高速列车车轮多边形限值研究

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随着高速列车不断优化和发展,其在速度方面有很大的提升,加剧了轮轨振动,导致车轮多边形以及钢轨波磨现象普遍存在于运营现场,使得车辆动力学性能恶化。目前大多数文献还是研究单一磨耗激励下的轮轨动力响应,在列车运行中车轮多边形和钢轨波磨在列车和轨道上较为常见,对于此类现象共同引起列车动态响应问题研究尚不充分,本文针对这两种磨耗对列车安全特性的影响展开研究。依据我国某型高速列车主要参数,创建其对应的高速列车刚柔耦合动力学模型;分别以谐波函数、余弦函数形式将车轮多边形、钢轨波磨进行了表达,结合实测数据对比验证后展开了联合仿真,研究车轮多边形、钢轨波磨以及多边形与波磨两者的综合磨耗作用下引起的列车动力学响应,并按照国际铁路联盟UIC-518中的轮轨垂向力170k N限值为标准,提出关于车轮多边形的安全限值,为车轮运营维护提供技术支持。仿真分析了在不同速度、车轮多边形阶数、幅值和不同钢轨波磨波长、波深时,车轮多边形、钢轨波磨以及这两者的综合磨耗作用下,引起的车辆系统动力学性能变化。结果表明:(1)在车轮多边形激扰下,增加车速、阶次及幅值时,车轮的脱轨系数、轮重减载率及轮轨垂向力相应的增加,此时轴箱、轮对及钢轨垂向振动加速度也具有增大趋势。不同速度级下,当速度增至300km/h,多边形阶次为20阶,其对应的轮轨垂向力最大值增幅达到最大,增长了30.7%,其对应的振动主频576.1Hz与轮对模态计算25阶振型580.8Hz较为接近,即车轮与25阶振型模态产生共振,导致振动冲击增大,同时轴箱、轮对以及钢轨垂向振动加速度最大值的增幅与轮轨垂向力表现一致,增幅达到最大。其中,轴箱与轮对垂向振动加速度的增幅明显大于钢轨垂向振动加速度,即在列车存在多边形磨耗的运营状态下,会对车辆轨上部件的振动影响更大;(2)在钢轨波磨激扰下,增加波深时,车轮的脱轨系数、轮重减载率及轮轨垂向力相应的增加,此时轴箱、轮对及钢轨垂向振动加速度也具有增大趋势;但随着波长的减小,车轮的脱轨系数、轮重减载率、轮轨垂向力也会呈增大的趋势,同时列车部件轴箱、轮对以及钢轨对应的垂向振动加速度幅值同样有所提升;列车以不同速度运行条件下,钢轨垂向振动加速度最大值的增幅明显大于轴箱和轮对垂向振动加速度,即在列车运营状态下,钢轨波磨对轨下的振动影响更大;(3)在轮轨综合磨耗激扰下对列车的动力学性能的影响较仅有车轮多边形与仅有钢轨波磨下明显更为剧烈。轮轨综合磨耗下对应的车轮多边形安全限值较单一多边形磨耗工况下更低,当列车处于低速运行条件下,两者对应的多边形幅值限值相差不大,车速超过250km/h,在轮轨综合磨耗作用下,其对应的多边形幅值限值明显低于仅有多边形磨耗工况,容易超出限值;当速度为300km/h,提出了钢轨波磨波长120~160mm以及波深在0.01~0.04mm范围内,车轮多边形阶次10~30阶对应幅值0.1mm范围内关于车轮多边形的安全限值。
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