地铁线路轨距对轮轨接触行为的影响

为揭示地铁线路轨距对轮轨接触特性的影响,基于轮轨接触几何关系、Kalker三维非Hertz弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,利用我国地铁车辆常用的LM型面与CHN60钢轨,计算轨距对轮轨接触几何参数和力学特性的影响。研究结果表明:轨距加宽引起相同横移量下轮轨接触点偏向钢轨中心位置;轮轨接触滚动圆半径和接触角减小,增大了滚动圆半径和接触角剧增的横移量,导致轮缘不易产生贴靠;与标准轨距相比,轨距变窄引起轮轨接触斑横向分布变窄,纵向分布变宽,接触斑面积减小;轨距加宽至1 437 mm后接触斑开始出现黏着区,加宽至1 439 mm时接触斑内黏着区面积显著增大,其接触斑面积增大77%,减小轮轨的滑动行为;轨距在1 433～1 439 mm之间变化,轮轨接触斑内正应力和切应力显著降低,轮轨体内最大等效应力显著减小,且等效应力沿纵向分布范围变宽,沿深度方向影响范围增大,可避免等效应力的集中作用。轨距加宽有利于地铁线路轮轨关系的匹配,减轻轮轨间的磨耗和疲劳伤损。     

车轮多边形情况下轮轨接触算法

接触斑的法向应力分布是轮轨动力学分析和轮轨磨耗计算的基础。铁路车辆采用的磨耗型踏面出现多边形时,接触点处的轮轨横向曲率和纵向曲率都随接触位置的变化而变化,此时最常用的赫兹接触方法的精度难以保证。非赫兹方法的计算精度高,但其效率不能满足工程计算要求。应用非赫兹方法分析了车轮多边形引起的轮轨纵向曲率变化对接触斑的影响,发现当车轮多边形波长大于65 mm时,多边形对接触斑应力分布的影响可忽略不计。然后提出了改进的半赫兹方法,并对不同接触位置的接触斑形状和应力分布进行对比分析,结果表明：多边形波长大于65 mm时,改进的半赫兹方法在与非赫兹方法的结果保持一致的同时,大大缩短了计算时间。     

400 m小半径曲线钢轨打磨前后车辆动力学特性分析

本文选取某线路磨损较为严重的400 m半径曲线钢轨作为研究对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-钢轨耦合动力学模型,不考虑钢轨打磨前后的轨面平顺性,研究分析新轨及打磨前后旧轨廓形与全新车轮LMa车轮踏面接触时车辆动力学特性.结果表明:当横移量大于7 mm时,新轨等效锥度最大,打磨后旧轨等效锥度较打磨前小,车辆通过小半径曲线性能有所降低,但同时也将减小轮轨横向力,减小轮轨磨耗;较打磨前旧轨,打磨后旧轨与LMa车轮踏面接触时,踏面接触斑内纵向蠕滑率最大值分别减小15.07%、2.82%,左右股横向蠕滑率最大值分别减小4.48%、4.69%,左右股磨耗功最大值分别减少18.06%、9.04%;打磨后旧轨轮对横向/垂向加速度变化时域图与新轨几乎重合,且最大值较打磨前分别降低4.46%、19.05%,车辆运行平稳性得到提升;打磨后轨面状态得到改善,剥离掉块得到较好整治,波浪形磨耗得到较好处理,车辆运行品质得到改善.     

踏面磨耗对轮轨接触特性影响研究

应用有限元计算方法,以实际测试接触斑验证计算模型和方法的正确性;在此基础上,分析了踏面磨耗对轮轨接触特性的影响。首先,通过实际测试得到轮对的踏面轮廓坐标数据,根据实测数据建立有限元模型。应用感压胶片现场实测得到轮对自重时轮轨接触斑的大小,与有限元仿真轮对重力作用下的接触斑进行对比,证明有限元模型和接触参数设置的正确性。应用此有限元模型,研究了随着车辆运行里程的增加,车轮不断磨耗而发生变化的车轮型面对轮轨接触斑、接触应力的影响变化规律。结果表明:初期随着磨耗的增加,轮轨型面更加匹配,接触应力逐渐减小,磨耗速度逐渐降低;当车轮磨耗到一定程度后,接触应力和磨耗速度又快速上升。     

高速列车车轮与曲尖轨接触分析

为了研究高速铁路曲尖轨磨耗严重的问题,现场实测不同位置处的18号高速道岔曲尖轨型面及不同磨耗程度的高速列车车轮型面,建立车轮-基本轨-曲尖轨有限元模型,进行轮轨弹塑性接触分析,得出如下结论:车轮与尖轨接触状态受车轮磨耗程度与沿尖轨线路接触位置影响;使用标准车轮的情况下,当尖轨与基本轨共同承担载荷时,随着距尖轨尖端距离的增加,尖轨所受最大等效应力呈先增大后减小的趋势,当超过屈服极限时,易造成尖轨飞边;当尖轨单独承担全部载荷时,所受最大等效应力急剧增加,塑性变形加重,侧磨加剧.不同磨耗程度的车轮对尖轨会造成不同损伤,磨耗Ⅰ型车轮易造成尖轨压溃,磨耗Ⅱ型、磨耗Ⅲ型、磨耗Ⅳ型易使尖轨发生飞边,剥离掉块.     

铁路曲线区段轮轨接触应力计算方法

以客车磨耗型踏面车轮通过铁路曲线段时的轮轨接触问题为研究对象,在前期研究的基础上,引入切向力计算模型,建立了能够对曲线路段轮轨接触表面应力和内部应力进行精确计算的数学模型。结合具体算例,数值计算了不同接触位置处接触斑上的应力分布和轮轨内部的Mises应力和最大剪应力,并选择一个具体接触位置深入计算了列车通过曲线路段时弯道半径、运行速度、外轨超高值、轴质量等因素对轮轨接触表面应力和内部应力的影响规律,发现当接触位置变化时,接触斑形状、接触表面应力分布、黏滑区分布以及轮轨内部的Mises应力和最大剪应力分布也在不断变化,得出了一系列规律性的曲线,并进行了分析讨论,为进一步研究轮轨接触疲劳寿命问题提供了理论依据。     

货车车轮与重载道岔曲尖轨的接触分析

针对大秦线重载道岔曲尖轨严重磨耗的情况,通过实测货车车轮型面与不同磨耗阶段尖轨型面,建立道岔区轮轨接触三维弹塑性有限元模型,分析货车车轮与尖轨不同位置的接触情况。结果表明,从距离尖轨尖端1m到3m内,接触斑在尖轨上的位置、尖轨上多点接触的区段以及尖轨上的等效应力大小主要受变截面尖轨的轨顶高度和宽度的影响;磨耗车轮与2m处标准型面尖轨接触时,在尖轨轨顶形成较大的应力集中,尖轨发生塑性变形,导致2 m处尖轨顶部剥离掉块;LM型车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较好;磨耗车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较差,而与磨耗后型面尖轨接触时的匹配情况相对较好。     

轨底坡对运营地铁轮轨接触特性的影响分析

为研究不同轨底坡条件下实际运营地铁列车的轮轨接触特性,采用轮轨接触空间迹线方法计算分析了轨底坡对轮轨接触几何参数的影响,并建立某地铁B型车辆动力学模型,详细分析了不同线路条件下轨底坡对车辆动力学性能的影响规律.研究表明:LMCHN60轮轨匹配条件下,轨底坡在1/45～1/20范围内轮轨接触点分布连续,特别是直线段在轨底坡为1/20、曲线段在轨底坡为1/40时轮轨匹配性能良好;运营条件下车轮踏面凹磨造成等效锥度过大,轮轨接触点分布不连续,易造成异常晃车;曲线地段车轮踏面凹磨限制了轮对横向运动,导致轮对对中困难,轮轨接触匹配不良,易造成轮轨滚动接触疲劳.     

350km/h动车组车轮磨耗对动力学影响研究

为探究中国350 km/h的动车组的车轮磨耗变化及其动力学性能变化,对运营中的某350 km/h的新型动车组进行踏面磨耗跟踪测量,发现车轮在镟修周期内出现了踏面凹型磨耗和轮缘根部磨耗问题。从轮轨接触关系开始对上述发现进行研究,并通过SIMPACK软件仿真模拟,探究在高速下该型车轮磨耗的增加对车辆的动力学性能(包括非线性临界速度、曲线脱轨系数、车辆平稳性指标、磨耗功率)的影响。研究结果表明:350 km/h高速运行的新型动车组,其车轮磨耗主要为踏面滚动圆处的凹型磨耗与轮缘根部磨耗;伴随着车轮磨耗的增加,轮轨接触发生改变,滚动圆两侧的疲劳损伤愈加明显,车辆的动力学性能不断恶化。最后就车轮的磨耗的发生位置与其特点提出了几点建议。     

地铁道岔轨顶坡对尖轨磨耗的影响

针对地铁道岔磨耗严重及使用寿命短等问题,利用有限元方法建立道岔区三维弹塑性轮轨接触计算模型,通过计算尖轨接触应力、接触斑面积及内部应力等,分析轨顶坡对尖轨磨耗的影响。模型中车轮型面采用实测磨耗状态LM型车轮型面。研究结果表明:设置轨顶坡时,尖轨接触应力及内部应力均比不设置轨顶坡的小;以尖轨顶宽35.5 mm断面为例,当轨顶坡从1/40增大到1/20时,其接触应力最大值从904.267 MPa减小至686.266 MPa,Von Mises应力最大值从552.123 MPa降低至493.755 MPa,状态由塑性变形转变为弹性变形,有利于减小尖轨磨耗;增大尖轨断面顶面宽度可以提高其受力状态,延长道岔使用寿命;综合考虑尖轨受力状态,1/20轨顶坡优于其他轨顶坡。     

摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.     

基于轮轨非Hertz接触的影响系数的有限元计算方法

采用非Hertz接触理论求解轮轨接触问题时,影响系数对轮轨接触应力与接触斑大小产生重要影响.由于当车轮轮缘与钢轨在轨距角处发生接触时,非Hertz接触理论中基于弹性半空间条件下的影响系数已不适用,所以利用有限元方法求解了全空间内轮轨非Hertz接触的影响系数,并对Kalker的非Hertz接触理论做了修正.在保证计算效率的前提下,以30t轴重重载铁路CHN75钢轨和LM磨耗车轮踏面为例,采用修正的非Hertz理论及轮轨接触分区模型P_M(partition model)分别计算了轮对横移量为0~8mm时的轮轨接触斑面积及接触斑应力.研究结果表明,用有限元法计算出的影响系数大于Bossinisqe-Cerruti公式求出的影响系数,并且在轨距角处的影响系数大于轨顶处.修正的非Hertz理论计算出的法向应力和接触斑面积始终要比P_M模型计算出的法向应力略大一些,且随轮对横移量的增加,两种轮轨法向接触模型计算出的法向应力和接触斑趋势一致.当横移量为0~4mm时,最大接触斑面积可达173.75mm2,轮轨型面较为匹配;当横移量持续增大时,由于车轮与钢轨轨距角接触,接触面积急剧降低,同时法向应力急剧增大.     

独立旋转车轮踏面外形优化设计方法

车轮的踏面外形对有轨电车的动力学性能、轮轨接触疲劳特性以及轮轨磨耗有着重要影响。对于装有独立旋转车轮的车辆,轮轨接触角差曲线是一关键的动力学参数,它关系到轮对重力复原力的大小。重力复原力提供了独立轮对直线对中运行和曲线导向时所需要的导向力。为了改善有轨电车的动力学性能,提出了一种基于接触角差曲线为设计目标的车轮踏面外形设计方法,并开发了相应的计算机辅助设计程序。利用该程序对某型有轨电车采用的踏面外形Lma-30进行了优化,结果表明优化后的踏面外形具有良好的轮轨几何接触特性和动力学性能。     

轮轨型面对车辆曲线通过性及磨耗影响

对比初始与实测轮轨型面对上海地铁A型车的曲线通过性能的影响,并分析不同的轮轨型面匹配对轮轨磨耗、钢轨波浪形磨耗、接触疲劳的影响.结果表明4种不同的轮轨匹配下,车辆的曲线通过性能都能满足车辆动力学性能要求,但新车轮运行在已磨损的轨面上时,曲线通过性能略差,其轮轨横向力和脱轨系数偏高.初始轮轨匹配在过小半径曲线时其外轮轨具有较大的自旋功,且内外轮轨上高的纵向蠕滑率将导致车轮产生粘滑振动,易形成波磨,经过滚动接触疲劳分析,磨损后的车轮踏面易对小半径曲线外轨造成表面接触疲劳破坏.     

车轮扁疤伤损对高速列车轮对动力学性能影响

车轮扁疤是铁道车辆车轮踏面的缺陷形式之一,对轮轨动力和运用安全有明显的影响.本文建立了弹性车辆系统动力学模型,且将车轮扁疤伤损考虑为车轮轮径变化.利用数值仿真,研究了车轮扁疤伤损对高速列车轮轨冲击力、轮对振动及轮轨接触性能等的影响,并结合列车运行安全性指标得到了不同速度等级下车轮扁疤长度安全限值.结果表明,弹性车辆系统模型可以准确体现轮对旋转运动特征.车轮扁疤伤损对轮轨系统垂向和横向均产生冲击作用,对轮轨系统垂向冲击作用尤为明显,将显著增大轮对旋转振动频率及其倍频对应的振动能量,且会激起轮对中高频弹性共振.车轮出现40mm扁疤时,随着车轮旋转运动,轮轨接触点向轮背侧出现周期性横移,轮轨接触斑面积最大可达142mm2,轮轨纵向和横向蠕滑率分别增大4%和16%.轮轨力、轮对振动加速度及轮轨磨耗指数均会随车轮扁疤长度的增加而增大.当列车运行速度在300km/h及以下时,车轮扁疤长度需限制在30mm;当列车运行速度达到350km/h时,车轮扁疤长度需限定在25mm.     

同轴轮径差对机车运行性能的影响

机车同轴左右车轮存在直径不一致的情况,改变了轮轨的接触状态。针对机车同轴轮径差的问题,建立了机车动力学仿真模型和轮轨接触三维弹塑性有限元模型,通过动力学仿真计算和动载荷作用下弹塑性接触计算,分析同轴轮径差对机车运行性能的影响。结果表明：由于同轴轮径差的存在,轮轨间的动载荷发生变化,当内侧车轮直径小于外侧车轮直径时,在一定程度上有利于机车曲线通过,反之则会降低曲线通过性能;与无轮径差相比,同轴轮径差存在时,车轮与钢轨接触位置发生改变,等效应力增大,导致磨耗增加,降低车轮和钢轨的使用寿命。     

轮径差对机车动力学性能及轮轨接触的影响

机车同轴左右车轮存在直径不一致的情况,改变了轮轨的接触状态。针对机车同轴轮径差的问题,建立了机车动力学仿真模型和轮轨接触三维弹塑性有限元模型。通过动力学仿真计算和动载荷作用下弹塑性接触计算,分析同轴轮径差对机车运行性能的影响。结果表明:由于同轴轮径差的存在,轮轨间的动载荷发生变化。当内侧车轮直径小于外侧车轮直径时,在一定程度上有利于机车曲线通过;反之则会降低曲线通过性能。与无轮径差相比,同轴轮径差存在时,车轮与钢轨接触位置发生改变,等效应力增大,导致磨耗增加,降低车轮和钢轨的使用寿命。     

重载铁路钢轨磨耗状态下的轮轨法向接触特性

基于三维弹性体滚动接触理论,对法向接触问题最小余能方程的影响系数和法向间隙进行修正,使其更适用于非平面接触问题的求解.以某重载铁路通过总重达100 Mt的CHN75型面磨耗钢轨为对象,车轮选取LMA系列原始型面,利用修正后的接触模型,研究在30 t轴重作用下的轮轨法向接触特性.结果表明:轮对横移量对轮轨接触特性影响较大,横移量在+12～+14 mm轮轨接触状态变化显著;其中,横移量在+12.9～+13.2 mm时出现两点接触,横移量增大至+14 mm时出现车轮轮缘和钢轨轨距角的接触.     

不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响

为了研究不同车轮型面对地铁9号道岔转辙器区的轮轨静态接触行为的影响,基于经典迹线法求解轮轨接触几何关系,利用三维非赫兹滚动接触理论分析接触力学特性,分析接触点对分布、道岔转辙器结构不平顺、轮轨接触几何参数和轮轨接触斑的形状、面积及最大法向接触应力等。数值计算中,考虑轮背距为1 353 mm的LM和DIN5573以及轮背距为1 358 mm的S1002这3种车轮型面,从静力学分析的角度提出地铁道岔区的最优车轮型面。研究结果表明:DIN5573车轮过岔接触点对分布较集中,结构不平顺幅值较小,直向过岔时轮对的稳定性较好但接触力学特性较差;S1002车轮侧向过岔通过能力较强,接触力学特性良好,但轮对向尖基轨侧横移时较易发生轮缘接触,轮轨表面易产生疲劳伤损;LM车轮综合匹配性能最好。     

基于高速铁路60N钢轨的车辆动力性能比较

为比较高速铁路60 N钢轨与不同车轮型面匹配时的车辆动力性能,首先基于空间轮轨接触几何算法分析不同工况下的轮轨接触几何关系,接着基于车辆/轨道耦合动力学模型,对不同工况下车辆运行平稳性及车辆曲线通过性能等进行仿真分析,数值计算中,主要考虑LM,LMA和S1002 3种车轮型面和轨距由1 433 mm变化到1 437 mm的工况。计算结果表明:60 N钢轨与不同车轮型面匹配时,其轮轨接触几何关系和车辆动力性能差异较大;LMA的车辆运行平稳性最好,但曲线通过能力较差,容易发生轮轨侧磨,S1002的车辆运行平稳性最差,但曲线通过能力最好,较容易发生轮轨垂磨;60 N钢轨与不同车轮型面匹配时,应从静态轮轨接触几何关系和动态车辆轨道相互作用2个方面综合评价。