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。     

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。     

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.     

锥形踏面和磨耗形踏面轮轨弹塑性接触性能的比较

用有限元参数二次规划法分析轮轨的三维弹塑性接触问题,对锥形踏面和磨耗形踏面的机车车轮与标准轨道组成的轮轨系统分别进行计算,并将得出的轮轨接触状态、接触力及接触应力场进行了分析比较,指出了磨耗形踏面耐磨的根本原因。这一方法为轮轨型面的优化设计提供了新的思路。     

车轮型面演变对重载固定辙叉磨耗的影响

为研究大秦线路上列车车轮型面演变对固定辙叉动力学性能的影响,建立重载列车-辙叉动力学模型,分析重载列车通过固定辙叉的动力学性能和磨耗规律。结果表明,车轮通过理论尖端后,滚动圆半径不断变化使得轮叉接触点线速度发生改变,轮叉间滚动与滑动摩擦并存,对翼轨磨损较大;不同车轮对心轨冲击位置相对集中,心轨该区段伤损严重;车轮演变使轮叉接触状态发生变化,磨耗初期车轮的列车动力学性能优于标准车轮,列车平顺性更好,磨耗初期机车与货车轮叉垂向力较标准车轮分别降低了39%和56%,该磨耗阶段车轮与辙叉匹配时,辙叉的磨损最轻微。随着车轮型面演变,车轮磨耗加深,列车动力学性能逐渐恶化,磨耗后期车轮对辙叉磨耗掉块伤损的影响最剧烈。     

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...     

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。     

地铁车轮踏面异常磨耗原因分析

介绍车轮磨耗的预测方法.考虑轮轨动态接触状态,采用数值分析方法分析异常磨耗的地铁车轮和新钢轨作用情况,且对导致地铁车轮踏面异常磨耗的原因作了简单分析.分析结果表明, 地铁车轮踏面经闸瓦磨耗后在凸起处的接触频率较高,磨耗率大,因而车轮磨耗后踏面凸起不是轮轨接触作用引起的;闸瓦压力过大、压力不均匀、闸瓦晃动量大、频繁制动等因素容易导致滚动圆内侧和踏面外侧的双凹槽磨耗,双凹槽处磨耗速度远远大于轮缘处的磨耗速度;轮缘磨耗主要是轮轨相互作用的结果,而踏面上的凹槽磨耗可能主要由闸瓦制动引起.     

车轮踏面磨耗对齿轨列车齿轮齿条接触状态影响研究

针对齿轨列车车轮踏面磨耗情况下难以探究齿轮齿条接触状态规律的问题,提出了一种基于Hertz接触理论的考虑车轮踏面磨耗情况的齿轮齿条齿面接触应力计算模型。首先,分析了磨耗情况下齿轮齿条的接触关系,获得了接触应力计算关键参数随车轮磨耗的变化规律,并结合Hertz接触理论构建了考虑车轮磨耗的齿轮齿条接触应力计算模型;然后,选取某工程齿轮齿条参数进行计算,获得了磨耗周期内的齿面接触应力分布,并通过27组有限元仿真试验获得了不同磨耗量、不同接触位置的齿轮齿条接触应力数据,与上述计算模型结果进行了对比;最后,运用上述计算模型进一步分析了车轮磨耗影响接触应力规律的内在机制和关键因素。结果表明,模型结果与仿真计算结果的最大相对误差为7.71%,验证了计算模型的准确性;车轮踏面磨耗量越大,齿轮齿条啮入点附近的接触应力越大,其影响机制是车轮磨耗导致啮入点附近驱动齿轮曲率半径急剧减小;增大初始中心距和齿条齿顶圆角影响系数,可降低车轮踏面磨耗对接触应力的影响,并可通过减小高度调整周期来优化接触状态情况。     

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。     

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。     

起重机单侧弧形踏面车轮技术

针对车轮啃轨这一常见但长期未得到有效解决的难题,提出一种车轮单侧弧型踏面结构,即起重机一侧车轮由优化的参数化弧形踏面替代平面踏面,改变轮轨的接触形式;而另一侧仍采用平面踏面对轨道的跨距误差进行补偿。建立轮轨接触理论仿真模型,分析车轮踏面的弧形结构参数对于接触应力、摩擦力及啃轨的影响。通过QD35-28.5双梁桥式起重机试验和现场应用验证该技术对于解决起重机啃轨问题的有效性。     

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。     

车轮踏面凹形磨耗对轮轨相互作用的影响研究

为了研究踏面凹形磨耗车轮的动力学行为,改进Kik-Piotrowski方法提出一种可考虑轮对摇头和轮轨多点接触的非Hertz接触模型,结合车辆—轨道耦合动力学理论计算具有实测踏面凹形磨耗车轮的CRH2高速动车组在钢轨上运行时的轮轨动态相互作用行为。计算结果表明,改进的Kik-Piotrowski方法可以很好地模拟磨耗车轮与钢轨的多点接触和非Hertz接触行为,轮轨法向力、轮轨蠕滑力以及接触斑形状都与CONTACT计算结果比较接近。对于踏面凹形磨耗的车轮,接触区域分布在车轮磨耗边缘的两个孤立位置,当接触斑从一个区域向另一区域转换时存在瞬时的两点接触。由于两点接触的过渡,接触区域在两个位置转换时造成的冲击效应并不明显。与无磨耗车轮的动力学响应对比,该类车轮踏面凹形磨耗对轮轨力的影响从总体上来说不大,对轮轨横向力的影响略大于对轮轨垂向力的影响,磨耗会增加轮轨垂向力和轮轨横向力的高频成分。     

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。     

车轮滚动接触疲劳与磨耗耦合关系数值模拟

滚动接触疲劳和磨耗是车轮失效的主要方式。通过三维弹性体非赫兹滚动接触理论得到接触斑内的法向、切向应力和材料上不同深度处的最大切应力分布,以CL60钢和贝氏体车轮钢为例,基于"layer"滚动接触疲劳失效模型和Zobory车轮磨耗模型,分析LM型车轮踏面和75 kg.m–1钢轨型面匹配时轮轨接触条件和车轮材质对车轮滚动接触疲劳和磨耗竞争关系的影响。计算结果表明,摩擦因数为0.3时,CL60钢在小蠕滑条件下会发生滚动接触疲劳损伤,在大蠕滑条件下只有轴重大于30 t时才会出现滚动接触疲劳损伤,而贝氏体车轮钢只有在大蠕滑条件且轴重为30 t时,载荷循环次数小于1×105的情况下才会出现滚动接触疲劳损伤;摩擦因数为0.6时,CL60钢和贝氏体车轮钢在各种工况下的滚动接触疲劳损伤速度都小于相同条件下的磨耗速度。     

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.     

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。     

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。     

钢轨轨底坡对LM和LMA两种轮对接触行为的影响

为揭示轨底坡与两种踏面的轮轨滚动接触行为之间内在联系,利用改进数值算法分析不同轨底坡下,LM踏面和LMA踏面车轮沿中国钢轨60 kg/m (CHN60)上滚动接触时的接触几何参数、轮轨接触点处的刚性蠕滑率的变化情况,再根据Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论,详细地分析两种轮对滚动接触斑上的正压力和切向力分布.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.分析计算中,考虑两种车轮半径420 mm和460 mm.计算结果表明,1/20轨底坡下LM踏面车轮对应的接触应力等参量远小于1/40轨底坡下的情况,LMA踏面轮对的情况刚好相反.由此可知,对于LM-CHN60轮轨接触副,1/20轨底坡较1/40的好;对于LMA-CHN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20的好.车轮半径对LM-CHN60和LMA-CHN60的滚动接触行为的影响不大.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.