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。     

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。     

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.     

基于平均踏面廓形的动力学最优钢轨廓形设计

为改善打磨质量,提高打磨后车辆运行品质,提出一种基于逆向反推方法的铁路钢轨打磨廓形的设计思路。以优化的轮径差函数为核心目标,以预期的轮轨接触分布为边界条件,实现通过设计轮径差函数反推钢轨打磨廓形的算法设计,并经编制的算法程校验该方法的可行性。本文从直线运行平稳性、曲线通过能力和轮轨接触分布三个方面,分析CRH3型踏面、LMA型踏面、LMB型踏面和XP55型踏面与60N钢轨匹配时的接触特性。仿真结果显示,除直线运行平稳性有所下降外,其余的匹配特性均有所改善。该方法优化效率高,优化效果合理。     

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.     

基于瞬态接触特性的科隆蛋扣件轨道波磨形成机理

为从轮轨瞬态接触黏滑振动角度探究地铁线路上钢轨波磨的形成机理,该文首先根据现场波磨情况建立了三维轮轨滚动接触有限元模型并论证其有效性;然后,分析了车轮运行过程中的接触黏滑状态,并讨论了轮轨接触黏滑特性与波磨生成的关系;最后,研究了轮轨系统固有特性和钢轨纵向磨耗特征。结果表明：凹坑缺陷改变了轮轨滚动接触黏滑分布,导致轮轨界面发生滑移并诱发轮轨系统失稳,且滑移会进一步引起钢轨磨耗,以致最终可能形成波磨。综合轮轨接触黏滑特性和复模态分析的结果,可将钢轨波磨的形成机理归为轨面缺陷激励引发的轮轨系统的固有不稳定振动,且该不稳定振动表现为钢轨相对于轨道板的垂向弯曲振动。当车轮经过凹坑缺陷时,会产生瞬态纵向波动磨耗,且磨耗的特征波长为40～50 mm,这与实测线路上的波磨波长情况相符,从而进一步验证了钢轨波磨的形成机理。     

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。     

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.     

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。     

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.     

LMA和LM型踏面对机车脱轨性能分析

不同的轮对踏面与钢轨的配合对机车的脱轨性能影响很大.应用SIMPACK软件分别建立了LMA和LM型踏面的机车模型及钢轨模型,通过不同速度下小半径曲线上的仿真,分析了2种踏面对机车脱轨性能的影响,结果表明:合理的踏面轮对与钢轨的配合可以提高机车的脱轨性能,LMA型踏面的脱轨性能优于LM型踏面.     

基于轮径差函数的曲线钢轨打磨廓形设计

为改善打磨质量,提高打磨后车辆运行品质,提出了一种基于直接反推方法的铁路钢轨打磨廓形的设计方法,该方法以优化打磨后的轮径差函数为核心目标,以预期的轮轨接触分布为设计边界条件,实现了通过设计轮径差函数直接反推钢轨打磨廓形的算法设计,并经编制的算法程序校验了该方法的可行性.该方法既可针对两股钢轨同时设计,也可针对单股钢轨进行设计,同时能够通过调整设计轮径差和预期接触分布满足不同的打磨需求.     

轮轨滚动接触问题的研究现状

随着高速铁路的不断发展,轮轨滚动接触问题愈加突出,因此,倍受国内外学者的关注。轮轨滚动接触问题涉及的范围较广且较为复杂,并在一定程度上引发轮轨的疲劳损伤和波浪形磨损等破坏形式。基于理论分析和试验研究两个方面,着重对轮轨滚动接触的发展历史和研究现状进行了总结和分析,并综述了轮轨滚动接触疲劳和钢轨波浪形磨损的研究现状。从现有的研究成果来看,轮轨滚动接触理论已相对较为完善,而对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的形成机理研究仍未形成系统的理论体系。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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．