重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生影响因素

基于临界平面理论的钢轨疲劳裂纹萌生预测模型,建立轮轨三维瞬态滚动接触有限元模型;模拟重载铁路的轮轨接触状态;分析不同轨底坡(分别为1∶40,1∶30,1∶20,1∶10)和不同摩擦系数(分别为0.25,0.30,0.35,0.40,0.50)对轮轨接触状态和钢轨疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:轨底坡为1∶40时,采用以上钢轨预测模型得到的钢轨疲劳裂纹萌生位置与现场观测结果基本吻合;轨底坡对轮轨接触斑的位置及应力状态影响较大,LM型踏面车轮与75 kg·m-1钢轨在轨底坡为1∶20时更为匹配;随着轨底坡增大,钢轨疲劳裂纹萌生时的通过总重先增大后减小,轨底坡为1∶20时达到最大;随着摩擦系数增大,钢轨疲劳裂纹越容易萌生。     

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响,通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型,分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头(包括轨距角)的应力-应变响应,定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响,并比较导向轮和非导向轮对FP的影响。仿真结果表明,考虑轮轨蠕滑的情况下,钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态,疲劳参量FP主要是由剪应力-应变部分作用产生,对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式;FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°~140°夹角,在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°~50°夹角;导向轮作用下的FPmax要远远大于非导向轮作用下的FPmax。     

轨底坡和轨头廓面对钢轨接触疲劳伤损的影响研究

LM型货车车轮分别与我国60 kg/m钢轨和美国136RE牌号钢轨匹配条件下,60 kg/m钢轨1:40轨底坡时,轮轨接触斑面积比1:20轨底坡的面积小;美国136RE牌号钢轨在1:40轨底坡条件下的轮轨接触斑面积与60 kg/m钢轨在1:20轨底坡时接触斑面积相当.铺轨试验结果表明,60 kg/m钢轨在1:20轨底坡时,接触疲劳伤损明显比1:40轨底坡轻;SS钢轨在同样的1:40轨底坡条件下其伤损明显比U75V钢轨轻,实际使用寿命明显延长.     

轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响分析

研究目的:目前关于轨底坡对轮轨接触行为影响的研究很多,但轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响的相关研究还未开展。为分析轨底坡对我国高速车轮与60N钢轨的轮轨接触行为影响,基于迹线法和三维非赫兹滚动接触理论,分别研究不同轨底坡下高速车轮LMa、XP55、S1002G与60N匹配时的静态轮轨接触特性,包括等效锥度、接触带宽、轮轨接触应力和表面疲劳因子等。研究结论:(1)在1/10的轨底坡下,三种高速车轮型面与60N钢轨接触时表面疲劳因子大于零的情况居多,说明1/10的轨底坡易导致轮轨表面裂纹的出现,不适用于高速轮轨匹配;(2)LMa型面的接触带宽随轨底坡的减小而增大,轮轨接触应力随轨底坡变化不大,轨底坡为1/20时轮轨型面匹配较优;(3)当轨底坡为1/30时,XP55型面的等效锥度最大,使其拥有较好的轮对对中性能和曲线通过能力,轨底坡为1/30时轮轨型面匹配最优;(4)轨底坡对S1002G的等效锥度影响不大,轨底坡为1/20时的接触带宽较小,横移超过4 mm后1/20轨底坡下的轮轨法向接触应力较小,综合来看轨底坡为1/20时S1002G轮轨型面匹配较优;(5)本研究成果可为我国高速铁路轨底坡的设置提供参考。     

钢轨轨底坡对重载铁路轮轨关系影响的研究

为研究我国重载铁路钢轨轨底坡对轮轨关系的影响,计算分析不同轨底坡条件下,重型钢轨75kg/m(CHN75)与LM车轮踏面匹配时的静态轮轨接触参数.采用多体动力学软件SIMPACK建立我国重载货车模型,采用数值积分方法仿真计算两种轨底坡工况下车辆的曲线通过性能.分析结果表明,对于75 kg/m(CHN75)-LM接触副,与1/40轨底坡相比,采用1/20轨底坡时接触点的分布更为均匀、合理.当轨底坡由1/40增为1/20后,相同轮对横移量下的轮径差和接触角差均有所增大,改善了轮对重力刚度,提高了车辆的曲线通过能力;并使轮轨接触斑面积增大,降低了滚动接触疲劳发生的几率.为我国重载铁路轨底坡的取值提供参考.     

普速铁路钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生研究和检验

以普速铁路京九线不同曲线半径为研究对象,建立车辆-轨道动力学模型、磨耗和裂纹萌生预测模型;计算60N廓形在不同曲线半径条件下的轮轨接触状态,预测了不同曲线条件下磨耗发展率、裂纹萌生位置与寿命,并与京九线现场观测结果进行对比验证.研究结果表明:随着疲劳损伤的累积,不同曲线半径下钢轨的阶段磨耗发展率呈下降的趋势,其中曲线半径小(600 m)的磨耗发展率降低最快,随着曲线半径的增大,平均磨耗发展率降低趋势减缓;不同曲线半径下钢轨裂纹萌生位置均在钢轨表面以下1~3 mm处,横向位置在距离轨顶中心15~20 mm范围内,曲线半径600 m外轨裂纹萌生寿命大约为2.64×10^5次,内轨裂纹萌生寿命约为4.86×10^5次,与现场观测较为符合.     

随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

以现场实测轮轨力为样本,利用参数假设检验方法,确定轮轨力幅值和频率特征,进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。建立轨道结构的多跨连续梁模型,分析群载作用下钢轨受力情况,确定最大弯曲应力所在位置;利用子模型技术,取最大弯曲应力所处的一跨钢轨为研究对象,建立子模型,分析不同幅值下轮轨接触斑内局部应力情况。根据临界平面法思想,建立随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型。结合具体实例分析表明:在一定速度范围内,轮轨力符合正态分布;根据随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,预测U75V钢轨通过约560万吨总重时轨面萌生裂纹,与现场观察结果吻合。     

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。     

不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的静态接触分析

为研究我国地铁车辆常用的LM、S1002和DIN5573型面与60kg/m(CHN60)钢轨在不同轨底坡下的轮轨匹配关系,利用轮轨接触几何关系和轮轨非赫兹滚动接触理论,分析轨底坡对轮轨接触几何参数和轮轨接触力学特性的影响,从静力学分析的角度提出地铁车轮型面的最优轨底坡匹配。计算结果表明:1/20轨底坡下LM型面最大接触压力、等效应力和剪切应力等参数远小于现行的1/40轨底坡,直线段最优轨底坡为1/20,曲线段采用1/40轨底坡利于车辆的曲线通过,降低轮轨磨耗;S1002型面最大接触压力、等效应力和剪切应力等参数随轨底坡的减小而减小,轨底坡为1/40时轮轨型面匹配较优;DIN5573型面在轨底坡小于1/25时轨底坡对轮轨接触特性的影响较小,轨底坡在1/40~1/30范围内轮轨型面匹配较优。     

考虑非对称轨底坡的轮轨滚动接触应力分析

研究目的:针对我国地铁线路钢轨因施工误差导致的非对称轨底坡处易出现疲劳伤损现象,利用我国地铁车辆常用的LM型面与CHN60钢轨,基于轮轨接触几何关系和Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析非对称轨底坡对轮轨接触几何参数和轮轨接触力学特性的影响,揭示引起轮轨滚动接触疲劳的原因。研究结论:(1)随着轨底坡的减小,轮轨接触点对分布趋向于轨距角一侧,接触点对分布范围变窄,且轮轨接触斑面积减小,滑动区增大;(2)横移量小于4 mm时,右轨侧1/30、1/40、1/50三种轨底坡下的最大法向接触应力相差不大,但均明显高于轨底坡为1/20的值;在5～8 mm横移量范围内时,相同横移量下轮轨接触应力随着轨底坡的减小而增大;(3)同一横移量下轮轨体内最大等效应力值随着轨底坡的减小而增大,右轨侧轨底坡从1/20减小至1/50时最大等效应力均增加了60%左右,且等效应力沿纵向分布范围变窄,沿深度方向影响范围变小,等效应力作用趋于集中;(4)轨底坡的减小引起轮轨表层接触应力增大及轮轨体内等效应力增加,可能引起轮轨材料从表层到深度领域内的疲劳破坏,缩短轮轨的使用寿命;(5)本研究成果可为我国地铁线路检测、维修及轨底坡设置等提供参考。     

城市轨道交通线路钢轨剥落掉块分析与防治措施

对苏州轨道交通2号线钢轨剥落掉块地段进行调查研究,了解了钢轨剥落掉块的具体情况与原因。通过现场轨底坡调整实验与有限元计算可知,在小半径曲线地段将上、下股轨底坡均由1∶40调至1∶20后,曲线上股钢轨光带由内侧转移至钢轨顶部中间区域;轨底坡调整后,钢轨受力情况由偏荷载变成正荷载,其应力与变形量均减小;轨底坡调整前钢轨应力集中在钢轨内侧轨头弧度位置,与现场剥落掉块处相吻合,轨底坡调整后钢轨应力基本均匀分布于整个轨头,避开了现场剥落掉块处。因此建议在城市轨道交通钢轨剥落掉块预防整治时可以考虑在小半径(半径小于400m)曲线地段将轨底坡设置为1∶20,该措施可减少轮轨非正常接触,延缓剥落掉块的发展。     

钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究

高速铁路钢轨轨头非对称打磨有效地减缓了钢轨疲劳斜裂纹的形成与发展.利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT分析了钢轨轨头非对称打磨对轮轨接触斑行为的影响.结果表明,打磨后轮轨磨耗数有所增加,有利于预防钢轨疲劳裂纹的形成.     

简谐激励下轮轨非稳态滚动接触的蠕滑力特性

轮轨非稳态滚动接触是指接触斑内的质点在滚动接触过程中,接触斑的外形和其他参数产生快速变化的过程,这时运动波长L与接触斑纵轴半径a处于同一数量级。本文使用Kalker三维滚动接触理论计算轮轨蠕滑率、法向力、钢轨轨面接触几何简谐激励时的非稳态蠕滑力,并与由稳态滚动接触理论计算的结果进行比较。其结果表明:在小蠕滑状态下,非稳态滚动接触的蠕滑力随L/a(简称波长比)的增长而产生明显的幅值衰减和相位滞后。在蠕滑率和钢轨轨面接触几何简谐激励时,非稳态蠕滑力的变化规律可用波长比L/a的传递函数描述,而法向力情况却不能。对于短波波磨等非稳态滚动接触行为,应使用非稳态滚动接触理论进行分析。     

非对称轨底坡条件下地铁车辆动力学分析

利用多体系统动力学软件SIMPACK建立地铁车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合轮轨滚动接触疲劳预测模型,分析非对称轨底坡对车辆动力学性能、轮轨磨耗及滚动接触疲劳的影响。研究结果表明:减小外轨侧轨底坡会降低车辆的曲线通过性能,加剧轮轨磨耗,恶化表面疲劳性能;设置非对称轨底坡时,外轨动态响应主要与外轨侧轨底坡有关,受内轨侧轨底坡的影响较小;为减缓外轨磨耗及滚动接触疲劳,建议内轨侧轨底坡采用1/40、外轨侧轨底坡采用1/20。     

钢轨非对称打磨对车辆运行性能影响

针对钢轨斜裂纹特点提出钢轨非对称打磨技术以减轻和控制斜裂纹的形成与发展速率。利用SIMPACK动力学软件建立"蓝箭"号动车动力学分析模型,研究钢轨非对称打磨对列车运行性能的影响。研究结果表明:钢轨非对称打磨基本不影响车辆动力学性能和蠕滑行为;钢轨非对称打磨改变了轮轨接触几何参数,使轮轨接触点远离原内侧轨肩位置;钢轨非对称打磨通过改变钢轨廓形导致接触斑面积增大,明显降低轮轨最大接触应力;钢轨非对称打磨通过改变轮轨接触点分布和降低接触应力可减缓钢轨斜裂纹的萌生与扩展。     

60 kg/m钢轨和60N钢轨轮轨接触几何关系对比分析

为揭示我国新研究设计的60N钢轨的轮轨接触几何关系,运用常用的迹线法,以LM型和LMA型车轮踏面为例,对60 kg/m钢轨(简称60钢轨)和60N钢轨轮轨接触几何关系及其对轨底坡和轮对摇头的适应性进行详细研究。结果表明:相比60钢轨,60N钢轨与LM型和LMA型踏面匹配时,轮轨接触点在钢轨上位于钢轨中心位置附近,同时不会在钢轨轨距角附近出现轮轨接触,且在发生轮缘接触前,60N钢轨相比60钢轨对应的等效锥度随着轮对横移量变化很小,说明60N钢轨有效的改善了轮轨接触几何关系;同60钢轨,60N钢轨对于LM型车轮踏面,当轨底坡为1/20时匹配更佳,对于LMA型车轮踏面,当轨底坡为1/40时匹配更佳,而摇头角对60钢轨和60N钢轨的影响基本一致。     

重载铁路钢轨润滑及摩擦控制研究

钢轨润滑以及轨顶摩擦控制是重载铁路减轻钢轨侧磨以及伤损的有效措施之一。本文对比分析不同摩擦系数条件下,机车的曲线通过性能。分析结果表明,曲线外股钢轨轨距角处的润滑,有利于减小轮轨磨耗,与此同时,减小了机车的蠕滑导向力矩,从而增大了导向轮轮对冲角,轮轨横向力亦呈现增大趋势;曲线内轨轨顶摩擦系数适当减小对减小轮轨横向力起到积极作用。轮轨纵向蠕滑系数的增大,可明显提高轮对导向力矩,有利于轮对趋于径向位置,并减小横向力和轮对冲角,使得机车的曲线通过性能得到显著改善。     

地铁曲线段非对称轨底坡对轮轨匹配特性的影响

基于轮轨接触几何关系和轮轨非赫兹滚动接触理论,分析地铁曲线段存在的非对称轨底坡对不同车轮型面下轮轨接触几何特性和接触力学特性的影响;采用SIMPACK软件,建立某B型地铁车辆动力学模型,基于USFD磨耗函数建立车轮磨耗预测模型,研究非对称轨底坡对3种车轮型面下车辆曲线通过性能和车轮磨耗的影响。结果表明:外轨轨底坡固定为1/40时,内轨轨底坡的增大使内轨侧轮轨接触点分布偏向名义滚动圆外侧,从而增大了滚动圆半径差,改善了车辆曲线通过性能,但对不同型面车轮的改善程度不同;内轨轨底坡的增大对外轨侧轮轨接触力学特性无明显影响,但对S1002和DIN5573型面车轮的内轨侧法向压应力有增大作用,且内轨轨底坡增至1/10时LM型面车轮的内轨侧法向压应力才明显增大;对于LM型面,外轨轨底坡为1/40、内轨轨底坡为1/20或1/10时可明显减缓轮缘磨耗,内轨轨底坡设置在1/20附近较合适;对于S1002和DIN5573型面,非对称轨底坡对轮缘磨耗的影响较小。     

减缓曲线钢轨侧磨的机理与措施

根据轮轨接触理论，通过调整内轨轨底坡以取得机车车辆通过曲线时，轮轨接触合理的几何匹配，是减缓曲线钢轨侧磨的有效措施之一。     

轨道参数对单轴转向架曲线通过性能的影响

为研究轨道参数对单轴转向架曲线通过性能的影响,运用SIMPACK软件建立了单轴转向架车辆动力学模型,采用轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等作为评价指标,对曲线半径、超高、轨距等轨道参数进行仿真分析。结果表明:曲线半径、轨距和轨底坡对车辆运行性能的影响较为显著,随着曲线半径的增加,各项指标最大值均减小,增大曲线半径能够提高钢轨的使用寿命;曲线上设置适量欠超高能够改善运行性能,提高车辆安全性;小半径曲线上适当加宽轨距和增大轨底坡可以减小轮轨作用力,提高车辆曲线通过性能,减轻轮轨磨耗,延长钢轨使用寿命。