我国主型12号道岔动力学特性分析

对我国主型12号道岔进行动力学测试发现,空车通过道岔侧向时脱轨系数超过限值要求。为此实测钢轨型面,对其轮轨接触特征进行分析,发现磨耗后的道岔下股钢轨轨顶呈明显扁平状,轮轨接触点向车轮踏面外侧转移,使得轮径差减小;上股钢轨轨肩磨耗明显,形成两点接触,减小了导向力矩;双重因素作用下降低了道岔侧向通过性能。优化轮轨关系是改善道岔区动力学性能的有效途径,结合道岔区实际运营状态,提出一种适用于道岔区的钢轨打磨廓形,优化了道岔区轮轨接触参数。动力学计算结果表明:钢轨打磨廓形可有效改善轮轨相互作用特性,明显降低车辆通过道岔侧向时的动力学指标,提高道岔区安全运营裕量。     

基于轮轨接触关系的高速道岔转辙器钢轨廓形打磨方案北大核心

为提升车辆通过高速道岔时的运行平稳性,基于迹线法建立车轮与道岔钢轨接触几何计算模型,分析车辆通过道岔转辙器时的轮轨接触点对分布特性,发现轮轨接触位置不集中和突变是降低车辆运行平稳性的主要因素。以降低接触突变幅度为原则提出转辙器钢轨廓形打磨方案,并基于轮轨接触几何模型和车辆-道岔多刚体动力学模型,对道岔钢轨打磨的效果进行研究。结果表明:钢轨廓形打磨能有效降低道岔区轮轨接触不平顺和等效锥度,利于提升车辆的运行平稳性;打磨后轮轨横向力、车体横向加速度、脱轨系数的最大值分别降低了39.5%、7.4%、41.7%,该廓形打磨方案对提升道岔服役性能效果明显。     

我国高速铁路道岔尖轨廓形研究

对我国高速铁路道岔区钢轨运营现状进行总结分析,得出2种道岔区典型尖轨廓形。建立轮轨接触和动力学模型,分析尖轨廓形对应力分布特征和动力学性能的影响规律。分析结果表明:尖轨轨肩较低时将导致接触区域集中分布于非工作边侧,形成较高的应力水平,大幅增加产生接触伤损的风险,而采用设计廓形的尖轨应力水平较低,接触区域分布合理。尖轨廓形对道岔区动力学性能的影响较小,道岔区基本轨采用60N廓形可在一定程度上改善道岔区动力学性能。建议高速铁路道岔区尖轨、心轨机加工段廓形仍沿用现有尺寸参数,轨件非加工段采用60N廓形。     

高速铁路道岔受限区钢轨打磨对列车动力学性能的影响北大核心

对打磨前后的高速铁路道岔打磨受限区特征断面钢轨廓形进行测量,建立车辆-道岔耦合动力学模型仿真模拟列车通过打磨前后道岔打磨受限区的动力学特性,并对车辆动力学性能进行现场实测。结果表明:廓形打磨后,道岔打磨受限区内侧工作边明显低于打磨前,且降低值得到明显优化,全新车轮及磨耗车轮与打磨后的道岔受限区特征断面接触时的等效锥度均得到明显改善且均在理想范围内;在不同运行速度下,全新车轮及磨耗车轮与打磨后的道岔受限区特征断面接触时,构架及车体横向加速度均减小,列车轮轨接触关系得到优化,列车运行横向稳定性得以提升。现场实测结果进一步验证了廓形打磨对列车运行横向稳定性的改善作用。     

基于轮轨法向间隙的道岔钢轨廓形优化方法

针对道岔转辙器区钢轨容易出现磨耗和滚动接触疲劳的问题,根据轮轨接触理论,以轮轨法向间隙最小为目标对道岔区钢轨廓形进行优化,获得了钢轨打磨的目标廓形。优化结果表明:优化后的轮轨界面之间有较好的共形特征,能有效降低轮轨接触应力,从而降低轮轨磨耗和滚动接触疲劳损伤,且优化后的轮轨接触点分布更加均匀。     

车轮廓形的演变对道岔区轮轨接触几何的影响

考虑道岔区变截面廓形特点的法向切割法,以轨面宽度作为轮轨接触的最大范围,采用最小距离判定原则,基于先验经验的窗口放缩搜索法,准确而快速地寻找到不同横移和摇头角下车轮与岔区钢轨接触时的轮轨接触点。为研究车轮型面的演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响,运用法向切割模型及Matlab软件,计算18号道岔转辙器区钢轨廓形与不同服役段的车轮型面匹配时的轮轨接触点对分布、结构不平顺、滚动圆半径差和侧滚角。研究结果表明:随着车轮磨耗的加深,轮轨接触点不断向外侧偏移,轮载过渡位置不断向后偏移,滚动圆半径差为零的点不断向右侧偏移,侧滚角逐渐减小,最终影响列车运行平稳性和安全性。     

高速铁路轮轨匹配存在问题及对策

对我国高速铁路因轮轨匹配问题而导致轮轨接触位置不良、动车组构架横向加速度超限报警、动车组异常抖动、钢轨波磨、道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹等的具体成因进行研究,并主要从轮轨接触关系、等效锥度、轮轨匹配、钢轨打磨、道岔直尖轨处理等方面提出对应的解决方案。结果表明:车轮型面与60钢轨廓形不匹配导致了轮轨接触位置不良,采用60N钢轨可使轮轨的接触位置居中;按设计的钢轨廓形或60N钢轨廓形进行钢轨打磨,可以有效降低轮轨的等效锥度,从而抑制动车组异常抖动和构架横向加速度超限;采用GMC96—B型和GMC96—X型钢轨打磨车打磨产生的钢轨周期性磨痕波深较大时,容易发展成钢轨波磨,而采用大机打磨可有效治理钢轨波磨;道岔直尖轨非工作边因未倒棱且长期承受应力集中作用是造成其产生疲劳裂纹的根本原因,可采用倒圆和组合断面轨面修型处理,有效控制直尖轨非工作边的疲劳伤损。     

大准铁路小半径曲线钢轨打磨廓形及工艺研究

针对大准铁路小半径曲线钢轨伤损和磨耗严重开展钢轨打磨技术研究,进行打磨模板设计。本文通过分析实测轮轨廓形的磨耗和接触特征,确定钢轨打磨目标廓形,据此设计得到适合于大准铁路小半径曲线的钢轨打磨廓形,并采用重载货车-轨道动力学模型和轮轨接触有限元模型进行理论计算与分析。结果表明:车轮与实测钢轨廓形匹配时,上股易形成过共形接触,下股接触点偏向轮缘根部,形成反向轮径差,降低曲线通过性能;车轮与打磨廓形匹配时轮轨接触状态得到明显改善,轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数、磨耗指数和轮轨接触应力均显著降低,大幅提高了曲线通过性能。     

高速铁路轮轨型面匹配对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路LMA,S1002CN,XP55这3种典型型面车轮与60,60N和60D这3种廓形钢轨匹配的情况,建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合等效锥度、Polach指数、轮轨接触带宽变化率和接触点移动速率,分析新轮与新轨匹配和磨耗车轮的型面与钢轨原始廓形在服役条件下匹配的轮轨三维接触非线性关系,研究轮轨接触非线性关系对车辆动力学性能的影响。结果表明:S1002CN型面车轮时轮轨接触点跳跃最明显,LMA型面车轮时轮轨接触点分布最均匀,XP55型面车轮时轮轨接触带宽最窄,而且新轮与60N和60D钢轨匹配时轮轨接触点较60钢轨更集中在轨头中心处;S1002CN型面磨耗车轮与60钢轨匹配时脱轨系数、轮重减载率的相对增长率均大于与60N和60D钢轨匹配时;在1个镟修周期内,S1002CN型面车轮与3种廓形钢轨匹配时,随着运营里程的增加,滚动圆附近轮轨接触带宽和接触点移动速率均增大,且与60N和60D钢轨匹配时Polach指数由正值变为负值,影响车辆的蛇行失稳临界速度、失稳后的蛇行振动幅值以及车辆蛇行失稳极限环分岔特征。     

重载铁路钢轨技术的研究

为满足重载铁路发展的需要,对钢轨和道岔用轨进行持续不断的研究,并取得一些阶段性成果：采用钢轨预打磨和设计新的轨头廓形,使轮轨在轨头踏面中心区域接触,或形成共形接触,可有效降低轮轨接触应力;高强耐磨新钢种钢轨和道岔用轨的研制和应用、钢轨焊接技术的优化、打磨技术的科学应用,可显著提高钢轨和道岔用轨的耐磨、抗疲劳性能,大幅提高钢轨的使用寿命、延长换轨大修周期。     

周期性钢轨廓形打磨对小半径曲线寿命的影响

选取半径300 m小半径曲线作为试验曲线,从轮轨接触几何特性、车辆动力学特性、现场打磨效果3个方面分析了周期性钢轨廓形打磨对小半径曲线寿命的影响。结果表明:周期性廓形打磨后轮轨间等效锥度显著改善;列车1～4位车轮与9#钢轨接触时磨耗功、最大脱轨系数均较为理想;周期性廓形打磨后钢轨轨面未出现比较严重的病害,侧磨速率显著降低,轨道质量指数有明显改善,有助于延长钢轨使用寿命。     

面向大数据分析的道岔轨件磨耗统计方法

道岔尖轨、辙叉等轨件的特征断面与区间钢轨的特征断面有明显区别，依据传统的轨件垂直磨耗和侧面磨耗统计方法很难全面地反映全轨头断面的磨耗情况。为解决这一问题，本文提出了径向磨耗的概念，即沿钢轨轨头设计廓形法向的磨耗。通过计算径向磨耗，可得到钢轨轨头各个位置的磨耗量；利用动力学分析结果，分析廓形改变与伤损之间的联系；计算问题轨件的径向磨耗，绘制径向磨耗图并总结其特点，可有效、直观地把理论与现场使用情况联系起来。未来在大数据采集基础上，可利用径向磨耗图对道岔区轨件养护维修提供指导意见。     

高速铁路轮轨形面匹配研究

介绍国内外高速铁路轮轨形面和硬度匹配情况和存在问题。分析总结轮轨接触光带不良带来的危害。通过对钢轨预打磨优化轮轨接触、轮轨硬度合理匹配和新轨头廓形钢轨进行研究,提出预打磨轨头廓形设计、钢轨预打磨的技术要求和需要注意的其他问题,并对钢轨预打磨进行实践和使用评价;提出我国高速铁路新轮与新轨的几何形面不匹配,表现为轮轨接触光带不在设计的轨头踏面中心等结论;建议统一动车车轮形面并开展新轨头廓形钢轨的研发和应用,以改善轮轨接触关系。     

道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响

为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响，结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法，构建道岔区轮轨多点接触几何模型，并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性；在测试长期服役过程中真实车轮型面和道岔变截面钢轨廓形的基础上，研究不同服役阶段下轮轨廓形演变对接触点分布、滚动圆半径差和侧滚角的影响，进而分析轮轨接触几何关系和轮轨力过渡特性。结果表明：随着道岔通过总重的增加，轮轨接触点从基本轨提前迁移至尖轨；磨耗会导致轮轨接触点发生跳跃、分布不连续，从而显著增加轮轨间动态相互作用；随着磨耗进一步加剧，轮对侧滚角最大值从0.04 mrad逐渐减小至0 mrad并最终出现负值；轮轨垂向力和车体加速度从86.643 kN和0.032 m·s^-2分别升至101.466 kN和0.038 m·s^-2后，脱轨系数和轮重减载率对应从0.433和0.215分别升至0.505和0.247，显著降低了列车行车平稳性和安全性。     

我国铁路钢轨型面优化研究

针对我国铁路轮轨匹配存在的问题,研发了钢轨打磨设计廓形60D和新轨头廓形钢轨60N。优化后的轨头廓形与LM、S1002CN和LMA型面车轮接触时的光带基本居中,轮轨接触应力显著降低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,提高车辆运行稳定性。高速铁路按廓形60D打磨到位,钢轨打磨周期可延长至4~5年,且不易出现动车组构架报警和车体晃车。60N钢轨在普速铁路上的铺设使用结果表明,在直线上运行轮轨接触光带居中,在曲线上运行可有效避免或抑制钢轨使用初期轨距角剥离掉块及疲劳核伤;在高速铁路试验段的铺设使用结果表明,采用1遍预打磨后钢轨服役近5年,光带保持在30mm左右,从未出现动车组构架报警和车体晃车,可有效改善轮轨匹配关系,大幅降低轮轨维修养护成本。建议加快新轨头廓形钢轨系列化,以尽快在我国铁路形成统一的钢轨轨头廓形。     

轮轨关系对脱轨影响的仿真研究

根据徐州南津浦线７次货物列车脱轨的特点，测量了脱轨点附近地段和未换轨地段钢轨断面以及被试车Ｃ６２Ｂ车轮踏面，建立了两种钢轨与Ｃ６２Ｂ车辆轮轨接触关系，应用轮轨耦合模型进行了仿真计算，对直线段车辆蛇行特征和安全指标与轴位、新旧钢轨、速度及摩擦系数的关系等进行了分析，与试验结果相比，具有较好的一致性，并揭示了试验中未能说明的一些问题。     

基于ANSYS/DYNA软件的高速车轮通过道岔的轮轨动力研究

基于采用ANSYS-DYNA软件所建立的LMA型踏面标准车轮和38号高速道岔辙叉区的三维有限元模型,研究车轮直向、逆向通过辙叉区时的轮岔接触状态和轮轨动力特性。通过所获得的车轮质心高度、接触斑位置和面积以及轮轨横向、垂向接触力的动态变化特征,分析车轮不同横移量对轮岔接触的影响。研究结果表明,车轮通过辙叉区时必然发生两点接触,且存在轮轨力转移过程;可动心轨式辙叉可消除可能引起车辆脱轨的道岔的"有害空间",并明显改善车辆过岔性能,但叉心区走行轨线的不连续仍将引起车轮和道岔的振动;轮对横移量对轮-岔的接触状态和振动有一定影响。     

重载铁路固定辙叉区轮轨瞬态滚动接触行为分析

固定辙叉有害空间造成的轨线不连续及结构不平顺大幅加剧车辆与辙叉间的动态相互作用,进而引起道岔伤损劣化加剧及服役寿命缩短。以重载铁路12号固定辙叉为研究对象,基于显式积分算法,建立考虑材料弹塑性及轮轨真实几何廓形的车轮-辙叉三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究不同运营速度下车轮不同方向通过时车轮与固定辙叉动态相互作用及轮轨接触行为,详细分析轮载过渡区内辙叉钢轨应力、应变大小及分布规律,结合材料安定图及疲劳指数对轮轨接触疲劳伤损特性进行分析,得到了钢轨滚动接触疲劳伤损易发区域为心轨断面顶宽20～30 mm,与现场固定辙叉疲劳裂纹发生位置基本一致。所建立的模型及研究结论能够为固定辙叉结构优化及疲劳寿命预测提供理论支撑。     

铁路道岔转辙器部件轮轨两点接触计算方法研究

根据基本轨与尖轨的相对位置及轨下支撑方式,分析车轮与转辙器钢轨的接触特性,在考虑尖轨与基本轨相对运动的基础上,提出铁路道岔转辙器部件轮轨两点接触的计算方法,以18号单开道岔为例,对比分析了标准和磨耗车轮LMA踏面与钢轨匹配时的轮轨接触特性,验证两点接触计算方法的正确性和可行性。研究表明:车轮踏面磨耗后,轮轨接触点位置更多的位于尖轨轨距角附近,会增大尖轨的侧面磨耗;车轮踏面磨耗会导致轮载转移的位置后移,增大车辆进入道岔时轮对蛇形运动的距离和幅度,进而导致横向轮轨动力相互作用的增大;磨耗后的车轮踏面,其轮轨两点接触的可能区域分布较为分散,可能造成轮轨接触点的无规律跳跃,从而引起较大的轮轨冲击振动作用。     

基于Archard磨耗模型的合金钢心轨组合辙叉道岔钢轨磨耗研究

基于Archard磨耗模型并结合有限元静动力分析方法,对重载铁路合金钢心轨组合辙叉道岔岔区钢轨垂直磨耗特性进行了研究,给出了一种研究钢轨磨耗的新方法。研究结果表明:受不同断面轮轨接触特性及轮轨力差异的影响,岔区各断面轮轨接触斑内磨耗量的大小及分布存在差异;辙叉轮载过渡区翼轨磨耗严重的机理是轮轨法向接触应力大于翼轨材料硬度的0.8倍导致了磨耗系数的突变,建议将此区域翼轨镶嵌合金钢材料或采用深度爆炸硬化技术处理;轮轨接触应力随行车速度的增加有所增加,随列车轴重的增加而大幅增加,建议有条件的情况下降低C80,C70列车的侧向过岔速度,以减缓道岔的磨耗速率。