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。     

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。     

小半径曲线钢轨非对称打磨目标型面优化

小半径曲线钢轨非对称打磨能够减少轨头侧磨,增加轮对导向能力,对非对称打磨目标型面优化,能够提高打磨质量,进一步改善轨道车辆通过小半径曲线时的轮轨接触性能和轮对导向能力.利用NURBS曲线构建了基于可调权因子的钢轨非对称打磨区域轨头曲线参数化模型,建立了以轮轨接触性能和轮对曲线通过能力Kriging代理模型为目标函数的非...     

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。     

轮轨接触界面摩擦管理研究进展

列车向着高速与重载方向迅速发展,显著加剧了轮轨接触界面间的损伤。通过在轮轨接触界面进行摩擦管理能够有效地降低轮轨之间的磨损、显著提高列车的运行安全性以及降低运营成本。对轮轨接触界面摩擦管理研究现状进行综述,并介绍轮轨界面摩擦控制对轮轨作用力、黏着、磨耗、滚动接触疲劳以及振动与噪声影响的研究进展;展望了轮轨接触界面摩擦管理未来研究方向,即应针对不同应用环境和接触部位,研发合理的摩擦控制材料,以克服摩擦管理过程中对轮轨损伤及使用局限性等问题;应探究车轮踏面/轨顶面和轮缘/轨距面摩擦控制方式,严格控制摩擦材料喷涂量使两接触面不相互干扰,优化改进轮轨接触界面摩擦管理的最佳应用参数;应研发环境友好型的轮缘/轨距面润滑剂与车轮踏面/轨顶面摩擦控制剂,稳定调控轮轨接触界面的黏着特性。     

基于空间矢量映射的新型轮轨接触点算法

针对铁道车辆动态轮轨接触问题提出一种新的轮轨几何接触算法——空间矢量映射法。空间矢量映射法根据空间矢量映射原理和轮轨外形的基本特征,将轮轨接触视为空间曲面接触,以轨道截面为基准,以轨面宽度作为轮轨可能接触的最大范围,采用一定的接触点寻找和判定原则,准确地找到车轮在不同横移量和摇头角下的轮轨接触点。并自编一套轮轨关系软件TPLWRSim,以LMA型车轮踏面为例,分别建立轮对与轨道、轮对与滚轮和轮对与槽型轨的三维模型,仿真不同轮对姿态下的轮轨接触状态,并通过与轮轨接触几何外形和磨耗后的车轮踏面接触几何关系的对比验证算法的准确性和有效性。仿真结果表明此算法可很好解决铁道车辆的轮轨几何接触问题,能快速准确地求出轮对任意姿态下与轨道的接触点,并对不同踏面和轨道外形具有很好的适应性。     

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.     

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。     

曲线半径及轴重对轮轨摩擦功影响的研究

基于非Hertz滚动接触理论利用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,轴重和曲线半径对轮轨接触质点间等效应力、接触斑粘滑区的分布、总滑动量和摩擦功的影响。分析计算表明,轴重增加引起轮轨接触质点间等效应力,接触质点间粘滑区的面积以及总滑动量的变化,同时对轮轨接触质点阍的摩擦功的变化有重要影响;小曲线半径处轮轨接触质点间的总滑动量,接触斑滑移区的面积以及摩擦功都明显增大,导致曲线上钢轨磨损加剧。因此曲线半径和轴重是影响轮轨滚动接触磨损的重要因素。     

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。     

钢轨滚动磨损性能试验研究

在JD-1型轮轨摩擦试验机上研究了轴重与曲线半径对钢轨滚动磨损性能的影响。结果表明：轴重与曲线半径是影响钢轨磨损的主要因素。试样磨损量随着载荷的增加而增加,也随着曲线半径的减小而增加;试样表面磨损形貌随着载荷与曲线半径的改变而表现出不同的变化,其中大载荷和小曲线半径试验使钢轨试样磨损程度严重,表面容易产生较明显的塑性形变以及龟裂现象;制动力条件下滚动试样磨损更为严重。     

The influence of wheel/rail gap and rotating mechanism on dynamic performance of APM

The dynamics equations of Automatic passenger mover (APM) vehicle with the middle-guiding single-axle tire running gears were derived using linearized tire model, in which side force and rolling contact effect on running tire are taken account. A simulation model of APM vehicle based on Simulink environment was built using object-oriented programming technique, and the effects of contact statues between guiding tires and rail and different rotation modes on of curving performance and ride quality were studied. The simulation has shown that the preload force on guiding tires don’t improve curving performance but significantly worsen lateral ride quality, whereas the gap between guiding tires and rail will increase the running tires side force and guiding tires radial force on curve. The gap between guide tires and rail should be controlled between 0 and 5 mm on compromising the curving performance and ride quality of APM vehicle. The cornering force of the rotating mechanism above the springs mode is greater than that of the below mode, and decreases with the increase of the curve radius, which is unfavorable to the curve passing.     

GA-BP网络在钢轨磨损量预测中的应用

基于GA算法及BP神经网络优点,将GA算法优化的BP网络应用于钢轨磨损量预测。通过赫兹模拟试验方法,在JD-1轮轨模拟试验机上获得不同曲线半径、轴重、运行速度工况下对应的钢轨磨损量,即神经网络所需样本,建立GA算法优化三层BP神经网络,对钢轨磨损量进行预测。结果表明:GA算法优化的BP神经网络对钢轨磨损量具有良好的预测性能,较好地反映了曲线半径、轴重、运行速度对钢轨磨损量的影响规律。     

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。     

轮轨两点接触的有限元分析

在轮轨单点接触计算分析的基础上,建立锥形踏面车轮的轮缘贴靠钢轨形成两点接触的计算模型,应用有限元参数二次规划法分析这一弹塑性接触问题。对不同载荷作用下的轮轨两点接触模型分别进行计算,得出了大量的轮轨接触状态、接触力的分布及变化规律。这些计算结果将有助于找到缓解钢轨侧磨和轮缘磨耗的方法。     

SDB-80型转向架轮对损耗分析

针对轮轨型面磨损问题,首先,对青岛地铁3号线现有的轮对测量数据进行分析,报告了轮对存在偏磨现象且轮对镟修损耗占轮对寿命比值较大的现状。然后,对轮对异常磨耗进行研究,指出轮对缺少润滑、线路曲线分布不对称和列车长时间不掉头运行是导致轮对产生异常磨耗的主要原因。最后,根据线路实际情况,提出了采用轮缘润滑或小半径曲线外轨轨侧涂油等方式降低轮轨摩擦系数、车辆定期掉头运行和采用薄轮缘镟修的方式对轮对进行镟修等解决措施,降低轮对的损耗速率,增加轮对的使用寿命。     

组合轮径差对地铁车辆动力学性能的影响

为了研究各种轮径差组合形式对地铁车辆动力学性能的影响,基于车辆系统动力学和赫兹非线性接触理论,建立地铁动车非线性动力学模型,分析各种轮径差组合工况下地铁车辆的临界速度、平稳性、安全性和磨耗功率及其变化规律。结果表明:在多种轮径差组合工况下,轮径差增大会使地铁车辆的临界速度有较大幅度降低,会使地铁车辆的横向平稳性和磨耗功率明显增大;轮径差对地铁车辆的垂向平稳性、轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率影响较小;通过左、右曲线时,轮径差对磨耗功率增幅的影响存在差异,但变化规律一致。