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。     

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。     

标准动车组车轮磨耗特征研究

通过对标准动车组车轮踏面磨耗进行跟踪测试,分析总结实测车轮踏面外形和与标准TB60钢轨匹配的轮轨接触几何关系变化规律。讨论不同速度和线路条件下车轮多边形发展演变规律。结果表明:车轮踏面磨耗深度与运营里程基本呈线性关系;轮缘损失量达到2.7 mm后,轮缘不再发生磨损。镟后27.3万公里在名义滚动圆处出现大于0.2 mm的凹坑磨损现象。凹坑磨损会导致接触点对分布在凹坑两侧,轮对的等效锥度增大较快。在580 Hz附近,转向架轮对和构架存在模态耦合共振问题,在350 km/h和300 km/h速度工况下分别形成16、17边形和19、20边形,在哈大线运行时形成的12、14、22和23边形对应351 Hz、410 Hz、643 Hz和672 Hz的振动频率,可能与轨道系统固有特性有关。     

高速列车车轮磨耗引起的轮轨接触非对称问题研究

高速列车在实际运行过程中,由于同一轮对左右车轮磨耗不均会引起轮轨的非对称接触,对车辆的动力学性能影响较大。本文对由于车轮磨耗引起的踏面外形变化对车轮运行的影响进行了的原理进行了简单的阐述,并结合实测的车轮踏面磨耗数据建立某型动车的动力学仿真模型,分析不同磨耗工况下车辆的动力学性能。分析结果表明,随着车轮踏面磨耗的加剧,车辆的稳定性、横向平稳性、脱轨系数、轮轴横向力、摩擦功率和轴箱处的横向加速度均有一定程度的恶化,而且磨耗越严重,恶化趋势越明显。     

铁路钢轨打磨目标型面研究

提出一种基于轮轨接触界面法向间隙的钢轨踏面设计方法,寻找了重载线路上较小轮轨接触应力水平的钢轨打磨目标型面,为新铺设钢轨预打磨及预防性打磨方案的设计提供理论依据。根据三维非赫兹滚动接触理论寻找了轨头的优化范围,在此范围内能保证轮对动态横移过程中,轮轨接触点附近最小法向间隙的钢轨轨头外形。针对重载线路轮轨伤损严重的问题,利用目前的方法对现有的60kg/m钢轨进行了优化设计。利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后钢轨踏面与原车轮接触时静态接触性能及动态接触性能进行了分析。结果表明,优化后轮轨界面之间具有较好的"共形"接触特性,在不降低车轮其他动力学性能的情况下,钢轨踏面优化后的轮轨接触应力显著地降低,并且使左右轮轨磨耗程度趋于均衡,可以有效降低轮轨磨耗与滚动接触疲劳。     

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。     

基于可变刚度抗蛇行减振器的车辆动力学性能研究

CRH3系列高速动车组在长期服役过程中偶有发生蛇行运动稳定性裕量不足的问题,车辆装配T60型抗蛇行减振器,在车轮磨耗末期易发生构架横向加速度报警问题,装配T70型抗蛇行减振器,则在新轮或车轮磨耗初期易发生“晃车”的问题。针对晃车和报警问题开展可变刚度抗蛇行减振器的仿真与试验研究,以满足车辆在不同轮轨接触状态下车辆的蛇行运动稳定性需求。动力学仿真表明,可变刚度抗蛇行减振器能有效兼顾解决“晃车”和“报警”问题;进一步分析可变刚度抗蛇行减振器与两种高速踏面的适应性,采用S1002CN踏面时车辆临界速度高于350 km/h,而采用LMB10踏面时仅为220 km/h,且S1002CN踏面对应的平稳性和舒适度指标都优于LMB10踏面。最后通过整车滚振台架试验对变刚度抗蛇行减振器性能进行了试验验证,结果表明该减振器可以兼顾轮轨低锥度和高锥度匹配状态,可使车辆均具有良好的动力学性能。     

高速动车组转向架蛇行状态下的车轮磨耗分析

随着运营里程和速度的不断增大,我国高速动车组车轮磨耗逐渐增大,同时对车辆稳定性造成了一定影响。经过大量的线路试验表明,动车组运营中出现了大量的抖车问题,并且有些线路出现长距离的转向架蛇行失稳状态。针对以上现象,对高速动车组转向架蛇行状态下的车轮磨耗问题进行分析,首先建立某型动车组车辆动力学模型和Jendel车轮磨耗模型,并通过实测数据对动力学模型进行验证;然后分析车辆在转向架蛇行状态下的轮轨接触参数规律,最后对有无激励、不同蛇行幅值、线路参数对于车轮磨耗的影响进行探讨。结果表明：蛇行状态下车轮磨耗出现不同程度的增大,同时蛇行幅值越大,车轮磨耗越大,在长距离蛇行状态运行200 000 km后,可以看出踏面磨耗主要集中在-40～30 mm之间,车轮最大磨耗深度为0.58 mm左右。因此,在动车组服役过程中需要关注车轮蛇行运动稳定性,避免转向架蛇行失稳后造成的车轮磨耗增大现象。     

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。     

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。     

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。     

考虑研磨子——车轮和轮轨作用的城际动车组车轮磨耗预测

针对站间距短、研磨子频繁作用的城际铁路,建立了集车辆系统动力学、研磨子―车轮接触和车轮磨耗等模型于一体的动车组车轮磨耗预测模型,车轮磨耗采用Archard模型计算,实现了研磨子―车轮和轮轨接触对车轮磨耗贡献的定量预测。以中国南方某城际线路上运行的某型城际动车组为例,模拟了动车组车轮LM廓形在一个车轮镟修周期内的演化,通过对比跟踪测试结果,确定研磨子所致车轮磨耗的磨耗系数取1.45×10-4,并完成了模型验证。上述城际铁路的模拟结果显示,该模型的车轮磨耗预测误差仅为5.00%。以0.30 MPa工作气压下的高硬度研磨子为例,发现其最佳工作模式为“工作20 s—停止工作25 s”的间歇式工作模式。为动车组研磨子系统的优化设计提供有效模拟工具。     

计算铁路车轮轮周磨耗量的两种方法对比

建立了车轮磨耗理论计算模型并发展了相应的数值程序,模型中包含了车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论和材料摩擦磨损模型.根据该理论模型提出了两种磨耗叠加方法计算车轮轮周磨耗量,即简化方法和改进方法,探讨了它们对车轮型面磨耗及其演化规律的影响.简化方法假定车轮滚过一个接触斑长度时,接触斑信息不变,因而只计算一个步长即可...     

车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究

某和谐型电力机车车轮运营中表现出较为严重的多边形磨耗,对机车的零部件失效、乘坐舒适性和运行安全性产生较大影响。为研究车轮多边形态下机车轮轨动态响应规律,基于SIMPACK软件建立了考虑机车牵引行为和轮对、钢轨等部件柔性的刚柔耦合动力学模型,利用机车振动试验结果对模型进行验证。研究了典型车轮多边形阶次、幅值和运行速度等对轮轨力和振动响应的影响,并分析了机车牵引行为对轮轨蠕滑率/力和车轮磨耗的影响。结果表明,速度等级为70 km/h时,车轮18阶多边形态下激发了轮对一阶弯曲共振,出现了轮轨力波动大和机车异常振动的现象;机车牵引状态下显著增大了纵向蠕滑率的波动幅值,并提高了纵向蠕滑力,导致轮轨磨耗指数相比无牵引工况下大幅增加,加剧车轮多边形磨耗的发展。     

地铁车轮磨耗测试及数值仿真

对某地铁线路的车轮磨耗进行了跟踪测试,掌握了该线路车轮磨耗特征;从轮轨关系研究的角度,分析了轮缘异常磨耗的原因;建立了地铁车辆动力学仿真模型,结合基于磨耗功的车轮磨耗评价方法,提出了车轮磨耗减缓措施。车轮磨耗测试结果表明,该线路地铁车轮以轮缘磨耗为主,且存在轮缘偏磨现象;轮缘缺乏润滑和线路小半径曲线分布不对称是造成轮缘磨耗过大和轮缘偏磨的主要原因。仿真结果表明,适当降低一系纵向刚度有利于减缓车轮磨耗;采用轮缘润滑或小半径曲线外轨轨侧涂油等方式降低摩擦系数,能显著降低轮缘和轨侧磨耗,摩擦系数每减小0.05,轮轨磨耗将降低约16.1%;载客量的大小对轮轨磨耗具有一定的影响,轴重每增加1 t,轮轨磨耗将增大约4.8%。针对所调查的地铁线路实际情况,建议对小半径曲线外轨采取涂油措施,以减小轮缘和轨侧磨耗;此外,定期对车辆进行掉头运行,以减缓轮缘偏磨现象。     

轮轨噪声发展机理的材料硬度试验

基于MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机的双轮对滚实验,从时域和频域的角度分析摩擦磨损过程中轮轨噪声与轮轨状态（材料硬度、摩擦系数和磨损量）的关系。结果表明车轮材料的硬度对于轮轨噪声具有显著影响。虽然不同硬度匹配时轮轨噪声发展趋势基本一致,但在声压级上却存在明显差异。轮轨硬度比越大,其轮轨噪声声压级越大。因此,对轮轨材料硬度的研究除了能够在一定程度上降低轮轨磨损量,延长轮轨的使用寿命外,还对研究降低列车运行时的噪声具有一定的指导意义。