高速輪軌系統動態脫軌理論及評價方法研究

《高速輪軌系統動態脫軌理論及評價方法研究》是依託西南交通大學，由關慶華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速輪軌系統動態脫軌理論及評價方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：關慶華
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

脫軌是危及鐵路交通安全的重大問題，研究高速輪軌系統動態脫軌理論和評價準則對保障高速列車運行安全意義重大。針對脫軌過程中輪軌間的多點接觸、非赫茲型共形接觸和接觸碰撞等複雜接觸現象，本項目以精確的輪軌接觸關係為基礎，考慮輪軌柔性和軌道結構彈性，建立融合輪軌碰撞瞬態回響的輪對-軌道動態脫軌分析模型。為揭示高速輪軌系統動態脫軌機理，通過數值模擬輪對從正常接觸向輪緣接觸至最終脫軌的完整動力學過程，以確定高速運行條件關鍵影響因素（如高速旋轉陀螺效應、曲線離心力、輪對柔性、載荷狀態、運行速度、軌道彈性、型面服役狀態和輪軌碰撞等）的影響規律，並探索從運行條件和運動狀態角度提出更準確適用的動態脫軌評價準則。基於上述基礎，進一步研究車輛結構、載荷狀態、懸掛系統參變、高速蛇行失穩、型面服役狀態及線路條件等典型因素對我國高速列車動態脫軌的影響規律，提出相應的評價方法和控制措施。

結題摘要

開展高速輪軌系統動態脫軌機理及評價準則的研究對於保障高速列車運行安全，提高我國高速列車國際競爭力具有重大意義。本項目建立了高速輪對-軌道動態脫軌分析模型，能夠考慮輪對和軌道柔性、高速旋轉的陀螺效應及離心力、以及輪軌磨耗、三維赫茲滾動接觸等複雜接觸行為。基於輪對柔性動力學影響研究表明：輪對柔性使得輪軌橫向力波動能量增大，彎曲模態對輪軌力的頻率敏感特徵有誘發車輪周向非均勻磨耗的可能，反對稱彎曲模態共振有可能導致高速列車低頻蛇行，增大失穩脫軌風險。高速輪對動態脫軌機理研究揭示了不同輪軌沖角、載荷、速度、牽引和制動工況對輪對脫軌的表現形式和影響機理，獲得了不同沖角作用下輪對動態脫軌的臨界載荷。研究了高速鐵路水泥砂漿軟化及路基沉降引起的高速列車運行性，脫軌係數和輪重減載率隨水泥砂漿軟化係數增加而增大，當軟化係數超過1000時，脫軌係數和輪重減載率均超標。對車輛蛇行分叉的研究表明，車輛系統存在運動幅值相差不大的兩個蛇行運動解並存的現象，在相應速度時會因擾動不同出現車輛擺振，影響行車安全。結合列車軌道動力學模型和汽車碰撞動力學模型，引入基於輪軌幾何位置的脫軌評價方法，研究了列車與汽車對向斜碰撞的脫軌機理。其研究表明，列車撞擊速度、貨車質量、碰撞角度以及碰撞界面摩擦係數對碰撞後列車的運行安全性有重要影響。其中，碰撞貨車質量越大，碰撞後的列車越容易脫軌。而輪軌摩擦係數以及懸掛系統參數變化對列車受碰撞後的運行安全性影響較小。此外，基於本研究的推廣，對嵌入式軌道上車輛運行安全性、軌道不平順波長和幅值對車輛動力學的影響也進行研究。本研究對認識高速輪軌系統的脫軌機理，制定合理可靠的評價準則提供了理論基礎，同時，理論模型和計算方法對輪軌動力學、磨耗和疲勞損傷的深化研究也具有重要意義。