兰新客运专线动车组车轮多边形磨耗的机理

由于兰新客运专线的线路复杂环境,动车组车轮多边形磨耗现象严峻,加大了列车运行过程中的轮轨作用力,影响了乘客舒适性,给高速列车的安全运行造成极大威胁. 为解决上述问题,基于长期跟踪客运专线获得的车轮多边形磨耗规律以及摩擦自激理论的观点,建立了轮对-钢轨-轨道板摩擦耦合自激振动模型,通过复特征值分析方法来研究车轮多边形磨耗的形成原因及其发展规律. 研究结果表明,在直线线路上,轮轨间蠕滑力饱和引起的摩擦自激振动易导致车轮第15～16阶多边形磨耗;在制动系统和轮轨系统耦合的情况下,动力轮对和非动力轮对对应的不稳定振动频率分别容易引起第23～24阶和第22～23阶车轮多边形磨耗;轮轨之间的黏着系数变大可能是导致冬春季车轮多边形发展速度较夏季快的重要原因.      

车轮多边形对重载机车轮轨相互作用及接触损伤的影响分析

为了研究重载机车轮轨接触损伤问题，建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型，研究车轮多边形与多种轨面摩擦条件下的机车轮轨系统动态相互作用行为.在此基础上，建立基于轮轨系统动力学响应的车轮踏面疲劳损伤预测模型，研究制动工况和轮轨接触表面变摩擦条件下车轮多边形磨耗对车轮表面磨损的影响.结果表明：严重的车轮多边形磨耗不仅加剧轮轨动态相互作用，也会增大轮轨接触界面磨耗损伤；在干燥接触条件下，车轮多边形会加剧车轮踏面疲劳损伤，车轮多边形导致机车第1位轮对和第4位轮对的损伤指数波动范围较正常车轮损伤指数的波动范围增大19.59%和39.43%；在低黏着接触条件下，车轮多边形会加剧车轮磨耗，车轮多边形导致轮轨蠕滑力波动增大5.85倍，使得机车第1位轮对和第4位轮对的磨耗数波动范围增大6.44倍和6.22倍.     

高速列车驱动车轴动态特性分析

将车轮和轴箱分别简化为集中质量和转动惯量,用连续弹性Timoshenko梁模拟变截面车轴,建立弹性轮对与轨道耦合垂向动力学模型,分析车轴动态刚度与轮轨作用力、车轴自身振动特性和车轴动应力的相互关系。发现:轮对的一阶和二阶固有频率分别由76.34Hz和130.03Hz降低到53.68Hz和100.02Hz,车轴的一阶模态振动加速度和弹性振动位移分别增加60.12%和92.21%,轮轨动作用力增加6.23%,车轴轮座内侧和轴颈危险截面的动应力分别增加39.30%和34.13%。分析结果表明:轮轨动作用力和车轴的动应力随着车轴动刚度的降低而增加,因此,提高轻量化轮对的固有频率和动态刚度能保证高速列车安全运行和提高车轴疲劳强度。     

中国高速列车车轮多边形磨耗特征分析

车轮失圆问题广泛存在于我国高速列车，对列车乘坐舒适性和运行安全性有显著影响.从2011年至2020年，测试了12条高铁线路中9种型号高速动车组的车轮不圆度，包括200、250、300、350 km/h 4种运营速度，共3.05万个车轮；对车轮不圆度测试数据进行特征分析，掌握我国高速动车组车轮多边形磨耗的发展规律；分析影响车轮多边形发展的关键因素，包括车辆轴距、轨道结构和研磨子修形.结果表明：高速动车组车轮存在10～30阶多边形磨耗，多边形波长为90～288 mm，且在100～178 mm波长范围的多边形磨耗最为严重；车辆轴距、扣件类型和环境温度与车轮多边形磨耗形成密切相关，通过改善研磨子和车轮踏面匹配关系，保证踏面横向和圆周处于良好的磨耗状态，使高阶车轮多边形粗糙度水平最大下降60%.     

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.      

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。      

车轮非圆化磨耗问题研究进展

高速铁路在我国迅速的发展,显著改善了人民的出行方式和质量,大幅度缩短了出行周期,充分提高了工作效率.我国的高速铁路网已成为"国民经济建设高速发展的大动脉",但运营中的高速列车车轮因连续磨耗和定期的镟修,轮径不断缩小且在缩小的不同阶段发生不同程度的非圆化磨损现象,某些阶段还十分严重.列车车轮非圆化磨耗会使轮轨间作用力显著增大,导致铁路车辆和轨道产生强烈的振动和噪声,影响车辆的运行品质、旅客乘坐舒适度和车辆-轨道系统零部件的使用寿命,严重时将会威胁到行车安全.车轮各类非圆化磨耗类型,主要分为局部非圆化磨耗和全周非圆化磨耗,其中局部非圆化磨耗主要包括扁疤、剥离、脱层、塌陷等局部异常磨耗,全周非圆化磨耗主要为车轮多边形磨耗.近几年,在我国各类型高速动车组列车上均发现车轮多边形磨损,在车轮全寿命周期内的不同轮径情况下,多边形磨损的边数（波长）和发展速度不同,已经越来越受到行业内相关研究人员的重视.文章详细地综述了国内外对铁路车辆车轮非圆化磨耗的研究历史和现状,涉及到相关研究文献75篇,对车轮非圆化磨耗的研究主要分为3个方面:（1）车轮非圆化磨耗对车辆/轨道系统动力学行为、车辆噪声的影响研究,大量研究表明车轮非圆化幅值、波长、车速和轴重等因素对车辆/轨道系统动力学行为和车辆噪声均有显著的影响.（2）列车车轮非圆化磨耗发展规律研究和列车车轮多边形磨耗机理研究.车轮多边形磨耗产生的根源在于转向架系统的高频柔性共振,系统的共振频率、列车速度和车轮的周长在满足一定的条件下,车轮多边形磨耗发展速率较高,轮轨滚动接触界面严重的不平顺激励,将促使多边形磨损萌生和发展.到目前为止,对于车轮多边形磨耗发生和发展的机理,国内外仍众说纷纭,未达成共识,尚待开展进一步的研究工作.（3）列车车轮非圆化磨耗检测技术相关研究.最后,对该领域今后的研究方向进行了展望:发展车辆轨道刚柔耦合动力学模型再现车轮多边形演化过程,多边形形成的机理;通过改变运营方式来抑制多边形发展速率;研究车轮智能踏面修形器来消除或抑制车轮多边形的发展.      

地铁直线段轮对横移量对轮轨磨耗的影响

利用轮轨型面测量仪对北京地铁六号线轮轨型面进行现场实测,采用样条曲线拟合方法获得并选取磨耗轮轨型面,利用有限元分析软件ABAQUS建立四组轮轨三维有限元模型,计算并分析了不同轮对横移量下轮轨间接触斑和最大等效应力分布状态,研究轮对横移量对直线段轮轨磨耗的影响,分析结果表明:地铁直线段不同轮对横移量下标准轮轨接触斑较规则,多数非标准轮轨接触斑呈"斑条"状,接触斑面积一般在轮对横移量-8、4和6 mm时较大;轮对横移量8 mm处,标准车轮与磨耗钢轨接触应力过大,钢轨轨距角处易产生应力集中,发生塑性变形;不同轮对横移量下磨耗车轮/标准钢轨匹配接触斑面积较大,最大等效应力较小,对减缓轮轨磨耗十分有利.     

不同磨耗阶段轮轨型面匹配下重载货车的动态性能

应用轮轨型面测量仪在大秦重载线路上跟踪测量了不同磨耗阶段的轮轨型面,基于这些轮轨型面,应用多体动力学软件SIMPACK建立C80重载货车模型进行仿真计算,分析轮轨型面对重载货车动力学性能的影响．结果表明：在运行平稳性和稳定性方面,标准LM型车轮型面最佳,且随着车轮磨耗量的增加,平稳性和稳定性逐渐降低;在曲线通过性能方面,各个阶段的车轮型面都达到了评价标准,脱轨系数和轮重减载率都随着轮轨的磨耗而减小;轮轨横向力随着车轮的磨耗而逐渐减小;标准LM型和Ⅱ型车轮型面的磨耗功率较小,与磨耗稳定期钢轨相匹配能相对降低车轮的磨耗速率．     

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.      

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。      

尖轨磨耗与加强技术研究

针对重载道岔尖轨磨耗问题,利用轮轨型面测量仪测量不同磨耗时期的机车车轮型面,建立机车车轮与不同位置道岔尖轨三维有限元接触模型,进行弹塑性计算,分析不同轮轨匹配状态与尖轨磨耗规律,研究尖轨加强技术对轮轨匹配的影响.计算结果表明:标准轮轨接触时,尖轨上接触斑呈狭长条状,接触面积小,尖轨2 m位置处等效应力达到最大值790.8 MPa,其磨耗情况最严重;不同磨耗车轮与尖轨接触时,磨耗中期车轮与尖轨接触情况较好,磨耗末期车轮与尖轨接触情况较差,使得尖轨磨耗加剧;采取切削基本轨加厚尖轨的技术,可提高轮轨之间的接触斑面积,减小其等效应力,进而提高尖轨的使用寿命.     

地铁列车车轮踏面磨耗规律探讨

为了研究地铁车辆踏面磨耗的变化规律,持续跟踪测试了某线路地铁列车车轮踏面磨耗数据,并统计分析了运用工况下车轮踏面磨耗的数据特征.与CN60KG钢轨匹配,对比分析了踏面磨耗对诸如等效锥度和接触点等轮轨匹配参数的影响趋势.轮轨匹配特性分析表明:踏面磨耗将造成等效锥度增大.特别是右侧车轮踏面磨耗偏大,且呈现了轻微的轮对偏磨现象.根据地铁线路条件,有必要考虑地铁列车转调运用以合理延长镟轮修程.     

轮对磨耗对地铁车辆稳定性的影响

使用车辆动力学软件SIMPACK建立了广州某地铁车的辆车辆动力学模型,通过对地铁轮对磨耗规律的分析,使用AUTO CAD制作了轮缘厚度为30的少量磨耗的轮对和轮缘厚度为28的大量磨耗的轮对,然后导入到车辆动力学模型中。分析了车轮磨耗对轮轨接触的蠕滑力/率的影响,发现随着磨耗程度的增加,蠕滑力/率均增大。通过SIMPACK软件的仿真计算得出地铁在不同磨耗下的非线性临界速度,仿真结果是:非线性临界速度随磨耗程度的增加逐渐减少,所以地铁运行的稳定性也是逐渐减小。     

车轮扁疤引起的车轴附加载荷的仿真研究

采用改进的轮轨冲击简化模型，对车轮扁疤引起的车轴附加载荷进行了系统的仿真研究，并对提速后货车车轮扁疤检修规范的修订提出了建议。     

轨道车辆车轮多边形研究进展

针对轨道车辆普遍存在的车轮多边形问题, 从轨道车辆的稳定性、曲线通过能力、平稳性三方面阐述车轮多边形对轨道车辆动力学性能的影响, 从疲劳寿命角度评价车轮多边形对车辆-轨道系统零部件的影响; 基于轮轴和轨道结构特性、轮轨间动力作用、车轮材料及加工工艺方面研究, 对车轮多边形形成机理进行了归类; 归纳了车轮多边形产生的影响及其成因, 概括了现有车轮多边形检测与控制方法; 提出了车轮多边形研究展望, 为后续车轮多边形问题研究提供参考。研究结果表明: 车轮多边形会威胁到车辆系统稳定性, 降低车辆的曲线通过性能及车辆平稳性, 影响了旅客乘坐舒适性, 并对车辆-轨道零部件产生共振疲劳损伤; 轮轴共振是引起低速车辆车轮多边形的原因之一, 钢轨在外部激励下的响应以及局部模态与车轮多边形的形成也有必然联系, 轮轨摩擦振动则普遍适用于解释所有轨道车辆车轮多边形的产生, 车轮自身材质特性及制造镟修工艺也是车轮多边形现象发生的潜在因素; 动静态检测是处理车轮多边形现象的方法之一, 另外就是通过优化车辆-轨道系统结构、加强车轮生产工艺、对车轮踏面圆度及时修正等措施实现对车轮多边形现象的控制; 目前, 镟修仍是车轮多边形最直接处理手段, 应当改善镟修工艺。      

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象,基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究. 分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型,确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况;根据动力学仿真所得轮轨接触参数,建立轮对-轨道-轨枕有限元模型;采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性. 研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时,导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和;轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%,轮轨接触角的偏差小于5%;相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%;缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性,故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.      

基于改进EEMD和WVD联合时频分析的车轮多边形状态识别方法

为了准确识别高速列车车轮多边形状态以及磨耗幅值,提出了一种改进的聚合经验模态分解(EEMD)与魏格纳-威尔分布(WVD)相结合的随机振动信号联合时频分析方法;利用相关系数法和频谱分析来评估筛选轴箱振动加速度信号经EEMD分解后的变量,然后进行WVD计算,在保持WVD高时频分辨率的同时可有效抑制交叉干扰项;应用该方法分析了周期性车轮多边形磨耗与现场实测随机车轮多边形磨耗引起的轴箱振动加速度信号。研究结果表明:利用EEMD-WVD二维时频谱的主频率可识别车轮多边形状态,利用EEMD-WVD三维时频能量谱的能量幅值分布可评估车轮多边形磨耗幅值,最大误差为0.3%;将改进EEMD和WVD联合时频分析方法的识别结果与短时傅里叶变换、小波分解、WVD传统时频分析方法进行对比,表明此方法应用时无需改变任何参数,自适应强,保留了WVD高时频分辨率的特点,而且可有效抑制EEMD产生的模态混叠现象和WVD产生的交叉干扰项,验证了所提出联合时频分析方法的有效性及其优势,为高速动车组车轮多边形识别和评估提供了新的技术途径。      

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响,分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析,通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型,分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响,并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验,在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验;对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验,论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明:在钢轨波长为120 mm,车轮多边形为20阶,钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下,当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m-1增加到200 MN·m-1时,钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变,在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下,轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响;随着疲劳试验次数的增加,轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降,退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变,芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹,开胶和裂纹深度不大于5 mm,橡胶本体均无裂纹,各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。      

不同模式低地板车辆动力学及车轮磨耗分析

为降低70%低地板有轨电车的车轮磨耗,分析了刚性轮对与独立旋转车轮的导向机理,建立了拖车采用传统刚性轮对与拖车采用独立旋转车轮的两种车辆模型,计算了两种车辆模型在不同工况下的动力学性能,并根据Archard磨耗模型对比分析了两种模式下的车轮磨耗情况. 计算结果表明:车辆直线运行时,拖车采用刚性轮对的车辆稳定性及横向平稳性较好,车轮磨耗位置居中且磨耗量小于独立旋转车轮;车辆运行于大半径曲线时采用刚性轮对的车辆曲线通过评价指标较好,磨耗量较独立旋转车轮小;随着曲线半径的减小,采用刚性轮对的车辆曲线通过性能迅速恶化而采用独立旋转车轮的车辆各指标变化幅度较小,在半径为100 m及以下的曲线时,采用独立旋转车轮的车辆曲线性能更优且车轮磨耗小于刚性轮对,特别在曲线半径为25 m时,独立旋转车轮磨耗量仅为刚性轮对的60%左右,拖车采用刚性轮对的车辆在直线及大半径曲线时性能较优,拖车采用独立旋转车轮的车辆更适用于小半径曲线.