两种典型动车组车轮磨耗演变规律及其动力学影响研究

为对比不同线路、相同平台动车组车轮磨耗演变规律及其对动车组动力学性能的影响,对速度等级250 km/h的A、B两条高速线路上运行的同平台动车组车轮磨耗进行长期跟踪测试。将实测车轮踏面与实测钢轨廓形匹配,对比分析车轮磨耗对等效锥度、接触点分布等轮轨接触几何关系的影响。利用多体动力学软件建立动车组拖车动力学仿真模型,研究车轮磨耗演变规律对动车组动力学性能及轮轨滚动接触疲劳损伤的影响。研究结果表明,A线路车轮平均磨耗速率为0.05 mm/万km,踏面磨耗分布在-20～30 mm范围内,呈现凹形磨耗;等效锥度增大速率约为0.006/万km;轮轨接触点逐渐向钢轨轨肩处靠拢,存在明显跳跃现象。B线路车轮平均磨耗速率约为0.025 mm/万km,踏面磨耗分布在-35～50 mm范围内,磨耗分布较均匀;等效锥度稳定在0.03左右,随运营里程的增大没有明显的变化趋势,轮对横移量在10mm以内的轮轨接触点始终保持车轮踏面中部与钢轨轨顶中部接触,轮轨接触点分布均匀。随着运行里程的逐渐增大,A线路的动力学性能略有下降,B线路的动力学性能基本稳定。B线路的车轮表面疲劳指数小于A线路,车轮发生滚动接触疲劳裂纹的可...     

[表面强化及损伤机理]高速铁路钢轨打磨偏差对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路存在的两种典型的钢轨打磨偏差,建立了我国某型动车组车辆多体动力学模型,仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。结果表明：当轨肩过度打磨时,轮轨接触点位置会偏向于踏面外端和轨头部分,导致等效锥度变小,容易诱发一次蛇行（即“晃车”）现象,在一次蛇行对应的速度区间,车辆横向加速度增大,平稳性更差;而当轨头过度打磨时,轮轨接触点位置会集中在踏面喉根圆部分和轨肩部分,引起等效锥度异常增大,引发车辆二次蛇行失稳,容易触发动车组构架横向加速度“报警”。因此,为了提高动车组稳定性,改善运营品质,在钢轨打磨过程中,应该严格控制打磨精度,以标准廓形为目标廓形。     

高速动车组踏面与不同钢轨匹配关系研究

针对我国高速动车组LMA踏面,研究其与我国常用钢轨廓形CHN60和CHN60N(1:40轨底坡)、欧洲廓形UIC60E1(1:40轨底坡)以及俄罗斯廓形P65(1:20轨底坡)的匹配关系。首先对比了这四种廓形几何差异,分析了LMA与这四种钢轨廓形匹配时的轮轨接触点分布,计算相应的等效锥度。然后,建立了整车多体动力学模型,分析了LMA与四种钢轨廓形匹配时对车辆动力学性能的影响。分析结果表明:LMA踏面与CHN60匹配时,接触点分布均匀,等效锥度为0.038;与CHN60N匹配时,存在接触点会跳跃的情况,等效锥度略有下降;而当LMA与UIC60E1、P65匹配时,接触点分布集中,接触带宽小,等效锥度最低,仅为约0.025。从动力学对比的结果来看,当LMA与UIC60E1、P65匹配时,容易引起一次蛇行现象,使得车辆的临界速度下降,横向平稳性恶化,且相比于我国的常用钢轨廓形,它们的曲线通过安全性较差。建议通过优化踏面外形,一方面需增大与钢轨的接触带宽,改善过于集中带来的凹型磨耗,另一方面需增大等效锥度,避免一次蛇行现象,以此较好地适应欧洲和俄罗斯钢轨廓形。     

混运模式下钢轨打磨廓形对客货车车轮磨耗的影响研究

针对当前铁路既有线通常采用客货混运模式的现状,以LM踏面客货车车轮分别与CHN60钢轨和打磨后钢轨进行匹配,分析不同匹配下的轮轨接触几何关系;考虑材料弹塑性以及车轮的惯性力,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立三维轮轨滚动接触有限元模型;基于2种不同的磨耗模型,研究混运模式下钢轨打磨对客货车车轮磨耗的影响。结果表明：钢轨打磨使得客货车的轮轨接触几何关系发生改变,打磨后的钢轨与客车车轮接触Mises应力减小,而与货车车轮接触Mises应力变化不大;同一钢轨分别与客货车车轮接触时,货车车轮的磨耗比客车车轮磨耗大;钢轨的打磨会降低轮轨接触斑内的牵引力从而降低车轮磨耗,这对于延长轮轨的使用寿命非常有利。     

钢轨型面对重载轮轨匹配关系影响

基于静态接触和动力学分析,研究了两种钢轨型面与LM踏面匹配时的重载轮轨关系行为。结果表明:75kg/m钢轨与LM型面匹配时的最大正压力、剪应力和等效应力均大于60kg/m钢轨的匹配结果;75kg/m钢轨匹配时轮轨接触点较集中,存在两次明显的轮轨接触点跳跃现象;75kg/m钢轨型面与LM匹配时的轮轨横向力、脱轨系数和轮轨冲角均大于60kg/m钢轨匹配的结果,而轮重减载率和轮轨垂向力无明显变化。综合分析认为60kg/m钢轨型面与LM踏面轮轨匹配关系更佳,建议对重载75kg/m钢轨型面进一步优化设计以获得最佳的轮轨匹配关系。     

高速铁路钢轨打磨偏差对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路存在的两种典型的钢轨打磨偏差,建立了我国某型动车组车辆多体动力学模型,仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。结果表明:当轨肩过度打磨时,轮轨接触点位置会偏向于踏面外端和轨头部分,导致等效锥度变小,容易诱发一次蛇行(即"晃车")现象,在一次蛇行对应的速度区间,车辆横向加速度增大,平稳性更差;而当轨头过度打磨时,轮轨接触点位置会集中在踏面喉根圆部分和轨肩部分,引起等效锥度异常增大,引发车辆二次蛇行失稳,容易触发动车组构架横向加速度"报警"。因此,为了提高动车组稳定性,改善运营品质,在钢轨打磨过程中,应该严格控制打磨精度,以标准廓形为目标廓形。     

混运模式下钢轨打磨廓形对客货车车轮磨耗的影响

针对当前铁路既有线通常采用客货混运模式的现状,以LM踏面客货车车轮分别与CHN60钢轨和打磨后钢轨进行匹配,分析不同匹配下的轮轨接触几何关系;考虑材料弹塑性以及车轮的惯性力,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立三维轮轨滚动接触有限元模型;基于2种不同的磨耗模型,研究混运模式下钢轨打磨对客货车车轮磨耗的影响。结果表明:钢轨打磨使得客货车的轮轨接触几何关系发生改变,打磨后的钢轨与客车车轮接触Mises应力减小,而与货车车轮接触Mises应力变化不大;同一钢轨分别与客货车车轮接触时,货车车轮的磨耗比客车车轮磨耗大;钢轨的打磨会降低轮轨接触斑内的牵引力从而降低车轮磨耗,这对于延长轮轨的使用寿命非常有利。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

道岔钢轨打磨对轮轨动力学影响分析

以道岔钢轨为研究对象，对线路钢轨实施个性化廓形打磨，采用Simpack建立车辆系统动力学模型，分析钢轨打磨前后轮轨动力学性能变化。实验结果表明，钢轨实施打磨后轮轨接触几何分布较打磨前均匀，车轮横向力、磨耗系数、脱轨系数等指标均有所改善，分别下降了16.95%、11.61%、10.26%，通过道岔钢轨打磨可以有效提升车辆运行稳定性，同时对延长轮轨服役时间具有积极作用。     

基于有限元摩擦功计算的钢轨磨耗预测方法

轮轨磨耗问题影响列车运行的平稳及安全。为研究钢轨磨耗规律,基于轮轨接触的有限元计算模型,分析不同牵引或制动力及横移量等对轮轨接触的影响规律,提出有限元摩擦功计算方法,对地铁钢轨进行磨耗量及磨耗后型面预测,并探究车轮的通过次数对钢轨磨耗的影响。研究结果表明,根据功的物理意义,接触斑节点的摩擦功与摩擦力及相对位移直接相关;牵引或制动力及不同横移量作用下,轮轨接触斑的摩擦功均呈中部小、后部及两侧大的分布规律,这与接触斑上黏着区与蠕滑区的分布规律对应;在接触区间内,钢轨的累积磨耗量沿横向呈中间高两侧低的分布规律,磨耗深度随车轮通过次数的增加近似呈正比增加;运用摩擦功计算方法预测的钢轨磨耗量与实测结果基本相符,与标准型面数据的预测结果相比,采用磨耗后型面的有限元计算结果预测的钢轨累积磨耗量,与实测型面更加接近。     

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。     

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。     

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。     

高速铁路钢轨预打磨型面优化分析

高速铁路的发展使钢轨磨损和滚动接触疲劳损伤日益受到重视。研究表明,预打磨后钢轨可有效延长服役寿命。为实现预打磨最佳廓形的选择,基于蒙特卡洛方法建立假设轮对横移量服从高斯分布的轮轨接触概率分析模型。据此,确定出列车运行时考虑轮对横移量的轮轨接触位置,并采用轮轨三维有限元模型计算得到相应接触应力的概率分布。结果表明,轮对横移量对最大接触应力值具有显著影响,横移量为10 mm、0 mm、8 mm时其值分别为1 712.6 MPa、1 362.1 MPa、448.7 MPa。亦发现虽然累积接触应力和平均接触应力均可作为衡量不同钢轨廓形力学性能优劣的指标,但二者的预测结果并不一致,如60 kg/m(CHN60)钢轨的平均接触应力,在轨距角附近(距钢轨中心线30 mm处内侧)的值4倍于踏面中心区域,相应的累积接触应力,在踏面的中心区域的值则接近10倍于轨距角附近。为综合考虑钢轨累积接触应力和平均接触应力对预打磨型面的影响,提出加权累积和平均接触应力,并以此作为钢轨预打磨廓形优化的评价指标。依据该指标对按照打磨工程经验设计的四条钢轨预打磨廓形进行评价分析,得到较优的钢轨打磨廓形。对制定钢轨廓形优化和打磨方法具有一定的工程参考价值。