轮缘润滑对列车曲线通过动态响应影响分析*

为研究轮缘润滑对重载列车曲线通过性能的影响,建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型,该模型主要包含重载列车系统模型、有砟轨道系统模型和考虑多点接触和复杂接触状态的轮轨滚动接触模型。利用该模型对比分析惰行工况和驱动工况下,轮缘润滑对重载列车曲线通过时轮轨动态相互作用的影响。研究结果表明：轮缘润滑对机车曲线通过时的轮轨动力相互作用影响显著,在机车轮对通过小半径圆曲线过程中,当存在轮缘润滑时,外侧轮缘位置处的轮轨纵向蠕滑力明显较无轮缘润滑时明显降低,轮对导向能力削弱;在惰行和牵引工况下通过圆曲线时,存在轮缘润滑的轮对冲角均明显增大;轮缘润滑对重载列车钩缓系统响应影响不大。     

城轨列车轮缘固态润滑系统设计与应用

针对当前轨道列车轮缘润滑技术中常用的车载轮缘润滑、车载钢轨轮润滑两种方式存在油液喷涂润滑时轮缘根部承受高负荷、高温,导致液体油膜容易遭到破坏反使轮轨之间丧失润滑能力、黏着系数下降、轮对空转等问题,提出一种轮缘固态润滑方案。利用轮轨直线运行时摩擦因数较小,曲线弯道运行时摩擦因数较大的运行特点,基于多传感器信息融合的列车定位技术实现列车运行至曲线位置时进行重点润滑的控制。通过试验验证,系统达到了润滑膜较为稳定、避免液态润滑剂非预想迁移、润滑点位置精确控制等良好效果。     

基于弹性模型的高速列车曲线通过时轮轨接触特性研究

为研究高速列车曲线通过时的轮轨接触几何关系、蠕滑性能及磨耗情况,基于我国某型高速动车组,利用有限元和多体动力学方法,考虑轮对旋转运动,建立高速列车车辆系统弹性模型,并通过数值仿真,得到高速列车曲线通过时,不同曲线参数影响下,轮轨接触点横向位置、轮轨蠕滑力以及轮轨磨耗指数等的变化规律。结果表明,相对于刚性模型,利用车辆系统弹性模型仿真能够更加真实反映轮对旋转运动时的轮轨接触状态,也更符合高速列车实际曲线通过情况。高速列车曲线通过速度和线路横向不平顺激扰幅值增大均会显著加剧轮对横向位移、轮轨接触点横向位置、轮轨横向蠕滑力等轮轨系统横向相互作用,且会加大轮轨磨耗;曲线半径和超高增大对于曲线轨道外侧轮轨磨耗影响较大,但对于轮轨系统横向相互作用影响较小。将通过速度为350km/h的7 000 m半径曲线超高设置为170 mm,可有效平衡内、外侧轮轨磨耗,列车降速通过则会加剧曲线内侧轮轨磨耗。     

有轨电车曲线啸叫噪声试验分析

曲线啸叫噪声是城市轨道交通中一个亟待解决的问题,但目前国内对其研究较少。以70%低地板有轨电车通过嵌入式轨道小半径曲线时为研究对象,通过测试和分析,研究其轮轨啸叫噪声特性及产生机理。测试曲线半径分别是25 m和50 m,试验速度分别是3～9 km/h和4～20 km/h。试验过程中轮轨接触表面状态分别考虑了自然状态、水润滑状态、油润滑状态和固体润滑状态。测试结果表明,未润滑状态下的车外标准点噪声L_(Aeq)在56～91 dB(A),其中87%～92%的工况发生啸叫或轻微啸叫;导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著,其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮1 811 Hz频率处(0, 3)轴向模态振动,从而产生强烈的单频振动并发出啸叫。试验对比了不同润滑状态(水、润滑油、固体润滑剂)对啸叫的控制效果,测试结果表明采取润滑后,测试工况中发生啸叫或轻微啸叫的比例降低到19%～50%,车外噪声L_(Aeq)显著降低。研究补充了国内在有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫方面试验数据,并基于试验数据基本弄清了有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声的产生机理。     

有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声时域建模分析

有轨电车通过小半径曲线时易产生严重的啸叫噪声,产生机理复杂且影响因素较多,目前曲线啸叫的产生机理及其关键影响因素在国内外研究中并未形成统一认识.基于轮轨摩擦曲线下降特性引起轮轨系统不稳定自激振动的曲线啸叫产生机理,建立有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声时域预测模型,主要包括考虑弹性车轮、嵌入式轨道结构特性的轮轨结构动力学...     

嵌入式轨道与扣件轨道曲线啸叫噪声试验分析

嵌入式轨道是一种减振降噪型轨道,可以通过高分子材料的包裹增加轮轨系统阻尼。测试和分析100%低地板有轨电车通过嵌入式轨道和扣件式轨道小半径曲线时产生曲线啸叫噪声,测试曲线半径为50 m,试验速度范围5～15 km/h,测试结果表明,当有轨电车经过扣件式轨道时,导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著,其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮960Hz频率处(0,2)轴向模态振动,从而产生强烈的单频振动并发出啸叫;与扣件式轨道相比,嵌入式轨道对曲线啸叫有一定的抑制效果;建立三维轮轨接触有限元模型,发现耦合模态阻尼受轨道结构阻尼影响较大,改变轨道结构的阻尼能有效的提高轮轨耦合模态阻尼,其中提高轨道结构参数中的横向阻尼是抑制曲线啸叫最有效的方式。     

地铁钢轨短波长波磨形成原因分析

国内某地铁线路运营后曲线轨道出现了短波长钢轨波磨现象,通过力锤敲击法对不同扣件轨道动态特性进行了测试。利用ABAQUS建立了轮轨三维实体有限元模型,分析了轮轨耦合模态特性以及白噪声激励时轨道频响特性。结合试验和仿真结果,分析了轮轨结构动态特性与短波长钢轨波磨之间的相关性。研究结果表明：普通扣件和减振扣件轨道钢轨波磨主波长分别为30~63 mm和40~50 mm;白噪声激励下,两种轨道分别在450~920 Hz和570~720 Hz范围内的敏感共振频率与列车通过钢轨波磨频率(454~954 Hz和572~715 Hz)相吻合;线路轨道短波长波磨的产生主要与轨道结构高频固有特性相关,轨道短波长波磨通过频率与轮轨耦合模态频率相近,其模态振型表现为轮对弯曲扭转的同时,伴随钢轨相对轨道板的垂向弯曲振动,轮轨耦合高频模态特征加剧短波长波磨的发展。     

考虑压钩力作用的重载铁路曲线钢轨磨耗研究

为研究重载列车在曲线上由纵向冲动产生的压钩力对曲线钢轨磨耗的影响,基于车辆-轨道耦合动力学理论和轮轨磨耗理论,建立车辆动力学模型和轮轨磨耗模型,分析了不同压钩力作用下重载列车运行安全性及小半径曲线钢轨的磨耗规律.计算结果表明,小于400 kN的压钩力对钢轨磨耗和车辆运行安全影响不大,当压钩力大于800 kN后会导致车钩...     

一种基于运行时刻表的轮缘润滑时间模式调节优化研究

广州地铁广佛线正线曾多次发生列车空转滑行故障,检查确认是由于列车进站出站时轮缘润滑喷油,导致轮轨黏着发生变化而产生空转滑行。现提出一种基于运行时刻表的轮缘润滑时间模式调节优化策略,能够避免列车进站或出站喷油而导致空转滑行。     

地铁小半径曲线轨侧润滑对钢轨的减磨效果研究

对某地铁线路轮轨磨耗进行现场测试,掌握了该线路轮轨磨耗特征。利用动力学软件UM建立地铁车辆-轨道动力学模型,采用Hertz接触理论和FASTSIM算法分别计算轮轨法向力和切向力,结合Archard磨耗模型对小半径曲线外轨轨侧润滑的减磨效果进行预测,提出小半径曲线钢轨磨耗控制措施。钢轨磨耗测试结果表明,由于该线路小半径曲线外轨缺乏有效润滑,导致外轨以侧面磨耗为主,曲线半径越小侧磨越严重。仿真结果表明,小半径曲线采用外轨轨侧润滑的方式能显著降低钢轨侧面磨耗量;在半径为350 m的曲线外轨侧施加润滑可使外轨磨耗降低9%～34%;当半径为650 m时,外轨侧面润滑的减磨效果已不明显。根据仿真结果,建议半径600 m以下的曲线对外轨轨侧进行适当润滑,可有效缓解钢轨磨耗。     

铁路轮轨润滑脂的研制

采用IR、XRD、SEM-EDS等手段,对常用铁路轮轨润滑脂进行剖析,得到润滑脂的基础油种类和添加剂组成。研制一种新型铁路轮轨润滑脂,并与常用铁路轮轨润滑脂的性能进行比较。结果表明:研制的润滑脂的最大无卡咬负荷为863 N,比常用铁路轮轨润滑脂的大一倍多,其摩擦因数为0.008～0.032,明显小于常用铁路轮轨润滑脂的0.039～0.051,但烧结负荷小于常用铁路轮轨润滑脂;研制的润滑脂具有更好的胶体稳定性和耐热性。     

山地地铁浮置板轨道支撑结构钢轨波磨机制研究

基于轮轨系统摩擦自激振动的观点,研究山地地铁线路长大坡道圆曲线段处出现的典型钢轨波磨现象。利用SIMPACK建立山地地铁车辆-轨道动力学模型,验证了列车通过长大坡道圆曲线段外侧轮轨间的蠕滑力处于饱和状态;建立相应区段上由导向轮对-钢轨-道床所组成的轮轨系统有限元模型,采用复特征值分析法从频域角度研究轮轨系统的稳定性;采用控制变量法研究浮置板结构中隔振器的垂向刚度和垂向阻尼、扣件的垂向刚度和垂向阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。结果表明：在长大坡道圆曲线段上,外侧轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是导致该区段外轨处钢轨波磨产生的主要原因,诱导频率为459.63 Hz。参数化分析表明,轮轨系统摩擦自激振动随隔振器的垂向阻尼和垂向刚度的增大呈增大趋势,随扣件的垂向阻尼的增大呈降低趋势,而随扣件垂向刚度的增加呈先减小后增大的趋势;当扣件的垂向支撑刚度为40 MN/m时,钢轨波磨最不容易发生。     

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。     

新型独立转向架的研制及其在改善轮轨关系方面的应用

从轮轨接触的形式、轮轨磨损成因及降低轮轨磨耗的对策分析出发,通过对独立旋转车轮工矿车辆转向架的研制和运行验证后,对该转向架的优点做了总结,结果表明该转向架在降低轮轨磨耗、提高曲线通过能力、提高适应线路扭曲的能力、改善车辆运行品质等方面均有明显效果,这对铁路干线车辆转向架具有借鉴意义。     

Numerical analysis of rolling-sliding contact with the frictional heat in rail

Thermal damage caused by frictional heat of rolling-sliding contact is one of the most important failure forms of wheel and rail. Many studies of wheel-rail frictional heating have been devoted to the temperature field, but few literatures focus on wheel-rail thermal stress caused by frictional heating. However, the wheel-rail creepage is one of important influencing factors of the thermal stress In this paper, a thermo-mechanical coupling model of wheel-rail rolling-sliding contact is developed using thermo-elasto-plastic finite element method. The effect of the wheel-rail elastic creepage on the distribution of heat flux is investigated using the numerical model in which the temperature-dependent material properties are taken into consideration. The moving wheel-rail contact force and the frictional heating are used to simulate the wheel rolling on the rail. The effect of the creepage on the temperature rise, thermal strain, residual stress and residual strain under wheel-rail sliding-rolling contact are investigated. The investigation results show that the thermally affected zone exists mainly in a very thin layer of material near the rail contact surface during the rolling-sliding contact. Both the temperature and thermal strain of rail increase with increasing creepage. The residual stresses induced by the frictional heat in the surface layer of rail appear to be tensile. When the creepage is large, the frictional heat has a significant influence on the residual stresses and residual strains of rail. This paper develops a thermo-meehanical coupling model of wheel-rail rolling-sliding contact, and the obtained results can help to understand the mechanism of wheel/rail frictional thermal fatigue.     

地铁线路上一种钢轨波磨现象的成因分析

针对地铁线路直缓点附近区间上的一种特殊钢轨波磨现象,根据现场条件建立车辆-轨道系统数值模型,并对模型的有效性进行了验证;运用数值模型分析上述线路区间的轮轨界面黏滑特性,解释了该类钢轨波磨的形成原因;结合轮轨系统动力响应特性,分析促使钢轨波磨生成和发展的波长固定属性的成立条件。结果表明：在线路直缓点附近区间,导向轮对和从动轮对内外侧轮轨界面均会发生横向黏滑运动,而轮轨界面发生纵向黏滑运动的概率较低,且黏滑运动的交替发生,导致了钢轨表面初始波磨的形成;当导向轮对和从动轮对内外侧车轮经过线路直缓点时,外侧轮轨接触表现为轮缘-轨距角接触,且接触形式的改变造成了轮轨系统法向力的波动,说明直缓点的存在赋予了轮轨横向黏滑运动的相位同步特征,能够保持钢轨波磨的波长固定属性,因此,钢轨波磨最终形成并不断发展,而且内轨表现为轨面波磨,外轨表现为侧面波磨,这与实测区间波磨现象一致。     

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨打磨限值研究

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮轨动态响应的影响规律,从车辆运行安全性的角度提出钢轨波磨的安全限值;构建波长为50 mm典型波磨区段的轮轨系统有限元模型,采用瞬时动态分析研究轮轨摩擦耦合振动特性,从钢轨波磨发展趋势的角度提出钢轨波磨的打磨限值。动力学分析结果表明,山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨波长为30、40、50、60、70 mm时的波深安全限值分别为0.03、0.04、0.05、0.08、0.15 mm。轮轨摩擦耦合振动分析结果表明,轮轨系统摩擦耦合振动随着波深的增大而增大,控制波深打磨限值在0.02 mm以下能有效抑制轮轨摩擦耦合振动并延缓波磨发展。     

高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究

结合多年的研究与调查,分析了高速与重载铁路钢轨损伤与预防技术的差异。钢轨侧磨与压溃是重载曲线段钢轨的主要损伤类型,而高速铁路钢轨主要表现为疲劳损伤特征;根据磨损与疲劳的相互制约与竞争关系,提出了高速与重载铁路钢轨选材及车轮型面选择的不同要求;阐述了高速与重载铁路钢轨不同曲线轨头非对称打磨技术的原理及应用。     

车轮辐板形状与轨距对钢轨波磨的影响

基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的理论,建立不同的车轮辐板形状和轨距的轮轨系统有限元模型,使用复特征值法对轮轨系统的波磨发生趋势进行分析,研究车轮辐板形状和轨距对波磨的影响。结果表明:车轮辐板形状对轮轨系统摩擦自激振动存在影响,且直幅板车轮对钢轨波磨有一定的抑制作用;轨距对S形辐板车轮系统摩擦自激振动情况几乎没有影响;轨距对直辐板车轮系统摩擦自激振动存在影响,当选用特定轨距(1 430 mm)时,得到了一个未发生摩擦自激振动的直辐板车轮轮轨系统模型。