地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响

对某地铁线路轮轨磨耗进行测试,分析实测型面与CN60钢轨匹配的轮轨接触几何关系,并利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论对轮轨接触力学特性进行分析。利用UM多体动力学软件建立某B型地铁车辆动力学仿真模型,分析轮轨磨耗对车辆动力学性能及轮轨接触损伤特性的影响。结果表明：该线路车轮踏面磨耗较均匀,存在明显轮缘磨耗现象。不同运行里程下实测车轮踏面外形基本相似,导致车轮磨耗对轮轨接触几何关系、轮轨接触力学特性及车辆动力学性能的影响较小。实测轮轨匹配下的动力学性能略有下降。随着运行里程增大磨耗指数变化不大,表明车轮磨耗稳定。车轮磨耗后表面疲劳指数大于标准型面,出现滚动接触疲劳的可能性增大。     

小半径曲线段钢轨打磨对轮轨动力特性影响分析

针对铁路小半径曲线钢轨病害实施个性化钢轨廓形打磨，定期观测打磨后线路状态，通过钢轨廓形采集及轨面状态分析，结合车辆-轨道动力学模型对钢轨打磨效果进行评价，探讨钢轨廓形保持水平及合理养护周期。研究结果表明：个性化钢轨廓形打磨后，轮轨接触关系得到显著改善，算例中车体横向加速度、垂向加速度、轮轨横向力分别降低9.58%、8.09%、15.81%；轮轨磨耗指数降低22.99%，有效降低钢轨磨耗速率，延长使用寿命。在打磨12个月后，各项动力学指标表现仍优于打磨前，验证个性化钢轨廓形打磨是可行的。随着打磨后通过总重的增加，12个月左右钢轨表面开始出现病害并快速发展，廓形产生较为明显的磨耗，建议将此时线路通过总重所经历的时间作为钢轨廓形的打磨周期。     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明：CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。     

高寒动车组车轮磨耗演变特性及其影响分析

对某线路上运行的高寒动车组车轮磨耗进行长期跟踪测试,得到车轮磨耗演变规律。将实测车轮踏面分别与CHN60轨和60 N轨匹配,分析车轮磨耗对轮轨接触几何关系和接触力学特性的影响。利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆动力学仿真模型,研究车轮磨耗过程中车辆动力学性能的演变规律。研究结果表明：车轮踏面磨耗随运行里程呈线性增加趋势,动车和拖车平均磨耗速率分别为0.0434 mm/万千米和0.0398 mm/万千米,且几乎没有轮缘磨耗。等效锥度随运行里程呈前期增长较快后期平缓的非线性特性,且与CHN60匹配时等效锥度明显高于与60 N轨匹配。实测轮轨匹配下的力学特性及动力学性能均略有下降,车辆与60 N轨匹配时体现出更好的服役性能。     

钢轨异常磨耗对构架横向加速度影响研究

针对某型高速动车运行过程中转向架构架横向加速度报警的问题,构建了车辆多体动力学模型,结合实测磨耗钢轨外形,研究了异常磨耗钢轨与构架横向加速度报警间的关系。仿真分析发现当动车高速运行于实测的轨道不平顺线路上时,长期未打磨钢轨区段对应的轮对、构架横向加速度明显要大于一次打磨和二次打磨钢轨。随着钢轨磨耗加剧,轮轨接触等效锥度也呈上升的趋势,降低了车辆稳定性。并且通过现场实验验证长期未打磨钢轨对应构架横向加速度明显大于新打磨钢轨。研究结果表明:钢轨轨面长期未打磨而出现不正常的宽光带磨耗与轨距角磨耗增大了轮轨间等效锥度,是导致轮轨接触不良主要原因,而轮轨接触不良是造成动车组构架横向稳定性变差的重要因素。     

小半径曲线段钢轨打磨方案比选及动力特性研究

小半径曲线段钢轨廓形质量对轮轨接触关系及钢轨使用寿命有着关键影响。为探究个性化打磨对小半径曲线段磨耗廓形的轮轨接触改善及延长钢轨使用寿命效果,选取沪昆普速铁路小半径曲线段两组磨耗钢轨进行打磨方案研究;基于现场实测数据及病害分析,与消除表面病害为目的的修复性打磨方案作比较,对钢轨进行个性化打磨廓形设计;跟踪观测钢轨表面状态,结合GQI(grinding quality index)及轮轨接触分析,建立车辆-轨道动力学模型计算打磨方案对轮轨动力特性的影响,综合评价打磨效果;结果表明：修复性打磨仅对钢轨表面病害进行处理,并未实际改善轮轨关系,廓形保持能力不佳,后续动力学指标评价也无明显改善;相比之下,个性化打磨廓形保持能力更佳,GQI指数明显提升,轮轨关系改善显著,提高了车辆曲线通过能力;动力学方面,个性化打磨方案的轮轨横、纵向蠕滑率和磨耗指数分别降低60.45%,33.95%和24.13%,有效缓解了轮轨间的磨耗,延长了钢轨使用寿命与打磨周期;车体横向、垂向加速度和脱轨系数分别降低19.69%,30.74%和26.11%,列车运行平稳性得到良好改善,提高了列车运行安全性。由此可见,个性化打...     

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明：车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。     

轮径和轴重对轮轨接触特性的影响

本文基于三维弹性体非Hertz滚动接触理论、CONTACT程序和有限元法,针对LMa车轮踏面与CN60钢轨匹配问题,通过仿真分析不同轮径和轴重的车轮对轮轨蠕滑力、轮轨接触应力和轮轨滚动接触疲劳等的影响。结果表明,在相同轮对横移量和轮径条件下,轴重每增加1t,轮轨蠕滑力平均增加7%～8%,接触斑面积、接触压力和等效应力平均增加2%～3%;在相同轮对横移量和轴重条件下,轮轨接触斑面积随轮径增加而增加,轮轨接触压力、等效应力随轮径增加而降低,但变化幅度均较小。计算结果可为车辆轮径和轴重的选择提供参考依据。     

均载组合式小轮径货车转向架车轮型面优化设计研究

小轮径转向架技术是驼背运输车辆的关键技术,小轮径低地板驮背车车轮型面磨耗问题严重,对其动力学性能造成严重影响,为了进一步提升其服役性能,对小轮径低地板驮背车车轮型面进行优化设计。首先建立小轮径低地板驮背车动力学模型,然后利用轮径差反向设计方法对车轮型面进行优化,最后利用车辆动力学模型对优化后型面的车辆动力学性能和磨耗特性进行验证分析。结果表明,优化后型面进一步降低了车轮等效锥度,同时减小了轮轨法向接触应力。通过对比优化前后动力学特性,优化后车轮型面有效提升了空重车状态下的临界速度,空车临界速度较LM踏面提高23.3%,重车临界速度较LM踏面增大17.54%。同时优化后型面有效提升了车辆的平稳性和曲线通过性能,最后利用车轮磨耗模型计算了直线段和曲线段的车轮磨耗,优化后曲线外侧车轮磨耗最大深度减小54.8%,曲线内侧车轮磨耗最大深度减小48.13%,型面优化可以有效减小小轮径低地板驮背车直线段和曲线段的车轮磨耗,为抑制车轮磨耗,提升服役性能具有重要作用。     

车轮与高速道岔长短心轨的接触分析

针对动车组、机车车轮与高速道岔的磨耗问题,测量运行线路上磨耗后的车轮与道岔的实际几何尺寸,应用有限元方法求解车轮与道岔长短心轨的接触问题。计算了车轮与高速道岔的长短心轨部分在不同位置的接触状态,分析得出了不同工况下车轮与心轨接触斑、等效应力以及接触法向力的分布和变化规律,为道岔结构的合理设计和型面尺寸的优化提供了一定的理论依据。结果表明：JM3型机车车轮与18号高速道岔的心轨型面匹配不合理;动车组和机车车轮与心轨间的最大应力值都超过了轮轨材料的屈服极限,发生塑性变形;车轮在钢轨上的横移量影响轮岔之间的磨耗,向心轨外侧的横移量越大,磨耗越严重。     

轮轨磨耗状态下悬挂参数失效对车辆动力学性能影响

为了研究悬挂参数失效对车辆系统动力学性能的影响,建立高速车辆系统动力学模型和悬挂参数失效模型,针对新轮轨、磨耗后轮轨进行轮轨接触几何关系和动力学仿真计算,分析当悬挂参数正常工作和失效时,车辆动力学性能的变化。结果表明：与新轮轨相比,轮轨磨耗状态下的等效锥度、滚动圆半径差和左右轮轨接触角度差变大;轮轨磨耗造成蛇行失稳临界速度下降,运行平稳性和曲线通过能力变差;悬挂系统失效方式不同,对车辆系统动力学的性能和车体的动态响应影响程度不同;车辆的悬挂参数优化应考虑轮轨磨耗的影响。     

高速车辆车轮磨耗与轮轨接触几何关系的研究

根据线路实际测量的高速车辆车轮踏面外形,分析了不同磨耗里程下的S1002G踏面的轮轨接触几何关系的变化规律。研究结果表明S1002G踏面随着运营里程的增加,等效锥度逐渐增大,特别是在轮对横移量2mm以内表现最明显。随着轮对横移量的增加等效锥度呈现先减小后增大的变化趋势,这说明S1002G踏面在京沪线实际运营过程中以凹形磨耗为主。通过建立高速动车组单车动力学模型,采用磨耗前后的轮轨型面,分析了三种不同类型转向架车辆模型的运动稳定性。分析结果表明磨耗导致轮轨匹配关系发生变化从而大大降低了车辆的临界速度;而一系纵向定位刚度无论是磨耗前还是磨耗后都会对车辆稳定性造成重要的影响,相对来说柔性转向架更有利于车辆的运动稳定性。轨道参数对轮轨接触几何关系有着非常重要的影响,因此研究车辆稳定性问题必须要考虑轨道几何参数的作用。     

Minimization of railhead edge stresses through shape optimization

The railhead is severely stressed under the localized wheel contact patch close to the gaps in insulated rail joints. A modified railhead profile in the vicinity of the gapped joint, through a shape optimization model based on a coupled genetic algorithm and finite element method, effectively alters the contact zone and reduces the railhead edge stress concentration significantly. Two optimization methods, a grid search method and a genetic algorithm, were employed for this optimization problem. The optimal results from these two methods are discussed and, in particular, their suitability for the rail end stress minimization problem is studied. Through several numerical examples, the optimal profile is shown to be unaffected by either the magnitude or the contact position of the loaded wheel. The numerical results are validated through a large-scale experimental study.     

轮轨油污染黏着特性的研究

运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明：随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定;随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。     

Dynamic stress analysis of rail joint with height difference defect using finite element method

A finite element analysis is conducted to study dynamic elastic–plastic stress when a wheel passes a rail joint with height difference between the two sides of a gap. The ANSYS implicit code and LS-DYNA explicit code are coupled to simulate the process of the wheel contacting or impacting the rail joint. Contact elements are used to simulate the interactions between wheel and rails, between rails and joint bars, between joint bars and bolts and between bolts and rails. The effects of train speed, axle load and height difference on the contact forces, stresses and strains at railhead are investigated. Numerical results show that the presence of rail joint with height difference significantly affect the contact force, stress and strains. The results also indicate that the train speed has a larger effect on the contact force, stress and strains than the axle load.     

车轮原地打滑时轮轨接触界面摩擦温升分析

简要介绍了轮轨滚滑接触摩擦温升的研究历史和现状。基于有限元法和非稳态传热方程,建立了车轮在钢轨上原地打滑时轮轨摩擦热分析模型,分析车轮打滑速度对钢轨接触斑附近温度场的影响。模型考虑了轮轨与环境间的热辐射和热对流边界条件、轮轨接触区的相互换热以及轮轨材料热物性参数随温度的变化。分析结果显示:车轮原地打滑时,钢轨表面温升率在打滑初期非常高,随后温升率逐渐趋于零;表面温升达到稳定状态后,钢轨表面温升与轮轨接触区相对滑动速度呈线性关系;当车轮打滑转动的角位移相同而其他条件不变时,钢轨表面热影响层厚度基本不随相对滑动速度的大小而变化。     

成型砂轮廓形设计的CAD法

将作图法和计算法相结合,提出成型砂轮廓形的CAD设计方法。该方法以啮合原理为根据,采用反求设计的思路;通过做一系列垂直于砂轮轴线的截面,得到相应的砂轮与螺旋槽的接触点,连接这些接触点得到接触线,将接触线绕砂轮轴线旋转360°,即是成型砂轮的廓形。该方法具有简单直观、结果准确的特点。以球头铣刀螺旋槽的成型磨削为实例,对用CAD法设计成型砂轮的过程进行说明。该方法可用于各种按展成原理进行加工的成型工具的轮廓设计。     

新型转轨空间动态耦合模型

基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立了新型轮轨空间动态耦合模型。详细研究了充分考虑钢轨横向、垂向和扭转振动以及轨道不平顺作用下,轮轨空间动态接触几何关系、轮轨法向力以及轮轨蠕滑力的求解模型。突破了传统车辆力学中关于轮轨刚性接触和始终接触的假设。最后,与国际著名软件NUCARS的数值仿真比较和与我国线路试验的结果比较表明,本文所建立的新型轮轨耦合关系模型是正确有效的。