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。     

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。     

高速道岔曲尖轨疲劳裂纹成因分析

根据高速铁路18号单开道岔的基本轨-曲尖轨设计廓形和实测廓形数据,采用车辆-道岔动力学模型,分析了列车逆向-侧向过岔时轮载位置的转移、基本轨和尖轨上的接触斑法向应力和疲劳裂纹指数,提出了高速道岔曲尖轨疲劳裂纹形成的原因。研究发现：高速道岔基本轨和尖轨实测廓形显示尖轨降低值存在不足,使得同一转向架1、2位轮对的外轮轮载转移分别过早和过快,且随着车轮和钢轨廓形磨耗,这种情况进一步恶化。由此造成曲尖轨受到较大的法向接触应力,特别是1位轮对的外轮对曲尖轨轨肩和轨距角疲劳裂纹的形成贡献度最大。曲尖轨最早出现裂纹的区域在其顶宽20~50mm范围内。     

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。     

重载货车-固定辙叉动态与静态接触性能分析

针对重载铁路固定辙叉磨耗问题,应用动力学理论与有限元方法,分别建立C80货车-固定辙叉系统耦合动力学模型与轮叉弹塑性接触模型,分析重载货车-固定辙叉动态与接触性能。应用SIMPACK软件建立动力学模型以模拟C80货车通过75kg/m钢轨12号道岔,计算结果表明：固定辙叉最大磨耗功率随着速度的提升迅速增大,车轮从翼轨向心轨过渡将对心轨产生冲击,而且速度越高冲击力越大。应用HYPERMESH软件,建立三维弹塑性有限元接触模型,计算分析在标准75kg/m钢轨12号道岔固定辙叉不同位置处与标准货车LM型面车轮的接触状态。在模型中分别施加动载垂向力与静载轴重,进行计算,与静载轴重相比,动载垂向力作用下的最大等效应力剧增。综上所述,建议C80货车通过固定辙叉时严格控制在50km/h范围内。     

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.     

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.     

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。     

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.     

重载钢轨磨耗预测模型及接触斑网格密度研究

基于车辆-轨道耦合动力学及轮轨滚动接触分析,结合材料磨损理论建立了钢轨磨耗预测模型,编制了计算程序,可实现钢轨磨耗具体分布及发展的定量预测分析.鉴于轮轨接触斑离散化网格密度在预测模型中的显著影响作用,从接触力、磨耗分布等方面对这一因素的影响机理进行分析,探讨合理的接触斑网格密度.研究结果表明:网格密度不影响计算结果的正确性,但是稀疏的网格密度得到的蠕滑力及磨耗分布存在较多尖锐形状突变,增大密度可提高精度及磨耗分布平滑性,但会成倍增加计算代价;网格密度20×20时,钢轨磨耗速率变化由剧烈趋于稳定,继续增大密度改善效果已不明显,建议预测模型中接触斑网格密度取20×20,在确保精度的同时尽可能拥有较高计算效率.     

影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析

建立了钢轨3维弹塑性有限元计算模型,分析了接触斑内应力应变场特点.分析结果表明,在接触斑内钢轨处于三向压缩应力状态,有较大的静水压力;认为静水压力影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命.以临界平面法为基础,提出了考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析了轮载和摩擦系数对疲劳裂纹萌生的影响.结合具体算例分析表明:随着静水压力增大,静水压力对滚动接触疲劳裂纹影响在增大;随着轮载和摩擦系数增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命迅速减少.     

高速铁路车轮的磨损与疲劳研究

近20年来,高速铁路得到了日新月异的发展,然而,对于高速铁路的关键性行走部件车轮,由于其服役环境是开放性的,并且伴随不断增加的车速及轴重,给车轮带来更加严峻和复杂的损伤。从轮轨接触问题出发,综述了高速铁路车轮主要损伤行为（磨损、疲劳）的现象及特点。由于轮轨接触面开放性的机械热交换作用而导致的车轮表面及近表面结构的热弹性不稳定性,是造成磨损的根本性原因;然而,与磨损缓慢的损伤过程不同,由材料成分和服役过程中机械载荷引起的应力大小和方向上的反复变化,诱发了疲劳源的萌生与裂纹扩展,且形式多样、破坏性更大。通过运用材料的塑性流变特性对车轮近表面的热弹性和内部织构的分析,归纳、总结了与磨损、疲劳等力学性能劣化相关的车轮材料组织、结构的响应特征,为车轮成型设计与服役安全评估提供了理论支撑。     

普速铁路直线钢轨轨距角接触问题分析及治理

基于现场观测和相关动力学仿真分析结果对普速铁路直线钢轨轨距角接触问题进行了分析.基于个性化钢轨廓形打磨技术提出了解决方案,并对实施效果进行了跟踪观测.结果表明,左右车轮非对称磨耗引起的横移量和受力状态、钢轨廓形内侧偏低导致的自对中能力不足分别是车轮和钢轨廓形角度易导致轨距角接触的主要原因.由于普速铁路货车车轮状态不尽理想,因此通过钢轨廓形打磨只能减小接触的概率,较难完全根除.将钢轨廓形与实测车轮的接触位置分布情况预测作为钢轨打磨目标廓形设计结果校核条件之一时可有效优化轮轨接触位置,进而缓解轨距角接触问题.     

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。     

高速动车组车轮型面多目标优化镟修

提出一种新的高速动车组车轮型面优化镟修方法,以与车辆系统动力学中的临界速度、影响轮轨系统磨损接触疲劳的接触应力和车轮名义滚动圆直径大小相关的三个函数为目标函数,以车轮外形曲线控制点的纵坐标为设计变量,样条曲线控制点的纵坐标上下界作为曲线的附加条件,以车轮型面的轮缘高、轮缘厚、接触角参数及样条曲线的导数作为车轮外形的几何约束参数,建立了高速动车组车轮型面多目标优化镟修模型.优化结果表明:基于多目标优化镟修模型,可以使得磨耗后的车轮不必镟修到标准型面就可以达到接近于标准型面时的综合性能,并且减少了车轮外形的镟修量,延长了车轮的使用寿命.     

深部盐膏岩地层套管磨损后等效应力分析

针对盐膏层蠕变和套管磨损联合作用下套管变形破坏的关键技术难题,结合室内盐岩蠕变试验,确定盐膏岩的蠕变参数,考虑盐膏层蠕变的影响,研究深部盐膏层非均匀地应力条件下蠕变、磨损程度、磨损位置对套管等效应力的影响.结果表明:蠕变在一定程度上降低了磨损套管抵抗外部载荷的能力,套管等效应力的非均匀性增强;随着蠕变时间的增加,套管等效应力逐渐增加,在1 a左右达到平衡;套管磨损越深,套管的等效应力越大且非均匀性越强;磨损位置明显改变了套管等效应力的分布规律,沿最小地应力方位磨损时,套管等效应力最大,最容易屈服;磨损位置不同时,只有当磨损程度较小时套管最大等效应力才出现在水平最小地应力方位;沿0°方向磨损时,只有当磨损程度较小时才会有“套管最大等效应力随磨损程度变化不大”的结论.