平顺对拖车、动车车轴动应力的影响均较小,且垂向不平顺对车轴动应力的影响略大于横向不平顺对车轴动应力的影响。扭曲不平顺通过速度及幅值的改变对车轴动应力及其沿轴向分布有明显影响,轮对内侧截面的动应力及其变化幅度均比轮对外侧截面的大得多,且轮对一位端截面动应力均大于二位端对应截面动应力。此外,扭曲不平顺幅值的增加,会造成轮轨垂向力和横向力显著增大,根据轮轨垂向力安全限值,400 km/h行车速度下,应严格控制扭曲不平顺幅值在5 mm以下。

关键词：轨道几何不平顺高速列车车轴动应力轮轨力安全限值

高速列车智能轮对应力谱测试及车轴裂纹扩展寿命分析

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第5期53卷 1955-1964页

作者：王文静闫瑞国丁然张振先沙淼单巍北京交通大学载运工具先进制造与测控技术教育部重点实验室北京100044 中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266111 中车长春轨道客车股份有限公司吉林长春130062 中国国家铁路集团有限公司北京100844

采用智能轮对在京沪高铁开展时速为350 km/h的高速列车的车轴动应力试验,测试里程达90余万km,建立实际运行状态下车轴关键截面的应力谱,基于测试结果分析上下行线路、速度等因素对车轴应力谱的影响,并根据极值理论建立用于评价车轴超声... 详细信息

采用智能轮对在京沪高铁开展时速为350 km/h的高速列车的车轴动应力试验,测试里程达90余万km,建立实际运行状态下车轴关键截面的应力谱,基于测试结果分析上下行线路、速度等因素对车轴应力谱的影响,并根据极值理论建立用于评价车轴超声探伤间隔的140万km台架试验谱,分别采用Paris公式与NASGRO方程预测140万km台架试验谱作用下卸荷槽区域裂纹扩展寿命,并通过车轴裂纹扩展台架试验进行验证。研究结果表明:高速列车动力车轴最大应力截面为卸荷槽根部截面,最大应力幅值为119 MPa;当车轴为导向轴时,其应力谱的应力极值与等效应力比作为非导向轴时增大约7%;随外推里程增加,车轴应力谱极值逐渐趋于稳定,140万km及1500万km外推应力谱的应力极值分别为121 MPa与127 MPa;初始深度为7.0 mm的半椭圆裂纹在台架试验140万km试验谱加载下扩展至7.5 mm,分别使用Paris公式与NASGRO方程进行数值分析时,裂纹深度由7.0 mm分别扩展至9.1 mm与7.7 mm,可知将Paris公式与NASGRO方程用于评估车轴剩余寿命时均具有保守性,NASGRO方程计算结果更接近试验值。

关键词：高速列车车轴动应力台架试验谱极值理论裂纹扩展寿命

轮轨高频激励对整车动力学性能及车轴应力影响研究

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轮轨高频激励对整车动力学性能及车轴应力影响研究

作者：张坤北京交通大学

学位级别：硕士

随着铁路的运行速度和激励频率的提升,高铁轮轨磨损现象频繁出现,其中车轮多边形、车轮扁疤和钢轨波磨不仅会导致轮轨间产生较大的冲击载荷,同时由这些缺陷导致的高频冲击会进一步上传到车轴和轴箱,进而影响车辆各部件使用寿命。为探究... 详细信息

随着铁路的运行速度和激励频率的提升,高铁轮轨磨损现象频繁出现,其中车轮多边形、车轮扁疤和钢轨波磨不仅会导致轮轨间产生较大的冲击载荷,同时由这些缺陷导致的高频冲击会进一步上传到车轴和轴箱,进而影响车辆各部件使用寿命。为探究上述磨耗产生的高频激励对车轴载荷与应力的影响规律,本文以某型高速列车拖车为对象,利用Simpack建立整车刚柔耦合系统动力学模型,在考虑车轮扁疤、车轮多边形和钢轨波磨作为输入激励时,对比分析整车动力学性能与车轴应力在不同高频激励作用下的规律。具体研究内容如下:(1)根据某型高速列车参数建立了刚柔耦合动力学模型。对轮对和轨道进行了柔性化处理,将轮对柔性化前后的模态频率和振型进行了对比以验证柔性化的准确性。将轨道柔性化前后轮轨力时频域曲线进行了对比分析,结果表明柔性轨道会考虑扣件冲击和轨道振动对轮轨动力学性能的影响。(2)通过理论和仿真计算了车轴应力分布并进行了对比分析,确定了车轴关注截面和组桥方案。利用高速轮轨关系试验台进行了车轮多边形工况下的轮轴台架试验,测试了其在不同轴重和运行速度下的车轴动应力和轴箱加速度。同时验证了动力学模型的准确性。(3)分别对车轮扁疤和车轮多边形进行模型建立,在时频域内研究了各速度级下不同车轮扁疤和车轮多边形工况对车辆运行安全性、轴箱加速度和车轴关键截面动应力的影响规律。在车轮扁疤激励下,轮轨力、轴箱加速度和车轴应力都会随速度级提高出现峰值。对车轴动应力结果进行弹性模态分析,发现在高频激励作用下车轮-轨道耦合模态中垂向弯曲模态会被激振,导致动应力增大。(4)建立了短波钢轨波磨的数学模型,在时频域内研究了各速度级下不同钢轨波磨工况以及不同钢轨波磨与车轮多边形耦合工况对车辆运行安全性、轴箱加速度和车轴关键截面动应力的影响规律。研究发现轴箱加速度和车轴动应力在钢轨波磨激励频率与频率为468Hz的轮对耦合垂向弯曲模态靠近时会显著增大;在耦合工况下,轮轨垂向力、轴箱加速度和车轴关键截面动应力时域曲线会出现拍振现象,其影响规律与钢轨波磨和车轮多边形单独作用的叠加效果近似。图104幅,表7张,参考文献68篇。

关键词：车轮扁疤车轮多边形钢轨波磨车轴动应力高频激励

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基于长期线路实测动应力的车轴疲劳寿命预测

基于长期线路实测动应力的车轴疲劳寿命预测

作者：梁韵琪北京交通大学

学位级别：硕士

高速列车车轴的设计标准是基于名义应力法的无限寿命设计,然而车轴在服役期间可能会承受设计时未充分考虑的应力或损伤。虽然设计标准考虑了轴重、速度、启动、制动以及过曲线等因素,然而30年服役期间车轴难免会受到车轮失圆、剥离、擦... 详细信息

高速列车车轴的设计标准是基于名义应力法的无限寿命设计,然而车轴在服役期间可能会承受设计时未充分考虑的应力或损伤。虽然设计标准考虑了轴重、速度、启动、制动以及过曲线等因素,然而30年服役期间车轴难免会受到车轮失圆、剥离、擦伤以及钢轨波磨等作用的影响,产生高频高幅值的动应力,同时也难免会遭受腐蚀、风沙环境以及异物击打造成偶然损伤。本文通过线路试验与仿真分析相结合,开展了服役状态下高速列车车轴疲劳寿命预测,具体研究工作如下:(1)开展了长期线路车轴关键截面动应力测试,对比了不同运行速度、不同运行交路、镟修前后的轴箱加速度有效值和车轴应力谱特征。通过线路实测获得了90万公里车轴应力谱,并通过线性外推获得了全寿命周期车轴应力谱。(2)对等效应力、加速度有效值进行了分布拟合,拟合结果表明等效应力服从正态分布;对轴箱加速度有效值与车轴等效应力二者间进行了相关性分析与独立性检验,结果表明二者存在强相关;利用二维正态分布对两者进行分布拟合,拟合效果较好,表明利用轴箱加速度推算车轴等效应力进而预测车轴疲劳寿命具有可行性。(3)将轮对弹性化,建立了含扁疤的刚柔耦合动力学仿真模型,并通过轮对台架试验验证了动力学仿真模型的准确性;仿真计算了不同级别扁疤作用下、不同运行速度下的车轴应力,获得了扁疤对车轴应力的影响规律。(4)开展了试样级的车轴材料疲劳性能试验,获得了表面光滑的车轴棒状试样在水汽环境下的S-N曲线性能参数。研究表明水汽环境对EA4T车轴材料疲劳极限具有较大的影响,相比于空气环境中,水汽环境使其疲劳强度降低67.3%。(5)结合车轴材料空气和水汽环境下的S-N曲线,分别计算了两种环境下车轴关键截面的累积损伤和疲劳寿命;同时考虑车轮扁疤对车轴全寿命周期应力谱的影响,估算车轴累积损伤。结果表明:水汽环境会使车轴疲劳寿命急剧下降,车轴疲劳寿命下降至254.00万公里,无法满足车轴疲劳寿命设计要求的25-30年使用寿命;考虑车轮扁疤作用后车轴疲劳寿命下降为无扁疤情况的2.1‰。图51幅,表36个,参考文献81篇。

关键词：车轴动应力轴箱加速度车轮扁疤分布拟合疲劳寿命

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多种轮轨激扰对车轴动应力影响研究

多种轮轨激扰对车轴动应力影响研究

作者：高闯北京交通大学

学位级别：硕士

随着列车运行速度不断提高,轨道不平顺激扰、车轮非圆化磨耗等问题对车辆运行安全的影响日益凸显。车轴作为重要的走行及承载部件,其结构强度对于高速列车持续安全运行至关重要。基于我国某型现役高速列车,分别建立了弹性轮对拖车、动... 详细信息

随着列车运行速度不断提高,轨道不平顺激扰、车轮非圆化磨耗等问题对车辆运行安全的影响日益凸显。车轴作为重要的走行及承载部件,其结构强度对于高速列车持续安全运行至关重要。基于我国某型现役高速列车,分别建立了弹性轮对拖车、动车车辆系统动力学模型,以将拖车结果和动车结果进行对比分析;关注多个车轴截面,系统研究了车辆在多种轮轨激扰作用下的车轴动应力特征及其沿轴向分布规律。论文主要研究内容如下:(1)建立了弹性轮对拖车、动车车辆系统动力学模型,仿真得到空载、重载两种工况下的轮轨载荷、车轴动应力及疲劳等效应力,并与对应工况的线路试验数据对比,仿真模型较为准确地反映了高速列车车轴动应力大小和动力学性能。(2)针对高速线路曲线和站区小半径曲线,分析了不同曲线通过速度和曲线参数下车轴动应力变化规律。车辆通过高速线路曲线时,曲线通过速度及曲线参数的改变对轮对内侧C截面影响最大。车辆通过小半径曲线时,由于导向轮对存在较大的轮对冲角,轮对内侧各截面动应力显著增加,因此对轮对内侧D、E截面动应力也应重点关注。(3)建立了多种类型轨道不平顺的数学模型,分析了车辆运行速度和轨道不平顺参数的改变对车轴动应力的影响。轨道随机不平顺和余弦型不平顺对车轴动应力无明显影响,而三角坑和叠合型不平顺对车轴动应力影响较大。结合相应指标,在400km/h行车速度下,建议将三角坑不平顺幅值限定在5mm。(4)建立了车轮扁疤和车轮多边形数学模型,分析了不同尺寸车轮踏面缺陷下车轴动应力及疲劳强度变化规律。随着车辆速度提高,车轴动应力在低速区存在峰值,靠近扁疤侧的拖车D1截面、动车C1截面的动应力变化幅度最大。低阶车轮多边形中,以6阶车轮多边形对车轴动应力影响最大,次之分别为2阶、3阶、1阶。高阶车轮多边形激励下,由于拖车和动车轮对结构的差异,两者分别在432.7Hz和576.5Hz位置处存在峰值,高阶车轮多边形虽然幅值较小,但其在峰值位置处对动应力的影响远大于低阶车轮多边形。为保障高速列车的持续安全运行,针对拖车和动车车轴进行疲劳强度评估,建议严格限制拖车、动车20阶车轮多边形幅值分别为0.03mm、0.015mm;并结合弹性模态,分析高频激励下车轴各截面可靠性存在显著差异与轮对弯曲模态振型有关。图113幅,表14张,参考文献86篇。

关键词：车轴动应力疲劳强度高速列车轨道激扰车轮踏面缺陷

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含极端工况的高速轮轨载荷及车轴动应力分析

含极端工况的高速轮轨载荷及车轴动应力分析

作者：郑贞琼北京交通大学

学位级别：硕士

轮轴作为高速列车重要的承载部件,对车辆的安全运行起到了举足轻重的作用,研究其实际运行时的载荷和动应力特征可为结构设计、优化、服役寿命预测等提供重要的参考。本文以国内某型高速动车组轮轴为研究对象,依托大西客运专线典型工况... 详细信息

轮轴作为高速列车重要的承载部件,对车辆的安全运行起到了举足轻重的作用,研究其实际运行时的载荷和动应力特征可为结构设计、优化、服役寿命预测等提供重要的参考。本文以国内某型高速动车组轮轴为研究对象,依托大西客运专线典型工况的轮轴载荷和动应力数据,结合扁疤冲击、道岔通过及组合工况仿真模型,从线路实测和数值仿真两个角度研究了不同工况下的轮轴载荷和动应力特征。具体研究内容如下:（1）根据测力轮对的贴片原理及方案,完成轮轴静态加载标定试验,处理并分析不同工况下的静态标定数据,分析不同方向作用载荷之间的影响,得到轮轴垂向、横向载荷应力传递系数。（2）借助载荷应力传递系数处理线路实测数据,提取不同速度直线工况和不同半径曲线工况的应力/载荷时间历程,编制相应载荷谱和应力谱,分析这些典型工况下的轮轨载荷及车轴动应力的分布特性。结果表明,直线工况下,速度对轮轨主频载荷和车轴主频应力的影响较小,载荷/应力变化区间会随着速度的提高而增大;曲线工况下,轮轨载荷和车轴应力都发生了明显的偏移,偏移程度与曲线半径和线路超高密切相关,具体表现为曲线对应的平衡速度与列车实际运行速度相差越大,轮轨载荷和车轴应力相对直线工况偏移越明显。（3）利用多体动力学仿真工具SIMPACK,根据动车组参数建立刚柔耦合车辆系统模型,其中为精确研究轮轴载荷和动应力特性,考虑将轮轴柔性化处理;根据高速客运专线的道岔型号,选用42号可动心轨单开道岔,通过提取关键截面数据和插值非关键截面建立直向通过道岔和侧向通过道岔模型;将车轮扁疤考虑为车轮圆周上的局部失圆,建立不同尺寸的扁疤模型。（4）通过数值仿真,得到扁疤冲击、道岔通过以及组合工况下的轮轨载荷和车轴关键节点动应力,分析这些极端工况对轮轨载荷和车轴动应力的影响特征。结果表明,扁疤长度对轮轨载荷和车轴动应力有明显影响,随着速度的提升,轮轨垂向载荷和车轴关键截面应力均呈现先增大后减小的趋势,低速工况下扁疤冲击会严重影响车轴疲劳寿命;车辆通过道岔转辙区和辙叉区会发生明显的轮轨冲击;扁疤车轮高速直向通过道岔时,轮轨载荷伴随重复性高频冲击,且转辙区轮轨垂向力以扁疤冲击为主、辙叉区以道岔冲击为主,组合工况产生的轮轨载荷和动应力峰值均大于单一工况产生的峰值。图86幅,表12个,参考文献102篇。

关键词：轮轨载荷车轴动应力线路实测车辆系统动力学模型道岔通过扁疤冲击