高速动车组车轮滚动接触疲劳观测与模拟研究

针对我国某型250 km/h级动车组近年来发生的连续型车轮滚动接触疲劳,赴涉及的动车组运用所开展为期约2个镟修周期的跟踪测试。测试结果表明,该疲劳裂纹在镟后10~15万km开始出现在名义滚动圆外侧15~30 mm范围内,表面裂纹角度多在45°和-45°左右,一个镟修周期内可萌生并扩展至0.25~1.2 mm深,但不会发展成剥离掉块,不影响正常运营。基于跟踪测试数据,采用SIMPACK建立车辆—轨道耦合动力学模型,其结果进一步代入到安定图和损伤函数模型来预测滚动接触疲劳的萌生。结果显示,上述动车组滚动接触疲劳是由部分曲线低轨侧轮轨廓形匹配不佳导致的,其根本原因可能是不合理地钢轨打磨廓形和车轮凹磨等。详细分析表明,可导致滚动接触疲劳的恶劣轮轨接触状态只发生在极个别曲线段,这是为什么线路上存在数量相当的左、右曲线,而往返运行不调头的上述动车组的滚动接触疲劳只集中在列车一侧。最后,讨论目前滚动接触疲劳预测模型的局限性,指出未来研究方向。     

车轮廓形对城际动车组车轮Ⅰ类滚动接触疲劳的影响

就某城际动车组车轮的Ⅰ类滚动接触疲劳,选择一列动车组开展一个镟修周期的车轮廓形对比试验,其中1～4车用LMA廓形、5～8车用LM廓形。发现相同运行里程下,LM廓形车轮出现了Ⅰ类疲劳、但LMA廓形车轮未出现。基于SIMPACK建立了车辆动力学模型,并运用损伤函数开展疲劳预测。结果表明,导向轴低轨侧车轮易萌生Ⅰ类疲劳,半径在350～450 m范围内的小半径曲线最严重,镟后8万公里后LM廓形车轮的疲劳损伤峰值始终比LMA廓形高,考虑到现场车轮磨耗,可以解释试验中LM廓形发生疲劳而LMA不发生的现象。另外,疲劳峰值随里程呈现一定的波动,与现场观测Ⅰ类疲劳裂纹保持稳定而没有恶化的现象吻合。     

高速列车及动车组的车轮多边形改善研究

为了保证高速列车及动车组运行过程中的安全性和舒适性,在检修车辆时,需要数控不落轮镟床对车轮踏面(含轮缘)进行镟修加工。本文通过对现有德国镟修工艺技术的缺陷分析,找到其引起车轮多边形的原因对应关系,提出了法国镟修工艺技术的特点及优势,为高速列车及动车组提供一套成熟可靠的镟修工艺方案。     

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。     

基于SIMPACK的扁疤车轮轮轨冲击力学特性分析

为研究高速列车车轮多处扁疤引起的动力学问题,建立了CRH2型动车组的车辆-轨道动力学模型及车轮扁疤模型。采用变轮径扁疤模拟法,分析单处和两处扁疤的车轮引起的轮轨冲击响应,确定车轮两处扁疤时的扁疤长度、车速及扁疤间夹角变化对轮轨冲击的影响,进而确定CRH2型动车组安全运行时车轮扁疤限值,为高速动车组列车的行车安全提供了依据。     

高速动车组垂向止挡异常振动特性及成因分析

针对高速动车组在运营过程中出现的垂向止挡异常振动,且个别存在明显断裂裂纹的典型振动问题,基于现场车轮粗糙度与振动响应同步测试,分析了镟修前后的车轮非圆特征及其对轴箱及垂向止挡振动特性的影响;采用试验与计算相结合的垂向止挡模态分析,确定了垂向止挡的模态特性,据此分析了高速动车组垂向止挡异常振动的成因。结果表明,测试的高速列车动车组车轮存在较为明显的25～27阶多边形,在192 km/h运营速度下,会对轴箱和垂向止挡形成显著的515Hz频率振动激励。而垂向止挡一阶弯曲模态频率也为510 Hz,且其模态应变最显著区域与断裂裂纹位置一致。由此可判断垂向止挡异常振动是车轮多边形激励引起垂向止挡结构共振所致。车轮镟修可有效减缓或抑制其异常振动,相关研究可为高速动车组减振降噪提供参考。     

高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性分析

为研究高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性,建立谐波磨耗车轮高速轮轨滚动接触数值分析模型。该模型考虑了车辆系统的一、二系非线性悬挂力、轮轨非线性接触几何关系并考虑了钢轨振动及轮轨间的激励响应对接触蠕滑的影响。以CRH2型高速列车为研究对象,运用多体动力学软件UM参数化建立其动力学数值模型;对实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗以及波深0.1 mm和0.3 mm下车轮的蠕滑率/力进行分析;以不同阶数、波深车轮的蠕滑特性参数为疲劳模型的输入参数,研究谐波磨耗车轮的疲劳特性。结果表明:无谐波磨耗车轮处于弹性安定状态,1阶波深0.1 mm和0.3 mm车轮和6、11阶波深0.1 mm车轮都处于棘轮效应状态,6、11阶波深0.3mm处于塑性安定状态;低阶小波深车轮以疲劳为主,高阶大波深车轮以磨耗为主;与阶数相比,滚动接触疲劳、磨耗对波深的变化更为敏感,波深的增加会促进车轮蠕滑力/率的进一步快速增大,从而车轮的切向力迅速增大。     

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。     

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...     

CRH2统型动车组牵引变流器MMOC1故障分析与处理

2015年以来,CHR2统型动车组共发生多起MMOC1故障,影响了动车组的运营秩序。本文针对CRH2统型动车组MMOC1故障可能的原因进行阐述与分析,为CRH2型动车组检修技术人员提供参考。     

服役条件下的地铁天线梁疲劳损伤研究

以国内某型地铁天线梁结构为研究对象,建立了包含柔性体天线梁的刚柔耦合动力学模型,对实际线路以不同曲率半径曲线以及直线进行组合,并划分为四个阶段,以此模拟实际线路工况;基于车轮一个镟修周期内的四个阶段车轮径跳量跟踪测量数据,对镟修周期内的车轮多边形状态参数(阶数、幅值)进行区分,以此模拟车辆服役条件下实际的车轮不圆状态。通过有限元软件ANSYS及动力学软件SIMPACK联合仿真得到天线梁动态应力历程,并依据AAR标准进行平均应力的修正,结合天线梁材料的S-N曲线,采用Miner疲劳损伤累积法将一个镟修周期内的损伤进行200万km全寿命里程下线性外推,获得全寿命里程下的天线梁疲劳损伤,仿真结果表明疲劳损伤不满足全寿命疲劳要求。同时,对天线梁在不同阶段动应力显著不同进行了分析,结果表明由车轮多边形产生的43～53Hz激励传递到了天线梁,引起天线梁共振效应,故而第三、四阶段产生较大动应力。     

川藏铁路长大坡道高速动车组车轮磨耗特征

川藏铁路的建设面临着极端的地质灾害与极差的工程环境两大挑战,列车运行线路的空间复杂性势必会对轮轨磨耗性能造成影响。为探究列车在复杂的空间线型环境下的磨耗规律,根据川藏铁路的线路设计参数设置长大坡道与平面曲线的叠加线路,建立高速动车组动力学模型与车轮磨耗预测模型,仿真分析牵引制动条件下动车组在长大坡道上运行时的车轮磨耗特征。结果表明:LMA型车轮踏面的CR400-AF高速动车在坡道-曲线叠加路况上运行时,前位转向架的轮轨接触状态为两点接触,后位转向架的轮轨接触状态为单点接触;平面曲线与坡道的相对位置对动车组车轮磨耗存在一定的影响;随着曲线半径的增加,车轮的磨耗深度逐渐降低,且降低的趋势越来越小。动车组在坡道-曲线路况上的长期运行过程中存在临界里程和临界速度,为防止车轮的剧烈磨耗,建议在动车组长期运营过程中应尽量避免以临界速度或更低的速度运行,在运营里程超过临界里程时应及时对车轮进行镟修。     

CRH3型动车组车轮的疲劳寿命分析

为了真实计算动车组车轮疲劳寿命,在分析国内外车轮相关标准的基础上,提出了利用车轮静强度分析和有限元名义应力方法的高速动车组车轮强度的分析方法.基于UIC510-5标准,确定了车轮强度分析的计算载荷工况,利用有限元静强度分析方法对CRH3型动车组车轮进行疲劳强度评价,结果表明机械载荷工况下车轮强度满足要求;最后基于线性损伤累积法则,利用有限元名义应力方法和ANSYS/WORKBENCH得出车轮的疲劳寿命预测图及安全系数图,计算结果满足疲劳寿命要求,为动车组的安全性维护提供了理论依据,对动车组的安全运行有极强的实际应用价值.     

水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响

为探究水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响,利用滚动接触摩擦磨损试验测试不同转速下车轮试样的剥离寿命、摩擦因数和磨损率,并结合磨损形貌和裂纹扩展形貌观察,对比分析不同转速下摩擦磨损和剥离寿命的影响因素。结果表明:随转速提高,车轮材料氧化程度加剧,导致摩擦因数逐渐增加;当转速由250 r/min增至500 r/min时,摩擦因数增幅较小,应变速率增加导致磨损率下降,当转速由500 r/min增至1000 r/min时,摩擦因数急剧增加,导致材料磨损率增加;随转速提高,剖面塑性流动层厚度、裂纹扩展角度、裂纹分叉深度和最大扩展深度均呈现减小趋势。转速增加带来的摩擦因数的增加,一方面缩短裂纹萌生寿命,另一方面减小了裂纹发生向上转折的深度,最终导致滚动接触疲劳寿命随转速的增加而减小。     

CRH3型动车组轮对维护保养

本文介绍了CRH3型高速动车组轮对高级检修方案及标准,主要介绍轮对检修流程及流程中的主要工序,即车轮旋修以及过程中遵循的旋修标准、轮轴压装及过程中压力曲线的标准和依据,研究预防修对轮对运营过程的影响。     

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。     

异常振动的磨耗车轮镟修型面研究

车轮踏面磨耗引起轮轨匹配不良,极易造成车辆异常振动。设计车轮镟修型面,改善轮对及车辆振动特性。以圆弧长度、半径、及圆弧坐标为变量,采用GA-BP算法,以车辆运行平稳性与等效锥度为优化目标构建踏面优化模型,进行多目标寻优求解,获得磨耗车轮的镟修型面。结合车辆系统动力学进行分析,结果表明：镟修型面LMB-opti的轮轨静态匹配良好,车轮踏面接触点分布均匀,构架横向振动加速度在（-0.45g,0.45g）之间,车辆运行平稳性指数为2.2,降低了23.3%;列车运行5万km、10万km后,镟修型面LMB-opti比标准型面LMB磨耗深度分别降低了4.7%和5.1%,有利于减缓车轮凹磨及改善车辆的异常振动。     

CRH2及CRH380A型动车组齿轮箱高级修周期间隔延长至120万km可行性分析

介绍了CRH2及CRH380A型动车组齿轮箱的结构与功能、现行检修规程要求、高级修周期间隔延长方案等内容。通过实车跟踪验证,对执行过程中积累的数据进行了分析,论证了CRH2及CRH380A型动车组齿轮箱高级修周期间隔延长至120万km的可行性。     

基于能量密度法预测微动疲劳寿命

通过接触界面的应力应变场和临界平面法计算了能量密度损伤参数,结合疲劳试验得到了能量密度损伤参数-寿命关系曲线中的材料常数,建立了LZ50钢微动疲劳寿命的预测公式。根据裂纹萌生寿命预测效果,将Chen损伤值作为裂纹萌生控制参数。分析了摩擦因数、微动桥半径、循环载荷和微动桥压力对LZ50车轴钢的Chen损伤值的影响,以及CRH2型动车组空心车轴裂纹萌生的位置及寿命。     

CRH5动车组车轮低温概率疲劳寿命研究

为了研究CRH5动车组车轮在低温环境下的概率疲劳寿命,对比AASHO、ECCS以及CPM三种外推方法,并使用CPM方法获得了ER8钢材在-40 ℃低温环境下的概率疲劳寿命曲线,同时结合车辆系统动力学仿真及车轮有限元分析,获得了车轮在该温度下运行的概率疲劳寿命。结果表明：车轮踏面下2 mm的轮辋部位是车轮的危险部位,易萌生疲劳裂纹,且低温下车轮的疲劳寿命水平较低,在p、c皆为50%水平下,车轮在-40℃时的寿命为1 740 km,相比常温下降约23%,可见低温环境对车轮疲劳寿命存在严重的影响。