弹性车轮作用下低地板有轨电车轮轨磨耗研究

为研究使用弹性车轮的车辆踏面以及运行弹性车轮的钢轨磨耗情况,基于Archard磨耗模型建立了轮轨磨耗预测模型,对不同轨道不平顺条件、不同曲线半径条件下的车轮踏面以及钢轨磨耗情况进行了分析。对比分析弹性车轮和刚性车轮,结果表明:在线路较差的情况下,弹性车轮具有更好的降磨效果;弹性车轮在曲线半径较小的线路上对磨耗的降低效果较小,随着曲线半径的增大,弹性车轮的降磨效果明显;运行弹性车轮时比运行刚性车轮时钢轨的最大累积磨耗量减小了33%;弹性车轮对曲线钢轨磨耗有一定的降低作用。     

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。     

轮轨配合对重载货车轮轨磨耗的影响*

在中国既有线路的参数设置下,建立标准LM车轮与R60轨和R75轨配合时的轮轨接触和磨耗模型,对比研究不同轮轨配合时的磨耗性能。计算表明R75轨轮轨接触点集中分布在轨侧、轨头和轨顶三个区域,接触线不连续。在当轮对横移小于3 mm时,两种钢轨滚动圆半径差和接触角差基本一致,轮对横移大于3 mm时,R75轨的滚动圆半径差和接触角差稍小。R75轨与LM车轮配合时,在车轮踏面和轮缘、钢轨轨顶和轨角两段圆弧的过渡段的接触斑面积和应力变化剧烈。车辆在直线上运行时,R75轨的轮轨磨耗将增大数倍,动态通过800 m半径曲线时,外轨磨耗增大约45%。轮轨配合的理论分析表明R75轨不适应我国重载运输,采用提高强度的R60轨更符合我国重载铁路的实际情况。     

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。     

地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。     

车轮型面对轮轨滚动接触行为影响及选用

分析两种轨底坡情况下锥形踏面与磨耗型踏面车轮的滚动接触行为,结合钢轨损伤行为提出车轮型面的选用要求.结果表明,轨底坡从1∶40变为1∶20时,磨耗型和锥形踏面的滚动接触几何参数将发生很大的变化;轨底坡为1∶20时,磨耗型踏面的最大切应力和等效应力明显小于锥形踏面.磨耗型车轮踏面能减轻重载钢轨侧磨且等效锥度大于锥形踏面车轮;由于重载与高速铁路钢轨损伤形式的不同,建议优化设计高速铁路车轮踏面形状,以减轻高速钢轨疲劳损伤的发生.     

高速铁路小半径曲线钢轨磨耗影响因素分析

随着高速铁路运营里程的增大和运量的激增,钢轨磨耗成为不容小觑的问题,尤其在小半径曲线段钢轨磨耗更为复杂和严重。针对高速铁路小半径曲线段钢轨磨耗问题,利用SIMPACK多体动力学软件建立高速动车组车辆动力学模型,利用Archard磨耗模型计算钢轨磨耗深度,并分析不同运营工况、车轮磨耗状态及车辆一系悬挂参数和轨道参数对动车组车辆通过小半径曲线时钢轨磨耗的影响。仿真结果表明：动车组车辆以匀速、制动、牵引3种工况下通过曲线段时,制动工况下钢轨磨耗量最大,牵引工况下磨耗最小;车轮踏面磨耗加剧也会导致钢轨的磨耗量增大,而定期镟修车轮踏面可以减轻钢轨磨耗情况;车辆一系悬挂参数的变化对小半径曲线段钢轨磨耗的影响相对较小;为减小钢轨磨耗,宜采用较小的轨底坡和适当增加轨距,且曲线段超高设置不宜过大。     

车轮踏面凹形磨耗对轮轨相互作用的影响研究

为了研究踏面凹形磨耗车轮的动力学行为,改进Kik-Piotrowski方法提出一种可考虑轮对摇头和轮轨多点接触的非Hertz接触模型,结合车辆—轨道耦合动力学理论计算具有实测踏面凹形磨耗车轮的CRH2高速动车组在钢轨上运行时的轮轨动态相互作用行为。计算结果表明,改进的Kik-Piotrowski方法可以很好地模拟磨耗车轮与钢轨的多点接触和非Hertz接触行为,轮轨法向力、轮轨蠕滑力以及接触斑形状都与CONTACT计算结果比较接近。对于踏面凹形磨耗的车轮,接触区域分布在车轮磨耗边缘的两个孤立位置,当接触斑从一个区域向另一区域转换时存在瞬时的两点接触。由于两点接触的过渡,接触区域在两个位置转换时造成的冲击效应并不明显。与无磨耗车轮的动力学响应对比,该类车轮踏面凹形磨耗对轮轨力的影响从总体上来说不大,对轮轨横向力的影响略大于对轮轨垂向力的影响,磨耗会增加轮轨垂向力和轮轨横向力的高频成分。     

重载铁路不同磨耗阶段车轮与曲线钢轨的接触分析

应用轮轨型面测量仪在大秦重载线路上跟踪测量不同磨耗阶段的货车车轮和钢轨型面,并选取典型的轮轨型面,针对曲线轮缘贴靠位置,建立轮轨三维接触有限元模型,进行弹塑性计算分析。计算结果表明:在相同的载荷工况下,随着轮缘的磨耗,轮轨接触斑面积呈现出先增加后减小的变化趋势,初期车轮轮缘根部局部剧烈磨耗,逐渐扩大到整个轮缘剧烈磨耗,然后从III型面开始,轮缘和踏面磨耗均匀,轮缘磨耗进入相对稳定的磨耗阶段直至磨耗到限;在曲线位置处,各个磨耗阶段的车轮型面与磨耗稳定期钢轨型面相匹配时的等效应力均明显小于与标准钢轨相配合时的等效应力,而且磨耗后的钢轨型面能够显著改善轮缘贴靠时的应力分布情况,减小轮轨间等效应力,能相对减轻轮轨磨耗;综合考虑轮轨接触斑面积、等效应力的大小与分布情况,III型车轮型面的综合指标相对较优。     

弹性车轮对地铁直线段轨道减振特性研究

为了评估弹性车轮在地铁直线电机线路的减振效果,结合试验与仿真分别对直线段正常工况与极端工况下弹性车轮减振特性进行研究。现场试验获取了直线段正常工况下轨道和隧道壁的振动水平,试验结果表明,弹性车轮对正常工况下的直线轨道系统的振动有一定的抑制作用,减振量可达2~3dB,同时对车轮多边形冲击振动有明显的减振效果。为了进一步探究对轨道存在钢轨波浪形磨耗或钢轨焊接接头几何缺陷的极端工况下弹性车轮的减振效果,建立车辆-轨道耦合动力学模型,将弹性轮对解耦为轮芯、左轮辋和右轮辋,采用6个自由度建模,轮芯与轮辋间通过弹性橡胶层耦合连接。模拟弹性车轮通过有波磨和焊接接头的钢轨时的振动特性,其数值仿真结果表明,在极端工况下,弹性车轮减振效果可达4~7dB,弹性车轮减振效果随着车辆速度的增加更加显著。     

基于Tγ/A-磨损率模型的车轮磨耗仿真分析

基于实验室获得的CL60车轮材料Tγ/A-磨损率曲线建立车轮踏面磨损模型,通过Simpack软件建立C80货车模型进行车辆轨道动力学仿真,利用Tγ/A-磨损率车轮踏面磨损模型对车轮踏面的磨耗规律进行仿真分析。结果表明：25 t轴重、600 m曲线半径工况下,同一转向架的前轮对较后轮对磨耗严重,同时与内轨处车轮相比,外轨处车轮磨耗较为严重;由于Tγ/A-磨损率曲线中磨损率输入取值的连续性,相同工况使用该模型获得的仿真结果比采用Archard磨损系数仿真得到的结果要小,其结果具有更好的精度。基于Tγ/A-磨损率的车轮踏面磨损模型为未来复杂服役环境下的车轮踏面磨耗预测提供了重要的方法。     

地铁车辆车轮偏磨原因分析与对策研究

轮对偏磨是铁道车辆常见的车轮磨耗形式。对国内某地铁线路的车轮磨耗进行测试分析，发现该线路车辆存在严重的车轮偏磨现象，左侧车轮以轮缘磨耗为主，右侧车轮以踏面磨耗为主。该地铁线路小半径曲线多，且左、右曲线分布严重不均，以及车辆不掉头运行是造成车轮偏磨的主要原因。基于UM动力学软件建立车轮磨耗预测模型，利用地铁车轮磨耗测试结果对磨耗预测模型进行验证，根据数值仿真结果提出轮对偏磨的解决措施。仿真结果表明，车辆掉头行驶能明显减缓车轮的偏磨现象，最佳掉头运行里程数为2×10⁴~4×10⁴ km。小半径曲线占比对车轮磨耗影响较大，左、右曲线百分比差值小于3%时可不采取掉头措施。     

A Wear Detection Parameter for the Wheel–Rail Contact Based on Emitted Noise

This article describes how a wheel–rail wear detection parameter based on noise was developed by running a rapid transit train instrumented with microphones in a depot with a small curve radius. This full-scale test made use of previous knowledge gained from lab-scale tests. The lab- and full-scale tests showed that noise could be used as an indicator of wear transition, when normal wear turns into severe or catastrophic wear. This transition was accompanied by a significant increase in sound pressure and a broader sound pressure amplitude spectrum; that is, a narrow initial amplitude distribution in the normal wear regime and a broader distribution in the severe wear regime. The measured noise from the inner/low and outer/high rails was analyzed in conjunction with the wear from the outer wheel and comparisons were made between cleaned (exposed to severe wear) and lubricated (no wear) rail. Based on those analyses, a wear detection parameter criterion was developed for this specific train. This wear parameter has been implemented in a real-time condition monitoring system so that warnings of the risk for severe wear could be sent to the maintenance department. Validation of the wear parameter and challenges linked to open system conditions are discussed in this article.     

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。     

Characteristics of Vibration and Sound Radiation of Metro Resilient Wheel

Resilient wheels are extensively used in urban rail transit, especially for tramway systems, owing to its advantages in noise reduction. A new type of resilient wheel for a metro is designed, and its characteristics of vibration and sound radiation, including the rolling noise of a resilient single wheel coupled with a track, are studied in this paper. A two-step research is presented. Firstly, laboratory experiments were conducted to obtain the vibration response of the designed resilient wheel under the radial excitation on its tread. Secondly, the rolling noise model of the resilient wheel coupled with a slab track used in a metro line is developed. The wheel model is based on the 3 D finite elementand boundary element methods and verified by using the experimental results obtained from the laboratory. The track vibration model is based on the wavenumber finite element method, and the track sound radiation is calculatedby using an e cient frequency-domain Rayleigh method. The interaction of the resilient wheel and the slab track is analyzed considering the measured wheel/rail roughness of the metro. The contribution of the resilient wheel to the reduction of wheel/rail system noise is analyzed. The results show that the resilient wheel can e ectively reduce the wheel/rail rolling noise by approximately 2 dB(A) to 3 dB(A), mainly because the radiated noise by the rail is reduced. In addition, the elastic modulus of the rubber has an important influence on the noise reduction of resilient wheels.     

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。     

A study on wear mechanism and wear reduction strategies in grinding wheels used for ELID grinding

Metal-bonded superabrasive diamond grinding wheels have superior qualities such as high bond strength, high stability and high grindability. The major problems encountered are wheel loading and glazing, which impedes the effectiveness of the grinding wheel. Electrolytic in-process dressing (ELID) is an effective method to dress the grinding wheel during grinding. The wear mechanism of metal-bonded grinding wheels dressed using ELID is different form the conventional grinding methods because the bond strength of the wheel-working surface is reduced by electrolysis. The reduction of bond strength reduces the grit-depth-of-cut and hence the surface finish is improved. The oxide layer formed on the surface of the grinding wheel experiences macrofracture at the end of wheel life while machining hard and brittle workpieces. When the wheel wear is dominated by macrofracture, the wheel-working surface is free from loaded chips and worn diamond grits. When the oxide layer is removed from the wheel surface, the electrical conductivity of the grinding wheel increases, and that stimulates electrolytic dressing. The conditions applied to the pulse current influence the amount of layer oxidizing from the grinding wheel surface. Longer pulse ‘on’ time increases the wheel wear. Shorter pulse ‘on’ time can be selected for a courser grit size wheel since that type of wheel needs high grinding efficiency. Equal pulse ‘on’ and ‘off’ time is desired for finer grit size wheels to obtain stable and ultraprecision surface finish.