车轮型面对轮轨黏滑特性影响

利用非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了LM,LMA,S1002和XP55四种车轮型面与我国CHN60钢轨匹配时的轮轨黏滑特性.数值结果表明:四种车轮型面与CHN60钢轨匹配时的轮轨接触斑黏滑特性明显不同,车轮型面对轮轨接触斑面积、黏滑区分布、轮轨摩擦功等有较大影响;LM型面与CHN60匹配时的蠕滑区面积和轮轨摩擦功较大,且接触斑更容易达到饱和状态;LMA型面与CHN60匹配时的黏滑特性较佳,其接触斑面积、黏着区面积较大;S1002型面与CHN60匹配时的黏滑特性较XP55型面要好.     

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。     

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.     

地铁车轮凹陷磨耗对踏面接触应力的影响

针对地铁列车运营后出现的车轮踏面滚动接触疲劳现象,利用有限元软件ABAQUS建立考虑轮轨真实几何关系的三维弹塑性轮轨接触数值仿真模型,结合现场调查车轮磨耗结果和轮轨接触几何关系分析,计算分析车轮不同凹陷磨耗状态对踏面材料应力应变状态的影响。研究结果表明:车轮踏面主要凹陷磨耗区域为车轮踏面横向位置-30～50 mm处,轮轨接触几何关系呈强非线性特性,其轮轨接触点位置集中在车轮踏面横向位置20～32 mm或-32～-20 mm。车轮不同凹陷磨耗状态下的轮轨接触状态差异显著,在磨耗突变区(-30～-20 mm)轮轨接触斑呈狭长椭圆分布,导致相同载荷下轮轨接触应力较大。当轮对向外轨横移时,车轮凹陷磨耗接触区域材料易进入屈服状态,此时车轮踏面沿接触斑深度方向0～3.6 mm范围内Von-Mises等效应力最大,踏面表层材料等效塑性应变最大。车轮踏面出现凹陷磨耗后,车辆频繁地通过小半径曲线时易在磨耗突变区造成较高的等效应力和等效塑性应变,从而导致轮缘根部表面材料产生剥离损伤。     

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。     

基于轮轨接触特征的转辙器区钢轨廓形设计

针对道岔转辙器区钢轨容易出现伤损及寿命短等问题,根据轮轨接触理论,提出了以滚动圆半径差函数和轮轨间接触点均匀分布为主要的设计目标,以轮轨接触点的位置为边界条件,利用欧拉积分方法求解微分方程,从而获得钢轨打磨的目标廓形的方法,并编制了相应的计算程序,进行了实例验证.结果表明,优化后的钢轨与车轮有更合理的匹配性,改善了车辆通过道岔时的动力学性能,减小了轮轨间的接触应力,使得接触分布和磨耗更加均匀,从而能延长钢轨使用寿命.     

道岔区轮轨间隙动态变化特性研究

轮轨间隙对车辆顺利通过道岔具有十分重要的作用．在车辆-道岔系统动力学模型基础上,利用道岔区钢轨空间布置和轮轨接触几何关系,分析了护轨对轮轨间隙的限制作用和对轮对冲击心轨的防护机理,研究了道岔区轮轨间隙动态变化特性,轮轨间隙与轮对横移量、轮轨横向冲击力、轮轨接触角之间的关系,以及轮轨间隙变化对车辆过岔运行安全性和道岔系统稳定性的影响特性．结果表明,轮轨间隙不仅与轨距和钢轨动态横移量有关,而且与轮对横移量密切相关,且当间隙过小时轮轨间将发生横向冲击振动;设置护轨有利于防止轮对冲击心轨,并使得轮对能够顺利通过岔心;另外,为使车辆能够顺利通过道岔,在允许的情况下可以适当增大转辙区轨距,但心轨区轨距最好保持标准值．     

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。     

道岔缓和曲线尖轨切削方式选型的动力学研究

以轮轨系统动力学理论为基础,建立车辆-转辙器动力耦合模型,计算并分析42号缓圆缓型道岔前缓和曲线尖轨选取五种不同切削方式时,轮轨系统动力指标及钢轨磨耗变化情况.结果表明:利用动力学方法评价各种缓和曲线尖轨切削方式的优劣性,能够使尖轨选型更加可靠;缓圆缓型道岔中选用半切线型缓和曲线尖轨,可获得较好的行车性能、转辙器结构稳定性和钢轨磨耗性能,部分设计条件下也可依照具体要求采用切线型尖轨;对运营中道岔转辙器结构动力性能的分析,需考虑几何不平顺等因素的共同作用.     

柔性轮对的轮轨接触参数分析

只考虑轮对弯曲振动下的结构柔性,建立了把车轴考虑成铁木辛科梁的柔性轮对简化模型,用格林函数求解其在稳态谐波力作用下的运动方程,从而求出车轮倾斜角位移.根据轮轨接触几何约束关系,用解析方法推导了柔性轮对与钢轨接触几何的约束方程组,对该约束方程组进行求解,得到轮轨接触几何参数,并与相应的刚性轮对轮轨接触参数进行了对比,讨论了轮对弯曲变形对轮轨接触点位置及其接触参数的影响.结果表明,当轮对横移量超过5mm时,轮对的结构柔性会导致轮轨接触参数发生明显变化;该简化模型可以有效地解决需要考虑轮对柔性的轮轨接触计算问题.     

道岔区固定辙叉心轨垂磨对轮轨动态接触的影响

通过实测数据和文献资料,分析了辙叉区心轨垂直磨耗分布规律,并基于该规律构造了各级垂直磨耗分布曲线。针对重载条件下普速铁路60 kg?m^-1钢轨12号单开道岔,基于车辆-道岔耦合动力学的理论,建立重载货车-道岔耦合动力学模型,计算分析了固定辙叉心轨垂直磨耗对重载货车通过道岔辙叉区轮轨接触的影响规律。结果表明：心轨顶宽20~40 mm范围是实测心轨垂直磨耗较为严重的区域;随着心轨垂直磨耗量的增大,轮载过渡区轮轨接触力最大值和接触力过渡曲线波动性普遍增大,轮轨接触关系随之恶化,心轨与翼轨之间的轮载过渡平稳性随之下降;当轨道几何不平顺较为良好时,心轨顶宽40 mm处垂磨应控制在5 mm之内。     

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。     

高速列车车轮踏面外形优化设计

为了对高速轮对踏面外形进行优化改进,提出了一种基于轮径差相对于轮对横移量的函数为设计目标来反推铁道车辆车轮踏面外形的优化方法,并研制了相应的计算程序.对LMa,S1002G和XP55型踏面的优化结果表明,优化后的轮对踏面外形具有良好的几何接触特性和动态特性.提出了高速踏面选型的优化流程.     

轮轨滚动接触疲劳寿命的计算方法

对列车车辆轮轨滚动接触进行了分析,指出在滚动过程中其接触点位置具有随机性,可以用正态分布规律进行描述。在此基础上,利用LM型踏面车轮与CHN60钢轨发生接触的接触点位置和接触应力计算方法,构建了能够对轮轨滚动接触过程中车轮表面接触点位置、接触次数和接触应力进行计算的方法。应用疲劳损伤积累假说和疲劳曲线方程,构建出能够对实际线路上的车轮表面各点疲劳寿命损伤进行计算的数学模型。应用该模型,针对具体的铁路线路进行了算例计算和研究,得出了车轮的理论疲劳寿命,并对直道和弯道行驶过程中,不同接触位置所形成的疲劳损伤程度进行了计算和分析。     

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。     

钢轨轧制不平顺对车岔耦合系统垂向动力特性的影响

为分析某18号高速道岔轨道不平顺的产生原因,使用快速傅里叶变换的方法分析其频率分布,道岔转辙器区与辙叉区的钢轨不平顺是钢轨轧制过程中控制精度不足造成的,其主频波长为0.8 m的倍数。基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,研究钢轨轧制不平顺对道岔区垂向轮轨力和轮重减载率的影响,并分析不同车辆通过速度条件下最大轮重减载率的变化规律。研究结果表明:车辆以350 km/h的速度通过道岔时,垂向轮轨力变化较为剧烈,其一阶主频为50.51 Hz,与全线轨道不平顺的一阶主频51.27 Hz基本相同,辙叉区最大轮重减载率超过0.8的限值,且持续时间较长,存在脱轨的可能;道岔区钢轨存在轧制不平顺时,车辆速度对最大轮重减载率影响较为显著,为保证轮重减载率不超过0.8的限值,车辆通过高速道岔时理论上应限速160 km/h,当不存在钢轨轧制不平顺时,车辆速度对最大轮重减载率的影响较小。     

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.     

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。     

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.     

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.