车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状，强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响；总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果；介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究，分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响，以及车轮踏面缺陷的形成原因、影响规律与演变机理，重点关注了轮轨动态效应对高速轮轨滚动接触行为的影响；概括了车轮踏面缺陷的检测技术与减缓和防治措施。研究结果表明:车轮踏面缺陷致使轮轨冲击力显著增大，导致轮轨部件损伤和车体异常振动，严重影响车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车动力学性能，甚至威胁列车运行安全；车轮踏面缺陷的成因与机理仍需进一步探究，车辆异常制动、轮轨低黏着状态均会导致车轮扁疤的产生，轮轨材料特性、轮轨间接触载荷、轮对共振、列车制动系统性能与线路运行条件/环境等均是导致车轮踏面发生剥离的主要影响因素，轮轴共振、轮轨摩擦振动、车轮制造镟修工艺等均与车轮多边形的形成有密切联系；改善轮轨材料的性能，控制轨道系统的支撑刚度/阻尼及轮轨间摩擦因数等均是抑制车轮踏面缺陷产生的有效途径。      

单轮荷载对轮轨系统变形及应力影响范围分析

根据结构动力学原理和有限元理论,建立了轮轨系统三维非线性有限元模型,用接触单元模拟轮轨实际的接触行为,计算了在不同行车速度下系统的振动特性沿轨道长度方向的变化规律.计算结果表明:系统的振动在距离轮轨接触中心点2.1m的范围内很快衰减,在2.1m之外其值变化很小;并且当速度达到350km·h-1时,系统的振动将会加剧,同时根据系统的振动情况和边界条件对计算结果的影响,建议钢轨计算长度取4.8~6m.     

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.      

薄轮缘车轨接触几何特性与动力学稳定性分析

随着车辆运行里程的增加,车辆稳定性由于轮轨匹配关系的不断恶化而下降。通过镟修不同轮缘厚度车轮型面改善车辆运行性能,但不同轮缘厚度的车轮型面与钢轨匹配下的动力学性能都是未知数。根据LMB系列4种不同轮缘厚度踏面和CHN60匹配,对轮轨接触点位置的变化、接触区域分布进行仿真计算,通过计算接触宽度、接触集中度,分析由于轮对型面而产生的接触几何状态变化规律;结合轮轨接触点运动和轮轨接触带宽变化,定义非线性接触几何关系参数λ_(TC),λ_(TC)参数描述了2种及2种以上轮轨匹配情况下,服役动车组的稳定性。研究结果表明:随着轮对轮缘厚度的增加,轮轨接触点在车轮踏面上的接触宽度加大,而其接触集中度降低;随着非线性轮轨接触几何λ_(TC)参数的增大,车辆动力学参数减小,非线性等效锥度λ_G和λ_(NP)分别呈现下降和平稳态势。非线性轮轨接触几何参数λ_(TC)能很好地表达不同轮缘厚度轮对与钢轨匹配下,服役动车组稳定性,能准确反映车辆振动响应的变化。     

钢轨波磨研究进展

为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题,分析了钢轨波磨的形成机理,阐述了钢轨波磨对车辆-轨道系统动力学性能的影响,综述了常见的钢轨波磨检测、监测与抑制方法,并展望了钢轨波磨的研究方向。研究结果表明:车辆-轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因,车辆-轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面和车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨;重载、高速铁路和地铁钢轨波磨会影响车辆-轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命,也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性,各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨,列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆-轨道结构产生强烈共振,造成严重疲劳损伤,影响行车安全;检测与监测是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段,抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现;目前,钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施,应提升并改善钢轨打磨技术。      

轮对自稳定性及提速轨道车辆MBS仿真研究

提速轨道车辆需要开展轮轨关系改进与提速转向架动态设计MBS协同仿真研究,正确处理(非)线性的辩证关系,努力维系轮对自稳定理想状态。CRH5转向架仅凭XP55踏面就实现了轨底坡由1∶20到1∶40的轨道参数转变,因而安全稳定裕度不充裕是其引进转化所遗留的1个固有技术问题。但是改用XP55踏面也带来了诸多技术效果,如低磨耗区域拓宽至16 mm并使磨耗轮轨局部密贴型接触的发生概率降低。在经常性的横风扰动下,轮轨匹配及动态仿真分析表明:钢轨轨头打磨修型至60N处理削弱了因上述轮轨关系改进设计所带来的技术效果,进而成为了防风沙动车组CRH5G产生磨耗振动的直接原因。为了增强抵御极端气候影响的稳定鲁棒性能,制订了抗蛇行参数优配方案,明确了CRH5的技改方向。     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

地铁弹性短轨枕轨道的钢轨波磨萌生原因

为探明我国某地铁线路弹性短轨枕轨道曲线钢轨短波长波磨萌生原因，采用现场试验和数值仿真方法对其开展了研究. 首先，通过现场试验确定钢轨波磨波长与轨道动态特性对应关系；其次，利用车辆-轨道耦合动力学模型计算轮轨接触参量，通过力锤敲击法获得现场轨道导纳特性；最后，基于轮轨接触参量和轨道导纳结果，建立钢轨波磨频域线性分析的数值模型，模拟弹性短轨枕轨道频域下曲线钢轨磨损率特征，分析了弹性短轨枕轨道萌生特定波长波磨原因. 研究结果表明:地铁弹性短轨枕轨道钢轨波磨主要出现在半径小于等于800 m曲线段，低轨波磨程度更为显著，波长为50～160 mm，通过频率为140～280 Hz；轨道在160～210 Hz频率范围的模态振型表现为钢轨和轨枕一起相对轨道板垂向弯曲振动，在250～300 Hz频率范围的表现为钢轨和轨枕垂向反向振动，波磨通过频率与该轨道的160～300 Hz共振频率相近. 弹性短轨枕轨道特定波长波磨萌生主要与其轨道垂向固有特性相关，其波磨特征为频率固定型，波磨波长随车辆运行速度变化而变化.      

动车组的轮轨型面匹配关系

为研究不同车轮踏面与不同钢轨型面的匹配关系,分别从轮轨接触几何参数、轮轨静态接触力学性能、车辆运行稳定性和磨耗方面进行对比分析.CONTACT轮轨接触模型和SIMPACK多体动力学模型的计算结果表明,由于60N轨面将轨头部分进行了改进,轮轨接触光带居中,车辆运行稳定性趋于优化;两种车轮踏面与60N轨面匹配时具有更优的黏滑区比例,能有效减小轮轨间的损伤和磨耗;LMA踏面和小位移下的S1002CN踏面与60N轨面匹配时接触应力较大,易造成较大的垂向磨耗;对于S1002CN踏面与60N轨面匹配的情形,在横移量4~8 mm时的接触应力小于其与60 kg/m轨面匹配时的数值,有利于降低曲线线路轮轨间磨耗.由此可见,60N轨面与动车组车辆踏面的接触关系更利于改善车辆的运行稳定性,但过于集中的轮轨接触点对加剧了钢轨的垂向磨耗.     

不同钢轨廓形下高速铁路轮轨型面匹配

为了分析不同钢轨廓形对我国高速铁路轮轨型面匹配的影响,针对高速铁路线路上使用的CHN60、60N和60D钢轨廓形,基于经典迹线法、三维非赫兹滚动接触理论及车辆-轨道耦合动力学,分别研究了不同钢轨廓形与高速车轮LMA型面匹配时的轮轨接触特性和车辆动力学性能.研究结果表明:不同钢轨廓形下,轮轨接触几何关系有较明显的差异;在不同轮对横移量下,CHN60钢轨的轮轨接触应力比另外两种钢轨廓形小;当轮对横移量为6 mm时,CHN60钢轨对应的轮轨接触状态最优,其接触斑面积最大,且接触应力分布较为均匀;不同钢轨廓形对车辆的临界速度及曲线通过能力影响较大,60D钢轨与LMA型面匹配时车辆的临界速度约为763 km/h,为三者中最高,但CHN60钢轨与LMa型面匹配时车辆的曲线通过性能最好,相应的轮轨横向力最大值3.584 k N,轮对横移量最大值3.35 mm,是三者中最小.     

轮轨噪声预测模型研究进展

从轮对振动声辐射预测模型、轨道结构振动声辐射预测模型与轮轨相互作用预测模型等方面，总结了轮轨噪声预测模型的研究进展，阐述了主要的建模方法及其特点，给出了一些典型结果，并提出了需要进一步研究的问题。研究结果表明:在建立轮对在给定简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轮对简化为轴对称弹性体，轮对的振动响应通过一个2维的结构有限元模型来预测，而它的声辐射则通过一个2维的声学边界元模型来确定，这样的建模方法可以全面且方便地考虑轮对旋转所带来的陀螺效应和移动荷载效应；在建立轨道结构在给定的简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轨道结构简化为无限长周期结构，轨道结构的振动响应通过周期结构理论来分析，而它的声辐射则应用2.5维声学边界元来预测，这样的建模方法可以方便地考虑轮轨力沿轨道的高速移动并大大简化声辐射的计算；在建立轮轨相互作用预测模型时，可以利用轮对和钢轨在轮轨接触点处的频率响应函数或脉冲响应函数，这样的建模方法只以轮轨力为未知量，不但使得相应的微分方程或积分方程未知量少，而且完全考虑了轮对的旋转及沿轨道的移动；轮轨噪声预测还需研究的问题包括高速列车轮对的声辐射、高速轨道相对车体的声辐射、地下铁路轮轨噪声，以及包含降噪措施的轮轨噪声预测模型等。      

基于摩擦自激理论的单侧钢轨波磨机理分析

为了分析重载铁路曲线地段钢轨波磨的产生原因,基于摩擦自激振动理论建立小半径曲线轮轨三维接触精细化模型,讨论了不同扣件刚度、摩擦系数、超高对轮轨系统不稳定摩擦自激振动的影响,揭示了单侧钢轨波磨产生的内在原因,并通过轮轨瞬态动力学方法,分析了单侧钢轨波磨的传递及演化过程. 结果表明:超高和实际运行速度的不匹配是曲线内股钢轨首先产生波磨的主要原因;内股钢轨波磨产生后会导致轮轨系统不稳定,并将振动传递至外股钢轨,从而诱发小半径曲线地段两侧钢轨均产生波磨;适当地提高扣件垂横向刚度、控制轮轨摩擦系数在0.4以下,能够有效地降低轮轨系统发生不稳定振动的趋势,从而抑制波磨发展.       

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象，基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论，对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究. 分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型，确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况；根据动力学仿真所得轮轨接触参数，建立轮对-轨道-轨枕有限元模型；采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性. 研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时，导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和；轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%，轮轨接触角的偏差小于5%；相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%；缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性，故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.      

动车组踏面凹型磨耗对车辆稳定性的影响

针对某型高速动车组在运行过程中出现构架横向报警的问题,建立考虑踏面凹型磨耗的动车组动力学模型. 通过仿真分析和现场试验相结合的方法,研究不同运行里程凹型磨耗踏面与钢轨的轮轨关系以及凹磨踏面对车辆稳定性的影响. 研究结果表明:镟修踏面与钢轨匹配时轮轨接触点呈现均匀分布,凹型磨耗踏面轮轨接触点主要分布在凹磨区域两侧;随着轮对横移接触点发生跳跃,产生假轮缘效应,引起剧烈的轮轨横向冲击;随着凹磨加剧车辆稳定性逐渐降低,当车辆高速运行过程中,凹磨踏面对应构架蛇行带来横向振动频率与构架自身的固有振动频率接近,容易发生横向耦合振动,使得横向加速度超过限制值;踏面凹磨是造成构架横向报警重要原因,通过轮对镟修能够有效抑制构架报警情况发生.      

考虑打磨量的重载钢轨打磨廓形优化设计

为在重载钢轨打磨廓形优化设计中最小化钢轨打磨量，建立了打磨量的钢轨廓形对齐及计算方法，设计以轮轨磨耗指数、轮轨接触应力以及钢轨打磨量为优化子目标的综合优化评价模型，并对不同优化策略的优化结果进行了分析. 首先，通过矩阵旋转变换、曲线拟合及样条插值等理论建立钢轨廓形自动对齐算法，并计算目标廓形打磨量；其次，考虑轮轨磨耗指数、接触应力以及钢轨打磨量，建立综合优化目标函数，采用遗传算法并联合车辆轨道动力学仿真模型求解优化钢轨打磨廓形；最后，运用所建立的钢轨廓形优化设计模型计算分析不同优化策略的设计结果. 研究结果表明:同时考虑轮轨磨耗、轮轨接触应力和钢轨打磨量，优化后曲线外、内轨廓形平均磨耗指数相比初始廓形下降68.9%，内轨接触应力下降39.1%，打磨量下降21.8%，优化效果最佳；只考虑轮轨磨耗和接触应力时，优化后曲线外轨廓形磨耗指数和内轨接触应力下降较为明显，但打磨量下降速率相对较慢，仅为11.3%；只考虑打磨量时，优化后钢轨廓形打磨量下降最快，为24.4%，但轮轨接触应力显著变大.      

地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施综述

对世界各国地铁钢轨波磨的基本特征进行了系统梳理，总结了其普遍性与时间集中性，及其与曲线、轨道结构、车辆及其他因素相关性等典型特征，并对其分类方法、形成机理和治理措施进行了综合评述。研究结果表明:钢轨波磨普遍存在于地铁与有轨电车线路中，在新线开通初期与线路改造初期最为严重；一般而言，相对于直线和大半径曲线，小半径曲线的钢轨波磨最为普遍，低轨侧波磨波长短，幅值大，但也有例外，部分大半径曲线及直线上也有分布；波磨的波长特征和发展速度与轨道结构密切相关，轨道结构及部件不匹配时，易出现快速发展的波磨；车轮踏面廓形、轮对定位、悬挂刚度与簧下质量等车辆结构参数会对波磨萌生、发展与表现特征产生影响；波磨的产生还可能与钢轨材质、牵引和制动、运行环境、湿度及摩擦因数有关。地铁钢轨波磨的形成机理主要基于轮轨系统共振、轮轨黏滑(摩擦自激)振动、钢轨振动波反射等理论，对波磨形成过程的纵向动力学影响与系统非线性因素考虑不完善，关于黏滑自激振动与轮轨负摩擦特性对波磨影响的认识还不统一，难以解释直线以及曲线高低轨波磨特征的差异等，对波磨的形成和发展缺乏理论上的主动预测和试验验证；各国主要以钢轨打磨来控制波磨发展，通过调节轨道结构、运行环境，采用钢轨吸振器和轮轨摩擦调节装置，以及优化车辆设计等主动措施来控制波磨的研究仍需进一步开展；未来应针对车辆-轨道系统的动态特性以及实际运行工况下的轮轨微观接触行为和黏滑自激振动特性，开展车辆-轨道系统的轮轨动态磨耗演化仿真，掌握地铁钢轨波磨形成机理和关键因素影响规律，提出控制地铁钢轨波磨的主动措施和轮轨匹配优化设计原则。      

高速铁路制动区间钢轨摩擦自激振动研究

为了探究高速铁路制动区间的典型钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点展开了研究,通过武广高速铁路制动区段的现场调研,掌握该区段的波磨特征并采集相应的轨道不平顺;基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点分别建立制动区段高速列车的动/拖车轮对-轨道-制动系统的有限元模型,并利用复特征值法进行动/拖车轮轨系统的摩擦自激振动分析,比较动/拖车轮轨系统在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性,以及在制动工况下动车轮轨和拖车轮轨系统的摩擦自激振动情况;使用控制变量法研究了制动系统摩擦系数和扣件垂向刚度对动/拖车轮轨系统摩擦自激振动的影响规律.研究结果表明：制动工况更容易引起系统的摩擦自激振动;拖车轮轨系统更容易引起系统摩擦自激振动;控制制动装置摩擦系数约为0.30,扣件垂向刚度约为50 MN/m时能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性,进而抑制钢轨波磨的产生.     

抑制轮轨摩擦自激振动的扣件结构多参数拟合研究

为研究扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响，基于轮轨摩擦耦合自激振动的观点建立了小半径曲线轨道整体道床支承的轮轨系统有限元模型；通过现场测试和数值仿真验证了轮轨摩擦自激振动模型，进而基于该模型研究了扣件结构中各参数对轮轨摩擦自激振动的影响；综合考虑多因素之间的相互影响，采用最小二乘法得到了预测轮轨摩擦自激振动发生可能性的扣件结构多参数拟合方程. 研究结果表明:在整体道床支承的小半径曲线轨道上，轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是诱导该区间钢轨波磨的关键因素，轮轨系统的摩擦自激振动主要发生在300 Hz和320 Hz；根据扣件结构的多参数拟合方程，在适当范围内，扣件的垂向阻尼为1000 N?s/m，扣件间距为1.0 m组合时，可以降低小半径曲线轨道上轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性，从而降低钢轨波磨发生的可能性.