高速道岔尖轨磨耗规律及对动力学性能的影响

研究目的:针对高速道岔尖轨的磨耗问题,目前高速铁路养护维修部门通过钢轨打磨、调整几何形位、更换钢轨件等措施进行定期整治,但多为基于工程经验和现场情况的被动性方法,整治效果并不显著,磨耗问题仍不断出现,无法从根本上彻底解决。因此,需要对道岔区轮轨相互作用关系进行深入研究,探明岔区钢轨磨耗的产生及发展规律,以及因磨耗引起的列车过岔动力学性能演化规律,从而有针对性地提出科学、合理的整治方法。研究结论:(1)随着道岔服役时间的增长,转辙器尖轨和基本轨的磨耗均不断加重;(2)直尖轨垂向磨耗情况较曲尖轨严重,两者垂向磨耗均是随着断面不断加宽呈现先增后减的趋势,分别在顶宽35 mm、50 mm断面位置最为严重;直、曲基本轨垂向磨耗均是随着断面的加宽总体呈减小的趋势;(3)曲尖轨侧磨情况明显较直尖轨严重,两者均是从3 mm宽断面开始呈现先增后减的趋势,直尖轨在顶宽5 mm断面位置侧磨最严重,曲尖轨在顶宽20 mm断面位置侧磨最严重;直、曲基本轨的侧磨程度基本相当且数值均较小;(4)随着尖轨磨耗程度的加剧,将会一定程度地导致轮轨动力相互作用的增大,进而提升了安全运行风险,但对车体振动加速度等舒适性指标则影响较弱;(5)本研究成果可为高速道岔设计、施工和运营维护提供一定参考。     

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。     

不足位移对高速道岔动力特性的影响

为揭示道岔不足位移对高速行车的影响,根据高速道岔、列车的结构特点、力学特性和相互作用关系,建立车辆-道岔耦合动力学模型,并以高速列车直向350km/h、侧向80km/h通过350km/h客运专线18号无砟道岔为例,分析不同不足位移情形下车辆和道岔的动力学特性。结果表明:尖轨、心轨不足位移对列车动轮载、钢轨动应力影响较小,对轮缘力、车体横向加速度、轮重减载率、脱轨系数影响较大;不足位移会严重影响高速列车直、侧向过岔的舒适性及安全性,影响高速道岔正常工作状态;牵引转换设计时,应严格控制道岔尖轨、心轨不足位移。     

高速道岔尖轨磨耗特征及管理限值研究

采用现场监测方法,研究不同过岔条件下高速道岔尖轨的实际磨耗特征;通过脱轨风险分析和尖轨强度分析,研究高速道岔尖轨磨耗管理限值.结果 表明:控制曲尖轨使用寿命的主要因素是侧向磨耗,在逆向和顺向过岔条件下,高速道岔曲尖轨磨耗特征差异显著,顺向过岔时曲尖轨侧磨主要发生在前端较窄区段,而逆向过岔时曲尖轨侧磨主要发生在后端顶宽较...     

铁路道岔尖基轨相对运动对轮载转移与分配的影响研究

基于铁路道岔尖轨和基本轨的空间相对位置及轨下基础布置方式,研究转辙器部件内轮轨接触的特点,提出考虑尖基轨相对运动的轮载转移位置确定方法,以12号单开道岔为例,研究尖基轨相对运动对轮轨垂向力转移和分配特性的影响。研究表明:尖轨和基本轨相对运动对轮载转移的位置和长度均有较大的影响,以车辆直逆向通过转辙器为例,其轮载转移的范围距尖轨尖端2.302.74m,轮载转移段长度为0.44m,不考虑尖基轨相对运动时,轮载在距尖轨尖端2.622.78m的区域完成转移,轮载转移段长度为0.16 m;轮载转移区域内,沿线路纵向,轮轨垂向力在尖轨和基本轨上的分配呈非线性的变化规律,其变化规律与钢轨外形、轮轨动力相互作用及车辆过岔方式等因素相关。     

转辙器轨距加宽对高速道岔动力特性的影响

运用道岔系统动力学理论,考虑轨距加宽式转辙器的结构特性,建立列车/道岔耦合动力学模型,以350 km/h客运专线18号高速道岔为例,计算分析了列车以350 km/h直向及80 km/h侧向过岔时的动力特性.结果表明:转辙器轨距加宽可提高列车直、侧向过岔时的平稳性,降低直向过岔时尖轨的磨耗指数,减轻尖轨侧磨,增加尖轨开始受力截面的轨顶宽度;增大转辙器部位的动轮载、轮缘力及动应力,对尖轨受力不利;转辙器轨距加宽对列车侧向过岔的轮重减载率和脱轨系数有不利影响,对直向过岔的影响不大.因此,建议在我国350 km/h客运专线高速道岔设计中,暂不使用转辙器轨距加宽技术.     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

增加道岔尖轨轨下弹性对轮—岔动力性能的影响

通过建立道岔垂向几何及刚度不平顺激扰模型,运用车辆—轨道耦合动力学理论,模拟计算了提速列车对提速道岔的动力影响。比较了提速道岔尖轨轨下增加弹性后提速列车对道岔的动力作用,并进行了现场测试。结果表明提速道岔尖轨轨下增加弹性后能减轻基本轨至尖轨区过渡段轮—岔垂向相互作用,有效地改善道岔的动力性能,延长滑床板及道岔的使用寿命     

40t轴重68kg/m钢轨18号道岔设计

提出了适用于40 t轴重铁路18号道岔的设计原则与技术指标。新型重载铁路道岔采用68 kg/m钢轨制造,道岔全长69 m,前长31 729 mm,后长37 971 mm。平面线型采用相离量24 mm、半径1 100 m的单圆曲线,仿真分析显示该线型动力学性能良好,曲线尖轨具有较好的耐磨性能;尖轨采用60AT1钢轨制造,曲线尖轨为"直曲组合型",直线段长度7 276 mm,直曲尖轨采用刨切基本轨加厚尖轨技术。辙叉采用可动心轨辙叉,翼轨采用TY钢轨、心轨采用60AT1钢轨制造,直向不设护轨,侧向增设一段护轨,用于保护叉跟尖轨的薄弱断面;尖轨、长心轨、翼轨通过锻压与68 kg/m钢轨顺接。     

转辙器部分轮轨接触应力分析

以客运专线18号道岔为例,选取磨耗型踏面车轮,建立弹性基底约束条件下的道岔区转辙器部分轮轨接触计算模型,对尖轨轨头顶宽20~50 mm范围内轮载过渡区,尖轨及基本轨的轮轨接触应力进行了较为详细的分析。     

无缝道岔养护维修中存在的问题及对策

无缝道岔养护维修中发现直尖轨拉成旁弯,尖轨中部轨距减小,直基本股钢轨有较大的附加温度应力,道岔前后钢轨锁定轨温失控,岔前与限位器间实际锁定轨温严重超限等问题。文章提出通过改进无缝道岔结构方式,及无缝道岔单元管理方式解决道岔存在的问题。     

增加道岔尖轨轨下弹性对轮-岔动力性能的影响

通过建立道岔垂向几何及刚度不平顺激扰模型，运用车辆一轨道耦合动力学理论，模拟计算了提速列车对提速道岔的动力影响。比较了提速道岔尖轨轨下增加弹性后提速列车对道岔的动力作用，并进行了现场测试。结果表明提速道岔尖轨轨下增加弹性后能减轻基本轨至尖轨区过渡段轮一岔垂向相互作用，有效地改善道岔的动力性能，延长滑床板及道岔的使用寿命。     

尖轨轨下采用弹性滑床板对轮轨动力性能影响

通过建立道岔垂向几何不平顺及刚度不均匀激扰模型 ,运用车辆 轨道耦合动力学理论 ,模拟计算了提速列车对提速道岔的动力影响。详细比较了提速道岔尖轨轨下采用弹性滑床板后提速列车对提速道岔的动力作用性能 ,并进行了实验验证。结果表明 ,提速道岔尖轨轨下采用弹性滑床板后可大大减轻基本轨至尖轨区过渡段轮 /岔垂向相互作用 ,有效地改善道岔的动力性能 ,延长滑床板及道岔的使用寿命。     

有轨电车6号单开道岔刚度均匀化研究

应用有限元软件建立有轨电车6号单开道岔轨道刚度仿真模型,研究岔区刚度分布规律及其均匀化措施。研究结果表明,列车直向、侧向过岔时,在轨道的横向和纵向均存在较大的刚度不平顺。其中以辙岔区段不平顺幅度最大,转辙器部分次之,连接部分最小。根据所得规律提出有轨电车6号道岔刚度均匀化具体措施,与刚度均匀化之前对比发现,刚度均匀化之后列车直向和侧向过岔的最大里轨与基本轨刚度比均有所下降,直基本轨、直向里轨、曲基本轨、侧向里轨的刚度最大纵向变化率降低,轨道整体刚度不平顺有明显改善,可以满足有轨电车在站线或折返线的运输组织要求。     

轮轨润滑对高速道岔曲尖轨磨耗的影响研究

研究目的:为研究轮轨摩擦系数匹配对曲尖轨磨耗的影响,本文以18号高速道岔为例,结合车辆-道岔耦合动力学仿真计算,研究不同轮轨摩擦系数匹配下,车辆通过转辙器部分时的系统动力响应和轮轨磨耗特性,以期在保证车辆安全通过道岔的前提下,为降低曲尖轨磨耗、延长曲尖轨使用寿命,提供合理的轮轨摩擦控制方案。研究结论:(1)轮轨摩擦控制能有效减缓曲尖轨磨耗,两侧轮轨摩擦系数由0. 4降低到0. 1～0. 25,则钢轨侧磨将减小45%～76%;(2)相比于单侧轮轨润滑,双侧轮轨润滑下,曲尖轨侧磨降低可达40%;(3)轮轨摩擦控制对行车舒适性几乎没有影响,但当轮轨摩擦系数较低时,脱轨系数为0. 65,接近安全限值0. 8;(4)建议对服役道岔转辙器部分两侧钢轨进行润滑,保证基本轨侧摩擦系数不大于尖轨侧,以减缓曲尖轨磨耗,延长曲尖轨使用寿命。     

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。     

高速铁路道岔钢轨材质及强度等级选用研究

针对高速铁路道岔关键部件使用中存在磨耗快、出现剥离掉块等问题,通过对钢轨材质性能对比及配套技术研究,再综合考虑道岔使用情况,尤其参考新铁德奥350HT在线热处理钢轨道岔使用情况的基础上,为了进一步延长道岔使用寿命,简化道岔生产,便于现场更换,提出高速铁路道岔用轨选用建议:全部采用在线热处理钢轨(U71MnH G或U75VHG)制造高速铁路用道岔,包括道岔基本轨、尖轨、心轨、翼轨和导轨。同时建议尖轨、心轨的跟端锻造热处理要采用电感应加热、轨头喷风冷却的锻后热处理工艺,岔区铝热焊剂的选用要与在线热处理钢轨硬度相配套。     

高速列车型面不同磨耗状态下的过岔性能研究分析

基于车辆-道岔耦合系统动力学理论,以国内某型号动车组和客运专线18号道岔为对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,分别计算与分析高速列车车轮磨耗状态下轮岔作用及对车辆过岔动力学性能相关问题。模型中考虑了车辆悬挂力元非线性、轮轨接触几何非线性特性等非线性因素,采用更贴合实际的轮轨非椭圆多点接触算法研究高速列车不同运营里程下的型面磨耗对列车通过道岔区间的动力学性能影响。结果表明:型面磨耗会导致轮轨垂向力增大,横向力减小;对车体、构架和轮对垂向振动特性影响大于横向振动特性;对脱轨系数影响较小,对磨耗功率和轮重减载率影响较大;对道岔钢轨振动特性影响横向大于垂向。     

地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度动力分析

研究目的:为研究地铁曲线尖轨道岔的不可逾越速度,本文以地铁9号曲线尖轨道岔为例,基于轮轨接触几何算法和车辆-道岔系统耦合动力学仿真计算,在综合考虑车辆侧向过岔时的安全性及平稳性的基础上确定曲线尖轨道岔的不可逾越速度,以期为列车折返能力的提高和城际轨道交通道岔的设计提供技术支持与储备。研究结论:(1)在尖轨顶宽40 mm时标准LM车轮型面与轨道接触点分布已经过渡到尖轨上,而磨耗状态LM车轮型面与钢轨的接触点分布可能在基本轨上或者尖轨上,轮载过渡位置延后;(2)车辆过岔时主要以车体横向加速度为控制指标确定不可逾越速度,因此在地铁车辆运行过程中可对车辆横向加速度进行实时监测,作为车辆运行安全性和平稳性的监测指标;(3)标准LM车轮型面时地铁9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为50 km/h,磨耗状态LM车轮型面时9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为45 km/h;(4)通过提高地铁车辆ATP顶篷速度来提高ATO速度,可缩短发车时间间隔,提高列车运行速度和对运量的储备;(5)通过对地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度的分析,可对地铁车辆运行安全性和平稳性进行监测,并针对列车行车间隔加密后可能引起折返能力不足的问题,为道岔提速研发提供理论支持。     

高速道岔关键技术试验研究

对岔区轨道刚度合理取值及均匀化技术、尖轨降低值优化技术、转辙器运动学轨距优化技术、侧线线型设计技术对动车组高速直、侧向过岔平稳性的影响进行了试验研究。研究结论如下:为保证旅客乘坐舒适性,必须结合采用的扣件特点选择合适的岔区轨道刚度,刚度均匀化在理论上可以实现,实际上受施工质量以及道岔精调状态等因素影响;尖轨相对于基本轨的降低值决定了轮轨垂直力在尖轨和基本轨间的过渡范围及过渡比例,并直接影响列车过岔平稳性,降低值过大会严重影响道岔平顺性及降低行车平稳性;是否采用运动学轨距优化技术对道岔平顺性无显著影响,客专线道岔不采用运动学轨距优化技术是有试验数据支撑的;动车组侧向通过42号和62号道岔的车体水平加速度实测最大值小于1.5m/s2,符合技术条件要求,和设计预期一致。