曲线钢轨初始波磨形成的机理分析

利用数值方法分析钢轨离散支撑引发曲线钢轨初始波浪形磨损形成的机理.建立车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨界面材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型.考虑半个车辆模型和有限计算长度的轨道模型,利用Hertz非线性接触弹簧和沈志云-Hydrick-Elkins非线性蠕滑理论耦合车辆和轨道的计算模型来计算轮轨的法向载荷和切向载荷.通过车辆过曲线动力学分析,确定轮轨的瞬时接触位置、法向载荷、蠕滑率等.根据修改的Kalker三维滚动接触理论计算轮轨滚动接触力学行为,再利用轮轨材料摩擦磨损模型计算钢轨的磨损量.对曲线两端的缓和曲线和圆曲线的初始波磨形成过程作详细分析,并对波动频率也作了调查.数值结果显示,同一个转向架4个车轮引起的磨损波长和波深是不同的;不同曲线位置初始波磨的波深和波长也有区别;波磨的频率和轮轨接触振动密切相关;波磨的频率不仅包含轨枕的通过频率,也包含轨道被激发的更高振动频率.     

地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响.结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀.同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频...     

单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响分析

基于我国某地铁钢轨波磨的调研,采用显式有限元法建立了考虑车轮、车轴和钢轨连续体振动以及车辆、轨道高频结构振动的全轮对三维瞬态轮轨滚动接触模型,在时域内数值再现了轮对通过单侧钢轨波磨轨道段时的滚动接触行为,系统分析了单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响。相比于作者之前开发的半轮对滚动接触模型,该模型可将轮轨横向蠕滑和大自旋考虑在内。结果表明：地铁运行速度越高,波磨侧的不均匀磨损现象越严重;计算的五个速度中,波磨造成的瞬态激励在30和120 km/h时更易传递至无波磨侧,进而促进无波磨侧钢轨萌生波磨;轮对越是向波磨侧横移,波磨侧不均匀磨损越严重,但无波磨侧不均匀磨损逐渐降低,即相较于直线段,横移更大的曲线段上的外侧钢轨波磨更不易引发另一侧钢轨的波磨。     

钢轨短波长波磨处的高速滚动接触分析

通过对某高速线路上出现的钢轨波磨的现场测量,采用显式有限元法建立三维高速瞬态滚动接触模型,分析轮轨在波磨处的高速（300 km/h）滚动行为。利用实体单元划分具有真实几何的轮对与钢轨,轮轨间的法、切向瞬态滚动接触问题由面面接触算法于时域内求解,同时考虑车辆和轨道系统的主要部件。车轮在光滑钢轨上的滚动结果显示,该模型可以建立起轮轨间稳态滚动接触,为研究表面不平顺处的滚动接触奠定了基础。分析某高速线路的钢轨波磨的波长和波深对轮轨瞬态滚动接触的影响,讨论不同牵引系数条件下波磨处的瞬态滚动接触行为。结果表明：波磨引起的轮轨法、切向接触力均在波长为80 mm（现场观测到的主波长）时达到最大,即数值重现了上述高速线路的波磨主波长;接触力随波深的增大单调递增,但增长率逐渐减少;牵引系数越大,钢轨发生不均匀磨损或塑性变形的可能性越大,即波磨产生的可能性越大。     

地铁轨道曲线半径与钢轨波磨的相关性研究

现有地铁线路钢轨波磨80%以上出现在小半径曲线轨道内股钢轨上,而大半径曲线和小半径曲线外股钢轨几乎没有出现钢轨波磨。为了探索这一现象深层次的原因,基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的机制,分别建立Simpack车辆多体动力学曲线通过模型和轮轨系统ABAQUS有限元摩擦自激振动模型,采用复特征值分析法对不同曲线半径轨道的钢轨波磨进行研究。结果表明:随着曲线轨道半径增大,摩擦自激振动产生的概率减小,即钢轨波磨发生概率下降,且钢轨波磨主要出现在低轨上而高轨较少;随着曲线半径增大,在曲线半径400~450 m范围内,轮轨蠕滑力逐渐由饱和状态变为不饱和状态;蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动,即产生钢轨波磨,当蠕滑力不饱和时,轮轨系统就不会出现摩擦自激振动,因而大概率不会发生钢轨波磨。     

[轮轨磨耗及预测]地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响。结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀。同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频范围。在主要特征频率处,扣件纵向刚度、纵向阻尼、横向阻尼和垂向阻尼对钢轨波磨的影响较小,扣件横向刚度、垂向刚度、扣件间距、轮轨摩擦因数和车辆运行速度对钢轨波磨的影响较大。扣件垂向刚度和扣件间距的变化会导致摩擦功率的特征频率发生偏移,主要特征频率从80 Hz偏移至100 Hz,从而导致对应波长的钢轨波磨,说明扣件垂向刚度和扣件间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有重要的影响。其余变量的增大并未导致摩擦功率的特征频率发生改变,表明其余变量不影响钢轨波磨的特征频率。     

钢轨波磨对扣件弹条受力分析

为了研究钢轨波磨对扣件弹条的最大等效应力的影响,以高速铁路使用福斯罗扣件为研究对象,采用有限元软件建立扣件系统有限元模型,采用非线性接触理论,研究不同波磨状态对弹条最大等效应力影响规律,并验证模型。结果表明:弹条与其周围部件之间的接触刚度对弹条的最大等效应力、扣压力与弹条位移没有明显的影响;随着波磨比例系数的增加,弹条后端最大等效应力和应变以高频成比例增大,明显加剧了扣件弹条的疲劳破坏。     

科隆蛋扣件钢轨波磨演化对车轨系统的影响

通过多体动力学软件UM,建立了基于柔性轨道的车辆-轨道耦合动力学模型,并基于摩擦功理论的波磨叠加模型,研究减振型科隆蛋扣件轨道的钢轨波磨演化的频率特性及其对车轨系统垂向振动的影响.结果表明:不同速度下波磨的特征频率保持一致,体现了波磨的固定频率特性.在波磨演化过程中,随着速度的增加,在中高频段,车体垂向振动的差异影响逐...     

钢轨波磨对高速列车车轮多边形磨耗产生与发展的影响

列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于我国高速列车上,会显著增大轮轨之间的相互作用力,严重影响列车运行安全性和舒适性,其产生和发展机理值得探究。车轮多边形磨耗与钢轨波浪形磨损(简称:波磨)从磨耗特征来看较为相似,只是发生磨耗的载体不同,钢轨波磨是否对车轮多边形磨耗存在根本的影响值得深入研究。以我国某线路上运行的高速动车组列车为研究对象,通过建立车轮多边形磨耗仿真预测模型,结合现场试验数据,调查钢轨波磨对车轮多边形磨耗产生和发展的影响。研究表明,钢轨波磨虽然可以导致轮轨力和蠕滑率等磨耗关键参数沿车轮圆周发生周期性波动,但是在车辆实际运营条件下,钢轨波磨导致车轮多边形磨耗产生这一观点的成立条件极为"苛刻",对车轮和钢轨波磨区段起始点的接触位置、钢轨波磨的波长以及车轮周长都有严格的要求。在实际中该条件难以满足。因此,钢轨波磨的存在并不是车轮多边形产生的根本原因。结果可为高速列车车轮多边形形成机理的相关研究提供参考和指导。     

普通短轨枕轨道结构钢轨波磨初步研究

研究某地铁普通短轨枕轨道结构小半径曲线上125～160 mm波长波磨形成机理。通过现场调查和试验测试,并结合轨道结构动力学理论对波磨形成机理进行预测分析;建立该轨道结构的三维有限元模型,利用该模型分析轨道结构的模态振型以及频响特性,并总结出该轨道结构的动态特性与钢轨波磨的关系。其中,频响分析时探讨簧下质量对轨道结构响应以及波磨成因的影响。数值计算结果与现场测试结果相吻合。研究发现该轨道结构60～80 Hz的振动是125～160 mm波长波磨形成的根本原因。由于该结构的轨枕直接嵌入轨道板中形成整体,轨道结构隔振性能差,车辆通过该轨道结构时极易发生钢轨和道床板一起相对地基的垂向弯曲振动,从而导致了125～160 mm波长波磨的形成。     

EFFECT OF DISCRETE SUPPORTS OF RAIL ON INITIATION AND EVOLUTION OF RAIL CORRUGATION

The effect of discrete support of rail on the formation and evolution of rail corrugation is primarily investigated with numerical method in the situation of wheelset curving steadily and repeatedly. In the numerical analysis of corrugation it is considered that a combination of Kalker's rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. And the uneven support stiffness of rail in the vertical direction due to discrete sleeper support and the different running speed of the wheelset are taken into consideration. The damage on the running surface of rail, concerning rail corrugation formation, is restricted to wear mechanism of rail material. The numerical results obtained indicate that the discrete supports of rail by sleepers have a great influence on the formation of the corrugation under the condition of non-zero and stable creepages of wheelset and track.     

轨底坡对轮轨滚动接触行为的影响

为了探讨轨底坡与轮轨滚动接触行为的内在联系,针对高速客运专线轮轨接触状况,即轮对踏面为LMA和钢轨为国产CN60,利用改进的三维接触几何程序、Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论及其CONTACT数值程序,分析比较轨底坡对轮轨接触几何参数、接触斑形状、接触斑滑动量、摩擦功、接触应力等的影响.通过分析计算可得,轨底坡对轮轨滚动接触行为有很大影响.尤其当轮对相对轨道横移在6 mm～9 mm范围内变化时,随着轨底坡从1/20到1/40的逐渐减小,轮对左右轮滚动半径差和等效锥度增大,这说明在1/40轨底坡下,轮对恢复对中的能力更好,更有利于曲线通过.1/40轨底坡对应的最大正压力、等效应力等较小,其对应的摩擦功较大.1/20轨底坡的情况刚好相反.综合考虑各种因素,对于LMA-CN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20轨底坡的接触状态更好.数值结果为轨底坡的设计提供重要的参考依据.     

ANALYSIS OF CREEP FORCES OF WHEEL/RAIL

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳｙ1———Ｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｖ1———Ｌａｔｅｒａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔφ———Ｙａｗａｎｇｌｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔω———Ｙａｗａｎｇｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖ———Ｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ,ｏｒｎｏｍｉｎａｌｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｒｉ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｉｎｓｔａｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｗｈｅｅｌｒ0 ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｒｏｌｌｉｎｇｃｉ…     

轮轨结构横向变形对轮轨滚动接触蠕滑力的影响

从数值方面详细分析轮轨结构横向弹性变形对轮轨蠕滑力的影响。借助于有限元方法分析计算轮对和轨道结构横向弹性变形与横向作用力的关系,确定轮轨接触斑处横向单位作用力引起轮轨横向变形的影响系数。用这些影响系数修正Kalker非赫兹滚动接触理论中无限弹性半空间上单位力的影响系数,并分别用没有修正的和修正了的Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论分析计算轮轨滚动接触蠕滑力。从数值结果看,轮轨的结构变形对轮轨蠕滑力的影响是十分大的。因此,用现有基于弹性半空间理论的滚动接触理论分析轮轨蠕滑力,其结果大于实际轮轨滚动接触蠕滑力。     

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.     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of rail corrugation

The effect of a scratch formed on the running surface of a curved rail, due to the slide of a locomotive wheel, on the formation and evolution of rail corrugation is investigated in detail with numerical methods when a wheelset is steadily and repeatedly curving. In the calculation we consider a combination of Kalker’s rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. Also the influence of different speeds of wheelset curving through the scratch on the development of the corrugation is taken into account. The numerical results indicate that a scratch causes strong contact vibration between the wheel and rail, and initiation and development of rail corrugation under the condition of steady creepage occurring between the wheel and curved rail. The wave-length of the corrugation depends on the speed of wheelset curving and the natural frequencies of the track.     

车轮磨耗计算模型及其数值方法

综述国内外车轮磨耗理论模型及其数值方法,提出基于车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和材料摩擦磨耗模型为一体的车轮磨损计算模型, 并发展相应的数值方法。模型中车辆结构和钢轨下部结构被简化成等效质量、弹簧和阻尼系统, 而钢轨用Euler 梁代替, 并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形。利用修改的KALKER三维弹性体非Hertz 滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和滑动量等参量;根据Archard材料磨损模型计算车轮的磨耗深度。利用该模型和相应的数值方法分析不同曲线半径情况下车轮的磨损情况,结果表明该模型可以较好地模拟车轮磨损的演化过程。给出列车通过曲线半径为350 m时车轮的磨损情况。数值结果表明,每个转向架下前轮对比后轮对磨耗严重,外轨上的车轮比内轨上的车轮磨耗严重。     

两种型面轮轨滚动接触应力分析

利用非Hertz滚动接触理论分析计算了磨耗型轮对、锥型轮对与钢轨之间滚动接触斑的作用力分布。再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况。数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据。     

Effect of passenger car curving on rail corrugation at a curved track

The paper presents a corrugation calculation model, which considers Kalker's non-Hertzian rolling contact theory to be modified, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics of a half passenger car and a curved track. The dynamics characters of the curved track model in frequency domain were investigated by the commercial finite element code ANSYS, and some results concerning rail corrugation are presented in this paper. During a passenger car passing a curved track the dynamical performance of the vehicle and track and the initiation and growth of the curved rail corrugation are analyzed with the present corrugation calculation model. In the numerical calculation, two track states are investigated. One is that the track does not have any congenital defect except for the discrete rail support by sleepers. The other is that the track has a lateral dent on the gauge corner of the high rail. The rail corrugations analyzed are attributed to the material wear mechanism. The numerical results obtained indicate that (1) a high passing frequency corrugation initiates on the smooth running surface of the curved rail during the first passing of the passenger car through the curved track without defects; (2) the initial corrugation develops quickly and its passing frequencies change with an increase of passenger car passage; (3) the interaction of the leading wheelset of the bogie and the curved rails causes more severe corrugation and wear on the rail running surface than that of the trailing wheelset of the same bogie; (4) discrete rail support by sleepers is the congenital defect leading to rail corrugation formation.