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.     

轨道参数对高速道岔轮轨接触行为的影响

为研究60N钢轨350 km/h 18号高速道岔合理的轨距和轨底坡,利用60N钢轨高速道岔关键断面和实测LMA磨耗车轮,基于迹线法原理和Kalker三维非赫兹滚动接触理论,分析不同轨距和轨底坡参数下的轮轨接触几何和力学特性,并与CHN60钢轨高速道岔计算结果进行对比. 结果表明:在保证安全的前提下适当将轨距加宽可改善轮轨匹配关系,提升列车过岔平稳性,减小轮对横移量大于8 mm时的轮轨接触应力和表面滚动接触疲劳因子,延长尖轨使用寿命;轨底坡为1/30、1/40和1/50时,轮轨接触参数相差较小,匹配性能较优;轨底坡为1/10和1/20时,横向不平顺和轮轨滚动接触疲劳因子普遍较大,且1/10轨底坡对车轮磨耗的适应性较差;与CHN60钢轨高速道岔相比,60N钢轨高速道岔的等效锥度普遍更小,列车过岔平稳性更优;车轮磨耗易导致车轮在轮轨过渡区段空转,引起尖轨伤损.      

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.      

磨耗状态下城际动车组轮轨曲线磨耗特性

以CRH6A城际动车组为研究对象，基于实测磨耗后轮轨型面，利用多体动力学软件Universal Mechanism建立了车辆动力学模型，计算了通过曲线时的轮轨力与轮对位置参数；在非线性有限元软件ABAQUS中，基于任意拉格朗日欧拉方法建立了轮轨三维滚动接触模型，计算了轮轨接触应力特性和滑移特性；基于Archard磨损模型，提出一种车轮表面接触区域磨损速率快速计算方法，研究了新轮、磨耗初期车轮和磨耗到限车轮与新轨、磨耗后钢轨相互作用下，车轮通过曲线时接触区域磨损特性。研究结果表明:新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮和新轨、磨耗到限车轮与新轨相互作用下最大法向接触应力分别达到了2 017、1 803和1 668 MPa，比新轮和新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨、磨耗到限车轮和磨耗后钢轨3种作用下最大接触应力高出20%以上；新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮与新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨相互作用下，轮轨间出现两点接触、三点接触，甚至四点接触；在多点接触下，轮缘处接触点表现出应力集中且磨损速率较高的特点，最大磨损速率分别达到2.60×10-5、3.82×10-5、3.52×10-5 mm·s-1，远高于新轮和新轨、磨耗到限车轮和新轨、磨耗到限车轮和旧轨3种作用下的磨损速率；磨耗到限车轮和新轨与磨耗钢轨相互作用下的磨损速率均相对较小，说明在磨耗后期的车轮磨耗相对较小；轨角磨耗会严重加剧新轮的轮缘磨耗，且磨耗初期车轮具有较高的轮缘磨损速率，应将车轮镟修周期和钢轨打磨周期相协调，并通过涂油等方式降低磨耗初期的轮缘磨损。      

车轮型面动态高速曲线通过性比较

为了有效选择高速车轮型面,通过车辆轨道系统动力学仿真得到轮对高速通过曲线的运动状态,利用运动状态参量进行三维轮轨接触几何特性与蠕滑率计算,用Contact程序进行轮轨非赫兹滚动接触计算,分析了LMa、S1002和XP55车轮型面高速曲线通过匹配特点。分析结果表明:LMa和XP55型面轮对运动参数曲线平滑,S1002型面出现大幅度波动,并产生蛇行运动;当轮对横移量为3.0~3.5 mm时,S1002型面轮轨接触点对产生约11 mm跳跃,正好处于钢轨型面R300、R80 mm圆弧过渡区;S1002型面接触斑基本处于滑动状态,LMa型面接触应力最小,XP55型面接触应力最大。可见S1002型面与中国60 kg.m-1钢轨不匹配,LMa型面匹配效果最理想,XP55型面匹配相对较好。     

轨底坡变化对高速车辆运行行为的影响

现有轨道精调和养护维修过程中往往只针对轨道的高低、方向、水平、扭曲等相关因素进行调整,对轨底坡的相关规定较少.对现有客运专线同一轨道的一段区间进行轨底坡现场测量,发现轨底坡变化较大.通过建立国内某时速250 km动车组车辆模型,考虑LMD车轮型面与标准60 kg/m(CHN60)钢轨匹配,分析了在同一轨道具有标准轨底坡...     

山区客运专线曲线区段钢轨磨耗量的仿真分析

以山区客运专线钢轨磨耗量以及运营安全性作为研究对象,数值仿真作为手段,仿真计算基于Kalker线性蠕滑理论,借鉴Elkins磨耗指数模型,考虑轨道不平顺,车轮踏面与钢轨型面及弹性地基影响,使用SIMPACK软件建立动车组模型仿真,计算了蠕滑率和蠕滑力的大小,讨论了曲线半径对蠕滑率、钢轨磨耗量、减载率及脱轨系数的影响。比较了不同曲线下,两种踏面的动力学性能。随着圆曲线半径减半,LMa（高速动车组踏面）的左轨磨耗量增大了大约6倍左右。从磨耗量和安全性的角度对山区客运专线设计方法提出建议。     

固定辙叉心轨轨顶降低值优化

为合理选取固定辙叉心轨轨顶降低值,基于车轮踏面在翼轨和心轨间过渡时的轮轨接触几何关系和动力相互作用,提出了心轨关键断面降低值的选取及评价方法.以LMA型车轮踏面列车直逆向通过60 kg/m钢轨12号固定辙叉式道岔为例,用该方法对心轨轨顶降低值进行了优化.结果表明:心轨关键断面降低值的确定,在满足固定辙叉区轮载过渡的安全性和心轨承载断面强度要求的同时,应提高列车运行的稳定性;断面降低值越小,产生的轮轨相互作用越小,有利于提高行车性能,但需考虑此时轮轨作用位置是否超出心轨结构承载能力范围;60 kg/m钢轨12号固定辙叉心轨顶宽20和50 mm断面处,可分别取3和0 mm降低值作为优选方案.      

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明:近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合,最大计算误差均在8%以内,验证了所建近场动力学模型的正确性;当裂纹萌生于钢轨轨头时,其启裂位置不在钢轨表面,而在钢轨表面以下约2 mm的位置,与现场观察结果一致,验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性;当车轮荷载位于钢轨跨中时,在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中,钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心,裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹,键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4,因此,增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命;当车轮荷载位于轨枕上方时,随车轮滚动状态的改变,钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。      

尖轨几何参数对轮轨弹塑性接触的影响

为研究尖轨几何参数对尖轨磨耗的影响,以轮轨型面测量仪在大秦线上测得的数据为基础,建立三维弹塑性接触有限元模型,研究LM型货车车轮与CHN75钢轨12号单开道岔曲线尖轨接触问题,详细的分析了不同轨底坡和尖轨轨头型面等多种工况下车轮与尖轨接触等效应力和接触斑变化.计算结果表明,1∶40轨底坡尖轨最大等效应力在不同位置变化波动较小,且应力值较小,更有利于LM踏面和尖轨接触时降低接触应力,减缓尖轨磨耗;型面改进优化后的尖轨各个位置接触斑面积得到大幅度提高,部分位置接触应力降低,很大程度上降低了滚动接触疲劳伤损和尖轨磨耗.计算结果为尖轨几何参数优化及设计,减轻尖轨磨耗,延长使用寿命提供了参考依据.     

高速动车组车轮踏面磨耗特征分析

为研究不同类型高速动车组车辆车轮踏面磨耗特征,探寻车轮发生磨耗后车辆运行性能的演变,以运行在武广客专上的CRH380A和CRH380B型动车组为研究对象,在线路数据统计的基础上,基于SIMPACK建立的高速动车组模型和编制的轮轨磨耗程序,对两类动车组车辆在一个镟修周期内的车轮磨耗特性及其对车辆运行性能的影响进行分析. 结果表明,该线路上运营的动车组车辆车轮磨耗特征主要表现为踏面凹槽磨耗,且CRH380A型动车组车轮踏面磨耗程度更为严重;在一个镟修周期内,由于车辆设计理念的差异,CRH380A型动车组车轮磨耗特征表现为磨耗范围较窄但磨耗深度较大,凹槽磨耗较为明显,而CRH380B型动车组则表现为磨耗范围较宽但磨耗深度较小,磨耗较为均匀;在运行2.5 × 105 km里程内,新轮状态下的CRH380A型动车组运行稳定性明显优于CRH380B型动车组,但在运营里程超过1.0 × 105 km后,由于受到车轮磨耗的影响,运行稳定性较CRH380B型动车组恶劣;同时,CRH380A型动车组车体最大振动加速度和平稳性指标分别为0.52 m/s2和2.26,均优于CRH380B型动车组的0.58 m/s2和2.38,但CRH380A型动车组脱轨系数和轮重减载率均为0.35,均大于CRH380B型动车组的0.14和0.28. 因此,在整个运行周期内,CRH380A型动车组车辆运行平稳性优于CRH380B型动车组,但运行安全性较CRH380B型动车组恶劣.      

地铁车辆轮轨型面匹配分析

为了分析地铁车辆常用的LM型踏面、内侧距1 358 mm和1 360 mm的S1002型车轮踏面分别与60 kg/m钢轨匹配特性.进行了轮轨接触几何、非赫兹滚动接触、车辆轨道耦合动力学计算.轮轨接触分析表明,LM轮轨接触点能够均匀分布于钢轨型面,轮对等效锥度随轮对横移呈增大关系,接触斑面积偏小、最大等效接触应力偏大、磨...     

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.      

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...     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明:车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。      

考虑尖轨变截面廓形的轮轨接触与磨耗分析

为研究尖轨变截面对曲尖轨轮轨接触行为和磨耗分布的影响,提出了一种适用于道岔区的三维非对称接触几何算法,该算法可计算车轮与曲尖轨间的真实法向间隙. 使用SIMPACK建立车辆-道岔多体动力学模型,获得仿真结果;利用考虑变截面的接触模型与英国谢菲尔大学提出的USFD磨耗模型计算曲尖轨磨耗. 研究结果表明:1） 以S1002CN车轮与12号道岔曲尖轨为例,轮对摇头角与尖轨变截面均会引起轮轨法向间隙沿接触斑纵向非对称分布,从而导致接触斑形状与应力沿接触斑纵向非对称分布;当摇头角为10 mrad,横移量为7.5 mm时,本文算法得到的接触斑面积比未考虑尖轨变截面和摇头角的简化算法所得结果大9.2%. 2） 以CRH3型车与12号曲尖轨道岔为研究对象,简化算法得到的最大磨耗深度为本文算法所得结果的0.75倍.      

滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响

在自行研制的小型轮轨滚动磨损实验机上,以CL60车轮钢和U71Mn钢轨钢配副为研究对象,通过控制轮轨的转速,研究滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响。结果表明:滑差对轮轨黏着特性存在显著影响,在所测试的若干工况下,随滑差增大,轮轨黏着系数增大;滑差影响轮轨的磨损量,随滑差增大,轮轨磨损量增加;轮轨表面硬度随滑差增大提高;不同滑差下轮轨表面磨损机制不同,纯滚动摩擦时轮轨以疲劳损伤为主;随滑差的增加,轮轨表面磨损机制由轻微的疲劳磨损转变为黏着磨损。此外,在相同滑差下,车轮表面损伤程度较钢轨严重。