车轮型面磨耗诱发高速铁路轮轨接触几何参数时变的规律

将轨道系统视为无质量的黏弹性力元,运用多体动力学软件UM建立CRH2型高速列车单个车体的车辆—轨道耦合动力学模型,并结合轮轨非椭圆滚动接触模型和车轮型面磨耗演变模型,以车轮最大磨耗深度为0.1mm作为车轮型面更新的条件,通过动力学仿真研究轨道系统振动、车辆悬挂力元非线性和轮轨接触几何非线性特性等影响下滚动圆半径差、等效锥度、接触角和接触点分布等轮轨接触几何参数的时变规律。结果表明:通过不同运营里程下车轮型面磨耗和名义滚动圆半径处磨耗仿真与实测的对比结果,验证了模型的准确性;随着运营时间的推移和运营里程的增加,车轮型面磨耗会对轮轨接触几何参数产生明显的影响:其中,等效锥度、滚动圆半径差和接触角在运营里程从0逐渐增加到10万km的过程中变化明显,而从10万km逐渐增加到20万km时变化渐缓,然后在从20万km逐渐增加到25万km的过程中车轮型面磨耗又进一步加剧,等效锥度、滚动圆半径差和接触角的变化幅度又急剧增加,轮轨接触点分布则随着运营里程的增加由一点接触逐渐向两点接触演变,车辆的动力学性能也随之下降。     

车轮磨耗对高速车辆侧向过岔动力学性能的影响

高速列车在长期运营过程中，车轮将发生随里程增加而不断增大的磨耗，为探究车轮磨耗对车辆侧向通过道岔时的动力学性能的影响，建立高速车辆-道岔耦合动力学模型，在综合考虑不同磨耗程度的车轮对转辙器区钢轨接触几何影响的基础上，研究具有不同磨耗程度车轮的高速车辆侧向通过道岔时对高速车辆动力学性能的影响。研究表明：随着车轮磨耗程度增加，高速车辆侧向过岔时的轮对运动姿态和车辆动力学性能发生较大变化，车轮运营里程达到20万km后，轮轨横向力较标准车轮型面减小了42%,车体横向振动加速度较标准车轮型面减小了16%,脱轨系数较标准车轮型面减小了38%;车轮发生磨耗后，车辆系统的动力学性能、行车安全性和舒适性均有一定程度改善。     

道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响

研究磨耗车轮通过道岔辙叉区的轮轨相互作用特性及控制摩擦因数减缓轮轨磨耗的措施,以CRH2型动车组和18号高速道岔辙叉区为研究对象,基于迹线法原理,计算不同运行里程的磨耗车轮与辙叉区钢轨特征截面的接触点分布。采用UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski的轮轨接触算法,计算不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗特性。研究结果表明：随着车轮磨耗加剧,岔区轮轨匹配趋向不良,接触点跳跃更为复杂、剧烈,跳跃宽度增大;车轮磨耗初期,轮轨动力学特性有所改善,车轮磨耗对横向力的影响较大;相对于标准新轮,运行里程为20.3万km的磨耗车轮通过辙叉区的轮载过渡位置延后0.134 m;减小轮轨摩擦因数会降低列车通过辙叉区的安全性和平稳性,但有利于减缓轮轨磨耗;当车轮运行里程达到20.3万km时,摩擦因数由0.55分别降低至0.45,0.35,0.25和0.15,钢轨磨耗指数分别下降6.3%,15.5%,34.0%和49.8%,钢轨润滑有利于减缓辙叉区钢轨磨耗,提高道岔区钢轨的使用寿命。     

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。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

轮径差对道岔区轮轨接触几何和车辆过岔走行性能的影响

高速列车车轮磨耗或加工误差引起不同车轮名义滚动圆半径偏差,在道岔区固有结构不平顺作用下,轮径差加剧轮轨系统动力性能。为揭示轮径差对高速道岔区车辆走行性能的影响,以某型高速动车组和客运专线12号道岔为主要研究对象,在综合考虑不同轮径差对岔区轮轨接触几何关系影响的基础上,建立了高速车辆-道岔耦合动力学模型,系统分析了高速车辆存在不同类型和幅值轮径差时通过道岔的稳定性、安全性和平稳性。结果表明,轮径差使轮载过渡位置提前;小轮径车轮位于尖轨侧时,轮对侧滚角增大,道岔固有横向结构不平顺变化剧烈。等值同相轮径差显著恶化车辆过岔走行性能,等值同相轮径差达2mm时,轮轨横向力和脱轨系数快速增大,车辆过岔易发生失稳,平稳性指标达到峰值。建议将同相分布同轴轮径差2 mm或反相分布同轴轮径差3mm作为运用限度,将同轴轮径差1.5mm作为一、二级检修限度。     

高速道岔辙叉结构不平顺动力学特性分析

通过分析高速道岔辙叉区测试数据发现,在辙叉区存在明显的轮轨冲击响应,部分情况下减载率瞬时峰值接近安全限值。建立高速道岔辙叉动力学模型,分析高速列车通过辙叉区时的动力学响应。结果表明:轮对通过辙叉区时轮轨接触点在翼轨和心轨之间进行转换,车轮滚动圆半径发生改变,轮对质心垂向位置在轮载过渡区急剧变化,高速行车环境下形成轮轨冲击荷载。通过设置合理的翼轨抬高值,可有效抑制轮对质心垂向位移,降低轮轨动力作用,从而改善辙叉区结构不平顺的动力效应。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于车辆走行性能的 9号直线型道岔允许通过速度研究

基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,考虑长期运营条件下车轮廓形磨耗,针对标准及磨耗后LM型车轮踏面和9号直线型道岔,对道岔区轮轨接触几何和车辆侧向通过道岔转辙器的走行性能展开评价,并分析9号直线型道岔的允许通过速度。研究结果表明:标准LM型踏面的轮轨接触关系优于磨耗后踏面,其允许通过速度高于磨耗后踏面。在相同的速度下运行时,标准LM型踏面的安全性,平稳性均优于磨耗踏面。在标准LM型踏面下运行,道岔侧向允许通过速度由车体横向振动加速度控制,为50 km/h;考虑实际运营条件下踏面磨耗,道岔侧向允许通过速度由脱轨系数控制,为40 km/h。     

高速动车组线路动力学响应特性研究

针对速度为300 km/h的高速列车开展线路长期服役动力学性能试验,研究车轮磨耗、稳定性、平稳性和振动特征等随运营里程、线路条件、环境温度和列车运行速度等参数的变化情况,揭示车辆在多个镟修周期内的时域、频域动态响应特性。跟踪测试里程达到100万km,测试不同运行里程下的车轮踏面廓形、钢轨廓形以及关键部件的振动加速度和悬挂系统位移,并采用统计均值、极大值、极小值和分位数等统计指标表达测试结果。结果表明:车轮磨耗和轮轨匹配等效锥度随运营里程线性增长,运行30万km踏面磨耗0.8 mm,平均磨耗速率0.18 mm/10万km,等效锥度约为0.30～0.35;磨耗后期的轴箱、构架加速度均方根增大2倍以上,但平稳性指标受车轮磨耗影响小。     

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。     

高速列车横向稳定性仿真分析

运用多体动力学软件UM,建立高速综合检测列车非线性动力学仿真模型.根据京沪高速铁路试验数据,对车体和构架的振动加速度以及在半径为9 000m曲线上的稳态轮轴横向力进行仿真,并与试验结果对比,验证仿真模型的准确性.应用该模型,分别分析车轮的设计型面、磨耗型面和镟修型面与CHN60钢轨接触的3种不同高速列车的横向稳定性.结果表明:在车轮镟修型面和设计型面的轮轨状态下,高速列车的横向稳定性指标相当;而车轮踏面的磨耗会降低高速列车的横向稳定性.调整轨底坡虽然可以改善磨耗型面车轮高速列车的横向稳定性,但同时又会导致设计型面和镟修型面车轮高速列车的横向稳定性恶化;8辆编组的高速综合检测列车各车辆之间的横向稳定性存在明显差异,且随着速度的增大这种差异也不断扩大,其中头车和尾车的横向稳定性比较差;车速为300 km·h-1以上时磨耗功率和轮轨磨耗急剧增大.     

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。     

尖轨廓形对地铁道岔使用寿命的影响研究

针对地铁折返线道岔伤损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,分析尖轨刨切部位轨距角半径对尖轨接触应力和内部应力的影响。模型中车轮型面采用实测磨耗状态LM型车轮型面。结果表明:轨距角半径从13mm增加到17mm,顶宽20mm断面接触应力最大值从1 170MPa增加到1 606MPa,其Von Mises应力最大值从528.33MPa增大至573.68MPa,进入塑性变形阶段,将导致尖轨的磨耗严重;顶宽35.5mm及其以上断面接触应力最大值变化较小,其Von Mises应力最大值却随之减小,且均处于弹性变形阶段;增大尖轨断面粗壮度可以改善其受力状态,延长使用寿命;综合考虑尖轨受力状态,轨距角半径为13mm时优于其他轨距角半径。     

基于随机抽样算法的道岔容许通过速度研究

研究目的:道岔侧向通过速度是影响地铁线路运输能力的重要因素,为探明地铁道岔侧向最大通过速度,以某地铁12号道岔为例,基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,结合拉丁超立方随机抽样方法,生成关键动力学参数随机样本,研究标准车轮与标准钢轨和磨耗车轮与实测钢轨匹配的轮轨接触几何特性和车辆-道岔系统动力响应,以及长期运营条件下道岔侧向容许速度。研究结论:(1)轮轨关系演变后,轮载过渡延后;(2)实测轮轨匹配下,道岔侧逆向容许通过速度比轮轨为标准设计状态时低2 km/h;(3)结合长期运营条件下轮轨实际状态,考虑车辆动力学参数的随机性,所分析的12号道岔侧向容许通过速度为55 km/h;(4)针对不同的地铁道岔,均可以通过实测轮轨型面,以及考虑车辆动力学参数的随机性的方法,探明既有道岔的侧向最大通过速度,提升地铁线路的运输能力。