基于轮轨型面匹配数值模拟的地铁车轮异常磨耗原因分析

通过线路测试和数值仿真对某B型地铁列车车轮异常磨耗现象进行深入分析。结合轮轨接触几何关系和轮轨滚动接触理论进行轮轨静态接触分析;基于UM软件建立该地铁车辆动力学仿真模型和磨耗预测模型,计算轮对运动状态和车轮磨耗水平。通过对比不同轮轨匹配的仿真结果来分析该地铁车辆发生轮缘和踏面异常磨耗的原因,进而提出相应的控制措施。结果表明,该地铁线路小半径曲线占比较大且钢轨轨底坡异常。地铁车辆轮缘和踏面异常磨耗是由较大轨底坡线路条件下轮轨型面匹配关系不合理所导致。将全线轨底坡修正成1/40对车轮异常磨耗现象的减缓效果有限。为有效减轻该地铁车辆车轮异常磨耗,可考虑将车轮踏面外形由S1002镟修为LM。     

地铁车轮凹形磨耗对轮轨接触及动力学性能的影响

对某地铁线路的车轮磨耗进行测试,发现车轮存在严重的踏面凹形磨耗.利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆系统动力学仿真模型,研究凹形磨耗车轮与CHN60钢轨匹配时的轮轨接触特性以及车辆动力学性能,采用基于安定图的表面疲劳指数评价轮轨滚动接触疲劳特性.计算结果表明,车轮凹形磨耗使轮轨接触点对由连续分布变得分散集中,增大了滚动圆半径差和等效锥度,会降低车辆的非线性临界速度,但提升了车辆的曲线通过性能以及横向平稳性,对垂向平稳性几乎没有影响.凹形磨耗的发展增大了轮轨接触压力,使得R≤2000 m的曲线高轨侧车轮轮缘根部及钢轨轨距角处易产生滚动接触疲劳;R≤500 m的曲线低轨侧车轮假轮缘内侧与钢轨轨顶外侧有出现滚动接触疲劳的可能性.     

高速列车轮轨匹配关系改进研究

针对某型动车组运营过程中出现的转向架蛇行失稳报警和车体低频晃动等问题,结合S1002CN型车轮踏面与实测钢轨打磨前和打磨后轨面的轮轨接触特征,将车轮踏面接触区分为踏面喉根圆接触区、常工作区和踏面端部接触区三部分,并对其外形进行改进设计(称为LMB_10型车轮踏面)。改进的LMB_10型车轮踏面保持工作区的轮轨接触关系,减小轮缘厚度并平缓轮缘根部,降低了由于高等效锥度带来的转向架蛇行失稳报警风险;同时增大踏面端部斜率,降低了由于低等效锥度带来的车体低频晃动风险。仿真分析和线路试验结果表明,改进的LMB_10型车轮踏面与标准CH60型轨面匹配的等效锥度降低至0.105,增大了轮轨间隙,与打磨前后轨面匹配适应性增强,改善了车辆的蛇行运动稳定性、运行平稳性和曲线通过性能。在线路运营考核中,改进的LMB_10型车轮踏面镟轮周期最长达39万公里,在整个运行过程中始终具有良好的动力学性能。     

地铁异常磨耗车轮与辙叉接触分析

针对地铁运营中出现的道岔心轨损伤问题,调查并测量了车轮型面和辙叉区轨头型面,发现运营3.1万km后车轮踏面发生异常磨耗,在踏面尾部出现凸台(或称假轮缘);在翼轨上存在沟槽磨耗。基于实测型面建立了车轮辙叉接触有限元模型,结合迹线法,分析了不同凸台高度的车轮分别与新辙叉、磨耗辙叉之间的接触几何关系和接触应力。对比分析结果表明,具有凸台的车轮异常磨耗对轮轨接触不利,会减小车轮与新辙叉的接触面积,增大轮轨接触应力。在轮对横移时,凸台磨耗会造成车轮与心轨薄弱处接触,易导致心轨损伤。采用镟修异常磨耗车轮或合理的闸瓦与车轮匹配关系,可消除或减缓车轮凸台形异常磨耗,从而避免道岔心轨损伤。     

轨道结构参数对轮轨滚动接触应力影响

利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT,并借助于弹性力学中的Bossinesq-Cerruti力1位移公式和Gauss数值积分方法,分析JM3型踏面轮对沿曲线轨道滚动接触时轨底坡、轨距和曲线半径等轨道参数对轮轨滚动接触斑最大切应力、等效应力、正压力和磨耗数的影响.数值结果表明,当内外轨底坡为1/20时,轮轨接触斑的应力、磨耗数及正压力分布达到最小值,其中最大切应力与等效应力可分别降低40.15%、39.37%;现行使用1/40轨底坡情况下轮轨接触斑正压力较大,建议对磨耗型车轮踏面进行优化设计.适当增加轨距能达到降低轮轨最大切应力、等效应力和正压力的效果.曲线工况下接触斑正压力值显著增加,曲线半径能改变轮轨接触斑粘滑区的分布且减小曲线半径值会增加接触斑的总滑动量,从而导致轮轨磨耗数的显著增加.     

高速铁路轮轨磨损特征、机理、影响和对策——车轮踏面横向磨耗

系统分析总结我国高速铁路轮轨断面横向磨耗情况、特征、形成机理、对车辆动态行为的影响以及对策研究。高速车轮踏面横向磨耗以在名义滚动圆处形成凹坑磨耗和轮缘磨耗为主,主要发生在相对高的等效锥度和具有较厚轮缘的轮对上。车轮踏面横向凹坑磨耗与高速轨道高平直度和高速列车高运行平稳性密切相关。轮轨平稳地高速滚动接触,导致轮轨接触光带狭窄平直,且主要集中在名义滚动圆附近,此处车轮踏面材料磨耗累积迅速形成凹坑,轮对的等效锥度迅速增大。凹坑磨耗在一定深度范围内,将会引起轮对横向晃动,影响车辆的舒适性。提出7个方面的措施,来抑制或减缓车轮踏面凹坑磨耗。最后讨论了钢轨断面横向磨耗情况,主要反映在小半径曲线处外轨内侧磨耗,原因类似普通线路小半径曲线钢轨侧磨情况,也是车轮轮缘磨耗的主要原因,简单讨论减缓措施。所做的工作将对我国高速铁路轮轨型面和硬度匹配深入研究提供重要的参考依据。     

CHN60/UIC60钢轨廓型下高速列车车轮踏面磨耗对比分析

为了研究不同轮轨廓型匹配时高速列车车轮踏面磨耗情况,运用多体动力学软件UM建立某高速列车单车车辆/轨道耦合动力学模型,利用轮轨滚动接触理论和车轮磨耗预测模型,对比分析列车CHN60和UIC60钢轨廓型与LMA车轮廓型匹配时车轮踏面磨耗规律。研究表明:在运营里程低于26. 5万km时,LMA/CHN60和LMA/UIC60车轮踏面磨耗相差不大,在运营里程超过26. 5万km以后,LMA/UIC60磨耗显著增大;相比LMA/CHN60,车轮踏面磨耗对LMA/UIC60轮轨接触点的分布状态影响更大,前者的轮轨接触状态要优于后者;在车辆运营里程低于13. 5万km时,LMA/CHN60和LMA/UIC60的车轮磨耗功最大值相差不大,在车辆运营里程超过13. 5万km后,LMA/UIC60轮轨匹配下的车轮磨耗功最大值逐渐大于LMA/CHN60轮轨匹配; 2种轮轨廓型在运行中的车轮磨耗功率最大值都逐渐减小,但LMA/UIC60轮轨匹配下的磨耗功率最大值普遍较大。     

Translohr有轨电车导向轨轮接触模型研究*

基于调研上海张江Translohr有轨电车线路导向轨磨耗的基础上,推断出导向轮与导向轨的两种稳定的接触状态：两导向轮的踏面与倒V形导向轨的两个顶面接触,以及一侧导向轮轮缘与导向轨一侧轨腰接触状态。在忽略接触点位置变化的前提下,提出导向轮与导向轨之间的接触关系可简化为四点单边弹簧的等效力学模型。在Matlab/Simulink环境中建立Translohr有轨电车的动力学模型,其中动力走行部模型中引入Dummy体以简化空间四连杆的导向机构。仿真计算Translohr有轨电车在不同半径曲线上的轮轨接触状态,并实际测量了Translohr有轨电车在上海张江线路的轮轨导向力。仿真结果说明在40 m半径曲线上处于导向轮踏面与导向轨顶面接触接触状态,在25 m半径的曲线上出现一侧导向轮踏面和轮缘接触状态。仿真得到的轮轨导向力数值与实际测量结果具有较好的一致性。建立的导向轮轨模型可用来研究Translohr有轨电车导向轨侧磨产生的条件和影响因素。     

高寒地区列车遭遇暖湿气流后轮轨界面黏着与车轮损伤响应行为研究

利用轮轨滚动试验机模拟了-40℃环境工况下不同湿度（10%～99%）暖湿气流对高速轮轨界面黏着与车轮表面损伤的响应行为。低温环境下轮轨界面遭遇暖湿气流时,黏着系数会迅速减小,且随着气流湿度的增大,黏着系数减小的幅度和恢复时间均增加;同时,与未遭遇暖湿的轮轨界面相比,黏着系数、磨损量、塑性变形层厚度均明显增大,且随着气流湿度的增大,平均黏着系数减小,磨损量和塑性变形层厚度增大。在低温无湿气作用工况下,车轮磨损机制主要为疲劳磨损,剖面裂纹以表层裂纹为主;低温间歇暖湿气流作用下,车轮磨损机制主要以氧化磨损和黏着磨损为主,磨损表面出现氧化磨屑堆积而成的第三体层,剖面裂纹出现了多层裂纹和次表层裂纹。低温环境下,暖湿气流对列车的轮轨界面黏着和车轮损伤影响显著,主要体现在黏着系数的瞬时大幅减小以及车轮材料更为严重的磨耗和疲劳损伤。因此,高寒地区应特别注意暖湿气流对列车轮轨损伤和黏着的影响,以保证列车的安全运行。     

制动时低黏着区处轮轨瞬态滚动接触行为分析

建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,于时域内分析制动车轮通过长度1m以下的短低黏着区时的瞬态滚动接触行为。模型采用了面面接触算法求解轮轨间滚动接触,考虑了轮轨真实三维几何和材料非线性。着重分析了低黏着区附近的轮轨力、应力、粘滑分布和摩擦功分布等的瞬态变化,结果显示:车轮进入低黏着区时,轮轨接触斑尺寸基本不变,但蠕滑力、接触斑内黏着区面积和摩擦功均显著降低,蠕滑率上升;待离开低黏着区并重新进入正常黏着钢轨后,显著升高的蠕滑率会使得蠕滑力和摩擦功显著高于滚入低黏着区之前的水平;低黏着区越长,发生磨损的可能性和严重程度越大;牵引与制动工况相比,蠕滑力/率方向相反,但黏着区的影响规律基本相同。     

基于轮轨法向间隙的车轮踏面优化方法

为了寻求基于目标的铁路车辆车轮踏面数值优化技术,开发一种考虑轮轨法向间隙参数的车轮踏面优化方法。利用该方法优化我国高速列车车轮LMa型面。并发现优化后的LMa车轮和CHN60钢轨滚动接触接触时,轮轨界面之间具有较好的“共形”特性,这样能有效降低轮轨接触应力以达到降低滚动接触疲劳目的。并用车辆轨道耦合动力学理论分析优化的车轮型面对车辆动态特性的影响。数值结果表明,在不降低车辆动力学性能的情况下,此方法可以有效改善轮轨接触点对分布,降低轮轨接触应力。     

踏面制动温升对重载铁路车轮磨耗的影响

建立一个考虑踏面制动温升影响的重载铁路车轮磨耗预测模型,模型中通过考虑温度对车轮、钢轨硬度的影响,实现温度对车轮磨耗影响的研究。相对以往的轮轨磨耗预测模型,该数值预测模型可以考虑轮轨接触界面有较大摩擦温升(如重载铁路踏面制动)时的轮轨磨耗演化机理,使预测结果更加符合实际情况。用所建立的轮轨磨耗数值预测模型,研究重载列车紧急制动时的车轮磨耗,分析考虑和不考虑温度影响下的车轮磨耗状态。结果表明:重载铁路踏面制动摩擦温升会加剧车轮磨耗,与不考虑摩擦温升相比,考虑摩擦温升时车轮总磨耗体积增加12.1%,当制动温升达到最高时最大磨耗深度增加22.5%。     

[轮轨磨耗及预测]列车紧急制动过程中踏面温度分布及磨耗预测

列车紧急制动过程中踏面温度急剧升高导致车轮踏面的摩擦磨损机理与稳态运行时有显著差异。为了准确预测列车紧急制动过程中踏面磨耗,同时考虑踏面制动过程中车轮踏面与钢轨及闸瓦接触,基于有限元软件ABAQUS建立了踏面制动过程热机械耦合有限元模型,综合考虑制动温升对车轮踏面力学性能、硬度及摩擦因数的影响,仿真得到了紧急制动过程中车轮踏面上温度分布、硬度分布以及接触应力分布,并利用轮轨动力学软件UM得到了紧急制动过程中轮轨接触斑形状以及轮轨蠕滑区相对滑移分布,在此基础上结合Archard磨耗模型对单次紧急制动结束后的踏面磨损深度进行了定量预测。结果表明：对于制动初速度为130 km/h、160 km/h两种工况,踏面最高温度分别达到了397.0 ℃和485.9 ℃,踏面最大累积磨损深度分别为5.90 μm和7.43 μm,与踏面制动实验对比发现,预测结果与实验结果磨损位置及形貌分布趋势一致。     

列车紧急制动过程中踏面温度分布及磨耗预测

列车紧急制动过程中踏面温度急剧升高导致车轮踏面的摩擦磨损机理与稳态运行时有显著差异。为了准确预测列车紧急制动过程中踏面磨耗,同时考虑踏面制动过程中车轮踏面与钢轨及闸瓦接触,基于有限元软件ABAQUS建立了踏面制动过程热-机械耦合有限元模型,综合考虑制动温升对车轮踏面力学性能、硬度及摩擦因数的影响,仿真得到了紧急制动过程中车轮踏面上温度分布、硬度分布以及接触应力分布,并利用轮轨动力学软件UM得到了紧急制动过程中轮轨接触斑形状以及轮轨蠕滑区相对滑移分布,在此基础上结合Archard磨耗模型对单次紧急制动结束后的踏面磨损深度进行了定量预测。结果表明:对于制动初速度为130 km/h、160 km/h两种工况,踏面最高温度分别达到了397.0℃和485.9℃,踏面最大累积磨损深度分别为5.90μm和7.43μm,与踏面制动实验对比发现,预测结果与实验结果磨损位置及形貌分布趋势一致。     

冲角对低地板车辆轮轨接触状况的影响

针对城市轨道交通中低地板车辆车轮经常出现的轮缘严重磨耗现象,研究其轮轨接触状况,由于城市轨道交通中小半径曲线较多,存在较大的冲角,为研究冲角对轮轨接触状况的影响,利用轮轨型面测量仪测量运用中的70%低地板车辆车轮与钢轨型面,建立具有不同冲角的车轮与钢轨接触模型,在横向力与牵引力矩作用下应用非线性有限元法进行弹塑性接触计算,分析不同工况下的等效应力及接触斑的变化规律,研究冲角、横向力与牵引力矩对钢轨接触状况的影响。通过计算分析得出以下结论：具有不同冲角的轮轨接触斑形状几乎相同,踏面接触斑近似矩形,轮缘接触斑相对狭长,容易造成轮缘磨耗;冲角增大,轮缘接触斑相对踏面接触斑的超前值增大;随着冲角的增大,轮轨最大等效应力逐渐增大,磨耗功率增大,故在轮轨型面匹配和车辆结构设计中应尽量将轮轨冲角控制在1°以内。     

车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验,对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数,湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2,影响列车安全运行和牵引效果;车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗,同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说,凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显;迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大;迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显,背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重;此外,随着车轮滚动半径rθ由最小值到最大值再到最小值循环变化,不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。     

轮轨多点接触计算新方法曲线通过验证

建立包含多点接触轮对振动方程的车辆-轨道系统动力学模型,对轮轨多点接触计算和判定新方法-迹线极值法进行车辆曲线通过验证,给出曲线通过接触点在车轮踏面上位置、轮轨接触点数和轮轨法向力.结果表明,迹线极值法能够解决轮轨多点接触问题并获得准确的轮轨多点接触几何参数和系统振动特性;当发生轮缘根部和轮缘两点接触时,采用多点接触方法得到的结果比采用单点接触方法得到的结果更为合理可信,当不发生轮缘根部和轮缘两点同时接触时,多点接触法与单点接触法得到的结果几乎完全一致;与新用车轮踏面相比,测试得到的磨耗后车轮踏面在其名义直径位置凹陷区域附近容易形成踏面两点接触.证实了轮轨多点接触新方法的正确性和有效性.     

起重机车轮轮缘低磨耗新型踏面

轨行式起重机的车轮经常轮缘磨损提前报废,文章认为轮轨间两点接触是导致轮缘磨损的主要原因,建议参考铁路系统业已推广应用的圆弧凹形踏面,采用新型踏面的车轮。文章重点介绍了轮缘接触点上作用力、接触应力和蠕滑率的计算方法,阐述了圆弧凹形踏面的优点。最后提出了起重机采用圆弧凹形踏面车轮的设计原则。     

变轨距高速列车的动力学

高速列车通过改变轮对的内侧距实现在不同轨距线路上联运,而轮轴装配间隙及轨距、轨底坡、钢轨廓形等参数变化将引起轮轨接触关系改变,进而引起车辆动力学性能变化。分析我国两种高速踏面在准轨和宽轨线路上的轮轨接触关系发现,轨底坡由1/40变为1/20时,LMA踏面等效锥度降低约30%,LMB 10踏面可兼容两种轨底坡,磨耗后的踏面对轨底坡变化更敏感。理论公式推导表明准轨和宽轨线路上自由轮对、刚性和柔性定位转向架的蛇行频率相同,但含轮轴间隙的变轨距高速列车动力学模型仿真表明,间隙导致宽轨线路上的车辆稳定性略差,间隙达到0.6 mm时发生低速小幅蛇行;间隙对车辆运行安全性和平稳性影响仅9%。因宽轨线路的欠超高量大和车辆稳定性差,其运行安全性和横向平稳性比准轨差15%和38%。间隙横向力与轮轨横向力幅值相同但反向,造成轮对内侧距动态变化;左右侧旋转间隙扭矩的幅值相同但反向,在纵向蠕滑力作用下间隙压死-分离状态反复。研究成果有助于掌握变轨距转向架的轮对内侧距动态变化、间隙载荷和车辆动力学性能。     

基于有限元理论的轮轨接触力学特性仿真研究

轮轨接触的力学特性研究对保障列车的安全运行至关重要。选择动车组车轮LMa踏面与标准CHN60钢轨,借助有限元理论,分别计算两种轮径在不同轴重以及不同横移量下的轮轨接触应力变化情况。计算结果表明:随着轴重的增加,轮轨接触应力会增大;当车轮有横移时,发现靠近轮缘侧的轮轨接触应力大于远离轮缘侧的;同种工况下,增大轮径可以适当改善轮轨受力状态。