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高速铁路轮轨动力作用规律分析

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前，我国350 km/h 及以下速度等级高速铁路固定设施设计施工技术日趋完善，技术标准基本齐备[1]，并对该速度等级的高速铁路轮轨关系、轮轨周期性磨耗条件下的轮轨动力作用进行了专项试验研究[2-6]。

但对于更高速度等级的轮轨动力作用研究尚处于探索阶段，确定更高速度条件下的轮轨动力作用规律，对于指导轮轨材料和结构优化升级，提高我国高速铁路相关工程设计施工水平具有重要意义，同时可为下一阶段我国高速铁路的建设规划及推动高速铁路行业进一步发展提供技术支撑和依据。

1 常规状态下轮轨动力作用为分析380 km/h 和400 km/h 更高速度动车组在轮轨常规状态下的适应性，分别进行现场综合试验和理论分析。

其中现场综合试验包括京沪高铁先导段（枣庄西—蚌埠南）和郑徐高铁开封北—萧县北段[7]。

1.1 试验分析1.1.1 京沪高铁先导段京沪高铁先导段（枣庄西—蚌埠南）为直线地段，采用CRTS Ⅱ型板式无砟轨道，配套W300-1型扣件，下部基础为路基。

主要测试车型为中车青岛四方机车车辆股份有限公司制造的CRH380AL 和中车唐山机车车辆有限公司制造的CRH380BL，分别测试300、330、350、380、400 km/h 速度等级条件下的轮轨垂向力情况，测试结果见表1。

由表1可知，高速动车组通过各轮轨力测点时轮轨垂向力最大值为87.5~98.6 kN，平均值为69.3~77.9 kN。

相比350 km/h 及以下速度等级，高速动高速铁路轮轨动力作用规律分析涂英辉（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017G011-A）作者简介：涂英辉（1980—），男，副研究员。

E-mail：greyfalcon@摘 要：通过对轮轨常规状态、钢轨波磨和车轮多边形等条件下，动车组不同速度等级运行时的轮轨动力作用进行现场试验和理论分析，研究380、400 km/h 更高速度条件下的轮轨动力作用，探索更高速度条件下轮轨动力作用规律，对指导轮轨材料和结构优化升级，提高我国高速铁路相关工程设计施工水平具有重要意义。

关键词：高速铁路；轮轨动力；钢轨波磨；车轮多边形中图分类号：U211.5；U260.11+1 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2019）07-0022-05DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2019.07.022表1 京沪高铁先导段轮轨垂向力测试结果目车组以380 km/h 和400 km/h 速度通过直线区段时的轮轨动力作用变化不明显。

1.1.2 郑徐高铁郑徐高铁试验区段开封北—萧县北为曲线地段，采用CRTS Ⅲ型先张板式无砟轨道、WJ-8型扣件，桥上除连续梁及紧靠连续梁一跨的简支梁采用小阻力扣件外，其余简支梁采用常阻力扣件。

主要测试车型为CRH0207和CRH0503型动车组，分别进行300、330、350、380和400 km/h 不同速度等级条件下，动车组通过半径为9 000 m 曲线缓圆点时的轮轨垂向力情况，测试结果见表2。

由表2可知，随着列车速度的增加，轮轨垂向力幅值略有增大。

动车组以380、400 km/h 速度通过半径为9 000 m 曲线缓圆点时，实测轮轨垂向力最大值分别为115.8 kN 和125.1 kN，平均值分别为93.6 kN 和97.1 kN，均未超出《高速铁路工程动态验收技术规范》[8]中轮轨动力作用的限值要求（170 kN）。

综合京沪高铁先导段和郑徐高铁试验分析可知，在轮轨常规状态下，随着列车速度的增加，轮轨动力作用不断增大，但增大幅度较小。

400 km/h 与300 km/h 速度相比，最大轮轨垂向力增大约40%，平均轮轨垂向力增大约29%；400 km/h 与350 km/h 速度相比，最大轮轨垂向力增大约20%，平均轮轨垂向力增大约12%。

最大轮轨垂向力均未超出《高速铁路工程动态验收技术规范》中轮轨动力作用的限值要求。

1.2 理论分析利用NUCARS 分析软件，参照CRH380A 型动车组建立车辆-轨道耦合动力学仿真模型（见图1）[9]。

该模型由1个车体、2个构架、4个轮对构成，其中每个刚体均考虑垂向、横向、纵向、点头、摇头和侧滚6个自由度。

构架和轮对之间通过一系弹簧、垂向减振器连接，构成一系悬挂系统；构架和车体之间通过空气弹簧、二系垂向减振器、二系横向减振器、抗蛇行减振器等元件连接，构成二系悬挂系统，悬挂系统由弹簧阻尼单元模拟。

钢轨采用离散点支承形式，由弹簧阻尼单元模拟扣件垂向和横向的约束作用，同时考虑钢轨表面原始不平顺的影响。

模型主要参数见表3。

采用车辆-轨道耦合动力学仿真模型，分析在轮轨常规状态下，列车分别以300、350、380和400 km/h 速度通过时的轮轨动力作用最大值（见表4）。

由表4理论分析结果可知，在轮轨常规状态下，随着列车速度的增加，轮轨动力作用略有增大，但增大幅度较小。

400 km/h 与300 km/h 速度相比，最大轮轨垂向力增大约31%；400 km/h 与350 km/h 速度相比，最大轮轨垂向力增大约19%。

最大轮轨垂向力均未超出《高速铁路工程动态验收技术规范》中轮轨动力作用的限值要求。

表2 郑徐高铁试验段轮轨垂向力测试结果图1 车辆-轨道耦合动力学仿真模型表3 车辆-轨道动力学仿真模型主要参数表4 常规状态下轮轨动力作用最大值2 钢轨波磨条件下轮轨动力作用为分析钢轨表面存在波磨的情况下，不同速度动车组通过时的轮轨动力作用，分别进行现场试验和理论分析。

其中现场试验为2011年京沪高铁钢轨波磨专项试验[10]。

2.1 试验分析2011年对京沪高铁不同波磨深度情况下的轮轨动力作用进行了专项试验。

京沪高铁采用CRTS Ⅱ型板式无砟轨道，配套W300-1型扣件，钢轨表面存在明显波磨，波长为120~150 mm，分别在波磨谷深0.04、0.05和0.08 mm位置及无波磨区段测试轮轨动力作用情况，测试结果表明：（1）波磨谷深0.04 mm地段。

在250 km/h速度等级下，有波磨地段轮轨垂向力平均值比无波磨地段增大约8.8%；在300 km/h速度等级下，轮轨垂向力平均值增大约20.8%。

（2）波磨谷深0.05 mm地段。

在250 km/h速度等级下，有波磨地段轮轨垂向力平均值比无波磨地段增大约13.0%；在300 km/h速度等级下，轮轨垂向力平均值增大约52.5%。

（3）波磨谷深0.08 mm地段。

在250 km/h速度等级下，有波磨地段第一、二、三断面轮轨垂向力平均值比无波磨地段分别增大27.1%、33.4%、36.2%；在300 km/h速度等级下，轮轨垂向力平均值分别增大61.9%、93.5%、82.8%。

综合分析动车组高速通过有波磨测点产生的轮轨垂向力测试数据可知，钢轨波磨对轮轨垂向力有较大影响，相同速度条件下磨耗深度越大，轮轨动力作用越大。

与无波磨地段相比，在250 km/h速度等级下有波磨地段轮轨垂向力增大的幅度为8.8%~36.2%，在300 km/h速度等级下有波磨地段轮轨垂向力增大的幅度为20.8%~93.5%，实测轮轨垂向力最大值为168 kN （接近170 kN限值），出现在波磨谷深0.08 mm地段。

2.2 理论分析利用车辆-轨道耦合动力学仿真模型，分析钢轨表面存在波长为120~150 mm，波磨谷深0.02、0.04、0.06和0.08 mm以及无波磨时，行车速度为300、350、380和400 km/h时的轮轨力情况，计算得到不同钢轨磨耗程度和不同行车速度下的轮轨垂向力最大值变化规律，未考虑车轮多边形条件的计算结果见图2。

由图2可知，相同速度等级条件下，波磨谷深越大，轮轨动力作用越大，400 km/h速度时，波磨谷深0.08 mm与0.02 mm相比，轮轨垂向力增大约96%；相同波磨谷深条件下，速度越大，轮轨动力作用越大，波磨谷深0.08 mm时，400 km/h与300 km/h速度相比，轮轨垂向力增大约63%。

350 km/h速度情况下，波磨谷深0.08 mm时轮轨垂向力接近170 kN的限值要求；380 km/h速度情况下，波磨谷深0.06 mm时轮轨垂向力接近170 kN的限值要求；400 km/h速度情况下，波磨谷深0.06 mm时轮轨垂向力超过170 kN限值要求。

3 车轮多边形条件下轮轨动力作用为分析车轮表面存在多边形的情况下，动车组以不同速度运行时的轮轨动力作用，分别进行现场试验和理论分析。

其中现场试验为2016年武广高铁车轮多边形专项试验[11]。

3.1 试验分析2016年对武广高铁车轮多边形情况下的轮轨动力作用进行了专项试验。

武广高铁采用CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道，配套W300-1型扣件，在武广高铁牛岭隧道K2096+211—K2103+799区段进行了车轮多边形专项试验。

牛岭隧道测点线路曲线半径为11 005 m，超高为115 mm，3.0‰上坡，钢轨光带宽度为20~25 mm，钢轨为近期打磨状态，表面无明显波磨。

试验动车组图2 不同钢轨波磨和不同行车速度时的轮轨垂向力轮轨垂向力/kN28026024022020018016014012010080无波磨波磨谷深0.02 mm波磨谷深0.04 mm波磨谷深0.06 mm波磨谷深0.08 mm170 kN300 320 340 360 380 400行车速度/（km·h-1）车轮中存在18阶多边形，平均径跳值为0.06 mm。

分别测试试验动车组以250、280和300 km/h 速度通过测点时的轮轨垂向力情况，测试结果见表5。

由表5可知，相同速度等级条件下，车轮有多边形与无多边形相比，轮轨动力作用增大，但增大幅度较小，300 km/h 速度下，径跳值0.06 mm 时的轮轨垂向力与无多边形相比增大幅度为13%；相同多边形条件下，随着速度的增加，轮轨动力作用增大，径跳值0.06 mm 时， 300 km/h 与250 km/h 速度相比，轮轨垂向力增大幅度为23.6%。

3.2 理论分析利用车辆-轨道耦合动力学仿真模型，分别分析车轮表面存在18阶多边形，径跳值为0.02、0.04、0.06和0.08 mm 时，行车速度为300、350、380和400 km/h 的轮轨垂向力情况，计算得到不同车轮多边形程度和不同行车速度下的轮轨垂向力变化规律（见图3）。

由图3可知，相同速度等级条件下，车轮多边形径跳值增大，轮轨动力作用略有增大，400 km/h 速度下，径跳值0.08 mm 与0.02 mm 相比，轮轨垂向力增大约7%；相同车轮多边形径跳值条件下，速度越大，轮轨动力作用越大，径跳值为0.08 mm 时，400 km/h 与300 km/h 速度相比，轮轨垂向力增大约20%。

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高速列车轮轨耦合振动的分析与控制

高速列车轮轨耦合振动的分析与控制

高速列车轮轨耦合振动的分析与控制近年来，随着高速列车的发展，人们对于高速列车安全性和乘坐舒适度的要求也越来越高。

然而，高速列车在高速运行时常常会出现轮轨耦合振动问题，给列车的安全性和乘坐舒适度带来一定的威胁。

因此，对高速列车轮轨耦合振动进行分析与控制，具有重要的理论和实践意义。

首先，我们来了解一下高速列车轮轨耦合振动是什么。

高速列车轨道上的轮轨系统是一个复杂的动力学系统，由列车的轮对与轨道的轨脚之间通过弹簧和阻尼相互作用而耦合。

当列车以一定速度行驶时，轮轨系统会发生振动现象，包括侧向振动、垂向振动和纵向振动等。

这些振动对列车的稳定性、运行安全性和乘坐舒适度都会产生重要影响。

对于高速列车轮轨耦合振动的研究，可以从多个方面进行分析。

首先，我们可以从列车的运行条件入手，了解列车的运行速度、轴重以及轮对和轨道的几何尺寸等参数，这些参数会直接影响到轮轨耦合振动的发生和发展。

其次，要对轮轨系统的动力学特性进行分析，主要包括对列车的轮对和轨道的刚度和阻尼特性进行研究，以及轮轨系统的模态分析等。

通过对轮轨系统动力学特性的研究，可以揭示轮轨振动产生的机理和规律。

在高速列车轮轨耦合振动的控制方面，可以采取多种手段。

首先是通过设计优化，改善列车和轨道的几何形状，减小不平顺，提高轴重分配的均匀性等，来减小轮轨耦合振动的发生和发展。

其次，可以采用主动控制的方法，利用传感器和执行器对轮轨系统进行实时监测和控制，通过控制轮对与轨道之间的位移和力的分布，改变轮轨耦合振动的特性。

此外，还可以采用阻尼器、减振器和降噪装置等passively control的方法进行振动控制，以降低振动对列车的影响。

需注意的是，在进行高速列车轮轨耦合振动的分析与控制时，应注意对列车和轨道的现场监测和数据采集。

应收集合适的传感器数据和系统的实时监测数据，构建准确的轮轨耦合振动模型，以保证研究和控制的准确性和有效性。

总之，高速列车轮轨耦合振动的分析与控制是一个非常复杂且具有挑战性的问题。

高铁列车的轮轨关系与动力学性能研究

高铁列车的轮轨关系与动力学性能研究

高铁列车的轮轨关系与动力学性能研究引言高铁列车作为一种现代化的铁路交通工具，其快速、稳定、舒适的特点受到了广泛的认可和青睐。

在高铁列车的运行过程中，轮轨关系和动力学性能是至关重要的研究领域。

轮轨关系包括了轮轨之间的相互作用以及对运行安全和稳定性的影响，而动力学性能则关系到列车的加速度、制动性能等关键参数。

本文将围绕高铁列车的轮轨关系与动力学性能展开深入研究，探讨现有技术水平下的相关问题，并提出改进措施和建议。

一、轮轨关系的基本原理与特点1.轮轨接触力的分布特点轮轨接触力是指轮轨之间的力量作用，直接影响到列车的牵引、制动和转向性能。

在高铁列车运行过程中，轮轨接触力的分布呈现出一定的规律，通常在列车重心附近较大，在两端相对较小。

了解轮轨接触力的分布特点对于提高列车的运行效率和安全性具有重要意义。

2.轮轨几何关系的影响轮轨几何关系是指轨道道岔、弯道等结构对轮轨之间关系的影响。

在高速铁路中，采用超高铁路设计标准，轨道线路平整度高，曲线半径大，有利于减小列车与轨道之间的动态载荷，提高运行平稳性和舒适性。

二、动力学性能分析及影响因素1.牵引性能与动力系统高铁列车的牵引性能直接关系到列车的运行速度和能耗。

目前，高铁列车多采用电力牵引系统，通过电机等设备提供动力，实现列车的高速运行。

优化动力系统结构和控制算法，提高列车的牵引性能，是提升高铁列车整体运行效率的重要手段。

2.制动性能与制动系统高铁列车的制动性能对于列车的安全性至关重要。

在高速运行中，制动系统需要具有快速、灵活的响应能力，能够确保列车在紧急情况下快速停车。

目前，高铁列车多采用电磁制动和气动制动相结合的方式，实现较好的制动效果。

3.转向性能与转向系统高铁列车的转向性能对于列车的运行平稳性和舒适性有着直接的影响。

转向系统需要具有较高的精度和稳定性，确保列车在高速运行过程中能够稳定行驶。

目前，高铁列车通常采用转向架和轮对组成的方式，保证列车的转向性能符合设计要求。

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

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。

高速铁路车辆的轮轨动力学研究

高速铁路车辆的轮轨动力学研究

高速铁路车辆的轮轨动力学研究随着高速铁路的发展，高速铁路车辆的运行安全和乘坐舒适性变得越来越重要。

其中，轮轨动力学研究是保障高速铁路运行安全和提升列车运行品质的重要方面。

本文将对高速铁路车辆的轮轨动力学研究进行探讨。

一、高速铁路车辆的轮轨接触力分析高速铁路车辆在运行过程中，轮轨接触力是影响列车行驶稳定性和轨道磨损的重要因素。

研究轮轨接触力对于提高列车运行品质至关重要。

轮轨接触力的分析需要考虑轮轨接触区域的弹性变形、摩擦力和刚度等因素，通过建立相应的数学模型进行研究。

二、高速铁路车辆的车辆动力学分析在高速铁路的运行过程中，车辆动力学分析是为了保证列车的平稳行驶和减小对轨道的破坏。

车辆动力学分析的核心是研究列车的运动特性和响应规律。

通过建立车辆动力学模型，可以分析列车的悬挂系统、车轮与轨道之间的相互作用，以及列车的加速度、速度和位移等参数。

三、高速铁路车辆的轮轨动力学模拟与优化为了更好地研究高速铁路车辆的轮轨动力学特性，科学家们运用计算机仿真技术进行了大量的模拟与优化研究。

通过建立轮轨动力学模型，并结合列车运行实际数据进行仿真计算，可以评估轮轨界面的动力学特性，寻找列车运行过程中的问题，并提出相应的优化方案。

四、高速铁路车辆的轮轨磨损与维护高速铁路车辆的运行会导致轮轨磨损，进而影响轨道的使用寿命。

因此，对轮轨磨损的分析和维护十分重要。

通过研究轮轨接触力和运行速度等因素对轨道磨损的影响，可以制定合理的维护措施，延长轨道的使用寿命。

综上所述，高速铁路车辆的轮轨动力学研究对于保障列车运行安全和提升运行品质至关重要。

通过对轮轨接触力、车辆动力学特性以及轮轨磨损的研究，可以为高速铁路的运行提供理论基础和技术保障。

随着科学技术的不断进步，相信轮轨动力学研究将为高速铁路的持续发展做出更大的贡献。