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。     

转向架悬挂参数对轮缘磨耗的影响

通过对动车组线路的长期跟踪测试，发现某线路动车组轮缘磨耗异常是该线路动车组轮对报废的主要原因。对3种常用动车组的轮缘磨耗情况进行跟踪实测，并对比分析3种动车组轮缘磨耗规律。为探究对车辆动力学性能影响较大的悬挂参数对车轮轮缘磨耗的影响，采用动力学仿真分析软件SIMPACK建立动车组的动力学仿真模型，计算不同悬挂参数下车辆的动力学性能参数。剖析不同悬挂参数下的动力学性能指标，根据轮轨发生两点接触后的受力状态，分析各个动力学性能参数变化对轮缘磨耗的影响，并验证悬挂参数的改变对车辆直线运行性能的影响。结果表明：轴箱定位刚度对车辆通过小半径曲线时的轮轨冲角和横向力影响较大，是影响轮缘磨耗的主要悬挂参数。     

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。     

面向轮缘磨耗的动车组车轮型面多目标优化设计

CRH1型动车组最初采用的LMA型车轮踏面不能很好地匹配列车的悬挂参数,影响了列车在直线和大半径曲线上运行时的稳定性,后被新设计的LMD型踏面取代。LMD型踏面为列车运行提供更好的稳定性,却出现了严重的轮缘磨损和钢轨侧磨现象。此次优化过程首先对LMA和LMD型踏面的综合性能进行理论分析,并依据当前两种型面使用中出现的问题,以保证车辆直线运行稳定性与减小通过小半径曲线时的轮缘磨耗为目标,建立数值优化模型,并采用改进的粒子群优化算法对模型进行了求解。结果表明,该方法具有较快的计算速度与收敛性;获得的新型车轮踏面可以保证CRH1型动车组较好的直线运行稳定性,小半径曲线通过时较小的轮轨横向力和轮对冲角。研究内容为车轮型面的多目标优化提供了可行方案,为改善CRH1型动车组综合服役性能提供理论参考。     

[轮轨磨耗及预测]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。     

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。     

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...     

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...     

等效锥度对高速动车组蛇行运动的影响

针对等效锥度对车辆的影响规律问题,长期跟踪测试某型号高速动车组,获得了不同里程下的车轮踏面廓形,匹配车轮与标准钢轨、磨耗钢轨,计算出不同形式的等效锥度曲线,搭建动力学仿真模型,利用实测数据研究等效锥度对车辆蛇行运动的影响.研究表明:车轮在行驶一段时间后会出现不同程度的凹磨现象,与磨耗钢轨匹配后的等效锥度呈现较大的负斜率,会大幅降低临界速度,导致构架横向加速度增大出现二次蛇行运动,蛇行频率出现不同的变化规律.     

车轮镟修型面对轮轨匹配性能的影响

目前动车组轮广泛采用的经济型镟修法,镟修后车轮并没有达到标准车轮轮缘厚度。为探究经济镟修型面对轮轨匹配性能产生的影响,为车轮维修策略的制定提供理论依据,对比分析标准车轮型面和新镟修的不同轮缘厚度车轮型面的静态匹配特性与动力学性能。结果表明：目前镟修方法得到的薄轮缘镟修型面有利于提高车辆的直线运行临界速度,但其他动力学性能指标略有下降;在通过不同半径曲线时,各型面曲线通过性能相差不大,小半径曲线工况下,各型面轮缘均与钢轨贴靠;通过大半径曲线时,在较大横移激扰下薄轮缘型面存在失稳的风险,从而造成较大的轮轨横移量及轮轴横向力,使轮缘与钢轨贴靠现象严重,造成严重的轮缘磨耗。     

Numerical calculation of temperature in the wheel–rail flange contact and implications for lubricant choice

The realization of movement by railway vehicles creates a problem that is connected to the wear process for elements of a tribological wheel–rail system. Wheel–rail wear is a complex phenomenon that depends on many factors. One of the main wear zones is the contact area between a wheel flange and a rail gauge. As is well known, wear in this contact zone occurs when a railway vehicle moves on curved parts of track, realizes tractive, braking efforts or moves in a high-speed mode. In this case, the solution of this kind of wear problem can be found by means of lubricant implementation. The choice of a lubricant requires information about contact characteristics at the moment of a vehicle's movement. This paper focuses on the modeling of the temperature process in the contact between a wheel flange and a rail gauge. Examples of temperature calculation with some experimental data as input for this computation are presented. The obtained values of the temperature allow for making the correct choice of lubricant type.     

An investigation into the effect of train curving on wear and contact stresses of wheel and rail

Some important papers concerning the studies on rail wear and wheel/rail contact stresses are briefly reviewed. The present paper utilizes a numerical method to analyze the effect of railway vehicle curving on the wear and contact stresses of wheel/rail. The numerical method considers a combination of Kalker's non-Hertzian rolling contact theory, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics model of the vehicle/track. In the analysis, the important factors influencing on the wear and the contact stresses are, respectively, the curving speed, the curved track super-elevation and the rail cant. Compared to the present model, some concerned models and results in the published papers are in detail discussed. Through the detailed numerical analysis, it is found that the difference between the normal loads of the left and right of the wheelset increases linearly with increasing the vehicle curving speed. The material wear volume per length along the rail running surface has a tendency to grow. However, the variation of the maximum normal contact stress has a large fluctuation as the curving speed increases. The increase of the maximum contact stress depends greatly on not only the normal load but also the profiles of the wheel/rail. Increasing the track super elevation efficiently lowers the normal load difference of the left and right of the front wheelset, and the contact stresses and the wear. The rail cant has a great influence on the low rail wear of the curve track. An increase in rail cant results in a great increase in the low rail wear of the curved track, and a decrease in the outside rail wear. These conclusions are very useful in the maintenance of the track.     

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。     

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%,LMB10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0.6mm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。     

新型高速轮轨接触疲劳试验机研制

220 kW新型高速轮轨疲劳试验机可准确再现时速300 km/h条件下,轮轨滚动接触时的疲劳、钢轨波磨和侧磨等现象,模仿真实工况条件下高速轮轨损伤机理及粘着特性等,为高速铁路发展建设提供必要的研究手段和设计数据。     

Investigation of influence of constraints with radius links on locomotive axle load distribution and wheelset steering ability

The problem of improving the tractive and dynamic performance of locomotives by means of using axle boxes with inclined radius links was investigated. The kinematics of axle boxes with different variants (different angles) and designs of inclined radius links, based on the vector contour method for link mechanisms, was studied. The results of a bogie design with vertically inclined radius links were used for the improvement of vertical load distribution for locomotives. The behavior of a locomotive running in a curve is more complicated because the lateral forces appear between a flange of the wheel and the head of the rail in the contact zone, and the values of wheel slip are higher than for straight sections of track. These two factors are the main reasons for wheel wear. Theoretical and experimental investigations to reduce wear and to improve vehicle dynamics were made, and the results obtained show that an effective solution can be reached by the use of inclined links to the longitudinal axis of a bogie in the horizontal plane. Questions about the development of a bogie with a radial installation and active steering are discussed.     

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。     

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.     

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。