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。      

考虑打磨量的重载钢轨打磨廓形优化设计

为在重载钢轨打磨廓形优化设计中最小化钢轨打磨量，建立了打磨量的钢轨廓形对齐及计算方法，设计以轮轨磨耗指数、轮轨接触应力以及钢轨打磨量为优化子目标的综合优化评价模型，并对不同优化策略的优化结果进行了分析. 首先，通过矩阵旋转变换、曲线拟合及样条插值等理论建立钢轨廓形自动对齐算法，并计算目标廓形打磨量；其次，考虑轮轨磨耗指数、接触应力以及钢轨打磨量，建立综合优化目标函数，采用遗传算法并联合车辆轨道动力学仿真模型求解优化钢轨打磨廓形；最后，运用所建立的钢轨廓形优化设计模型计算分析不同优化策略的设计结果. 研究结果表明:同时考虑轮轨磨耗、轮轨接触应力和钢轨打磨量，优化后曲线外、内轨廓形平均磨耗指数相比初始廓形下降68.9%，内轨接触应力下降39.1%，打磨量下降21.8%，优化效果最佳；只考虑轮轨磨耗和接触应力时，优化后曲线外轨廓形磨耗指数和内轨接触应力下降较为明显，但打磨量下降速率相对较慢，仅为11.3%；只考虑打磨量时，优化后钢轨廓形打磨量下降最快，为24.4%，但轮轨接触应力显著变大.      

动车组的轮轨型面匹配关系

为研究不同车轮踏面与不同钢轨型面的匹配关系,分别从轮轨接触几何参数、轮轨静态接触力学性能、车辆运行稳定性和磨耗方面进行对比分析.CONTACT轮轨接触模型和SIMPACK多体动力学模型的计算结果表明,由于60N轨面将轨头部分进行了改进,轮轨接触光带居中,车辆运行稳定性趋于优化;两种车轮踏面与60N轨面匹配时具有更优的黏滑区比例,能有效减小轮轨间的损伤和磨耗;LMA踏面和小位移下的S1002CN踏面与60N轨面匹配时接触应力较大,易造成较大的垂向磨耗;对于S1002CN踏面与60N轨面匹配的情形,在横移量4~8 mm时的接触应力小于其与60 kg/m轨面匹配时的数值,有利于降低曲线线路轮轨间磨耗.由此可见,60N轨面与动车组车辆踏面的接触关系更利于改善车辆的运行稳定性,但过于集中的轮轨接触点对加剧了钢轨的垂向磨耗.     

轮轨共形接触的有限元分析

建立了机车在曲线通过时,车轮轮缘贴靠钢轨过程的轮轨共形接触计算模型,采用有限元参数二次规划法求解轮轨接触问题,得出了不同接触位置、不同载荷工况下的轮轨接触力,详细分析了轮缘贴靠钢轨过程中接触力的变化规律,为解决轮轨磨耗问题提供了理论依据.     

地铁车辆曲线区段轮轨接触的有限元分析

建立了地铁车辆车轮与曲线区段钢轨接触的有限元模型,应用有限元参数二次规划法分析这一三维轮轨接触问题．对不同轴重和横向力作用下的轮轨接触模型分别进行计算,得出了大量的轮轨接触应力的分布及变化规律．这些计算结果将有助于找到缓解钢轨侧磨的方法．     

轨枕支撑硬点对轨枕动力响应的影响

采用35自由度的多刚体车辆系统与三层弹性离散点支撑轨道模型,建立了基于Timosh-enko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,应用新型显式积分法求解其运动特性。考虑钢轨横向、垂向和扭转运动对轮轨滚动接触几何关系的影响,分别由Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算了轮轨法向力和轮轨滚动接触蠕滑力。假设轨枕垂向支撑高度沿纵向非均匀分布来模拟轨枕支撑硬点,基于移动轨下支撑模型,分析了不同轨枕支撑硬点个数和高度对系统动力响应的影响。分析结果表明,轨枕支撑硬点对轨枕的动力响应影响显著。当硬点高度为1.0 mm时,最大钢轨/轨枕作用力约为正常状态下的2倍,最大钢轨/轨枕拉力约为正常状态的10倍,这将加速轨枕、轨下垫层及钢轨扣件状况的恶化。而支撑硬点个数对系统动力响应的影响很小。     

短轨枕区段钢轨吸振器对钢轨波磨抑制机理的研究

钢轨波磨是地铁轨道中最显著的损伤问题之一,迄今未能得到有效解决,其中钢轨吸振器对钢轨波磨具有良好的抑制作用,但其抑制机理尚不明确。根据重庆地铁1号线双碑—石井坡区间的现场调研结果,建立了短轨枕支撑小半径曲线的车辆-轨道系统动力学模型,分析了地铁车辆通过小半径曲线区段的动力学特性;结合现场测试和动力学分析结果,基于轮轨系统摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点,建立了轮对-钢轨-吸振器系统的有限元模型;采用复特征值法和瞬时动态法从频域和时域角度分析了钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制机理,对比了轨底吸振器和轨腰吸振器的抑制作用,分析了钢轨吸振器关键参数对钢轨波磨的影响规律。研究结果显示：钢轨吸振器能有效抑制轮轨系统的摩擦自激振动,进而抑制钢轨波磨的产生与发展,轨底吸振器与轨腰吸振器对钢轨波磨的抑制效果相近;同时在一定范围内增加了钢轨吸振器的质量比和连接刚度能降低轮对-钢轨-吸振器系统发生摩擦自激振动的可能性。     

小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨成因研究

结合现场测试发现的小半径曲线科隆蛋扣件区段内轨的钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动理论研究了该波磨现象的成因。首先,结合现场调研建立了车辆-轨道系统的动力学模型,根据动力学模型建立了相应的转向架-轮对-钢轨系统有限元模型。然后采用复特征值分析研究了轮轨系统的摩擦自激振动特性。最后采用控制变量法研究了一系悬挂垂向刚度阻尼和科隆蛋扣件刚度阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。研究结果表明：导向轮对与钢轨间的饱和蠕滑力引起的轮轨系统的摩擦自激振动是诱导小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨的主要成因。转向架-轮对-钢轨系统中一系悬挂的垂向刚度和阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响较小,而科隆蛋扣件参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响较为明显。随扣件垂向刚度的增加,轮轨系统的摩擦自激振动呈现先减小后增大的趋势。扣件垂向刚度为20 MN/m时轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小,同时增大扣件的垂向阻尼可以一定程度抑制轮轨系统的摩擦自激振动。     

小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法

为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形，对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导；以钢轨廓形几何参数作为设计变量，以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数，考虑钢轨打磨约束条件，提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型；基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序，并选择合理的计算参数求解了优化模型；根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性，并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明:提出的优化方法具有较快的计算速度，优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形；非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度，将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm，且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性，有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差，降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率，提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能；虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力，但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见，该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。      

轮轨纵向几何不平顺对直线电机地铁车辆动态行为的影响

为研究直线电机地铁车辆系统在轮轨几何不平顺激振作用下的动态行为,基于车辆-轨道系统耦合理论,建立了考虑直线电机子系统的地铁车辆-轨道耦合系统动力学模型.应用该模型研究了车轮非圆化、钢轨焊接接头几何不平顺以及钢轨波磨对车辆和直线电机系统的振动响应、轮轨作用力及车辆稳定性等特性的影响.研究结果表明,几何不平顺中长波(大于1 m)影响气隙波动,短波(小于1 m)造成轮轨剧烈冲击振动,需特别注意钢轨焊接接头,其可使轮轨作用力增大1.5倍,气隙降低2~3 mm,轮轨甚至发生分离.      

重载车辆-道岔耦合动力特性及岔区加强研究

为了保障车辆过岔的安全性并延长道岔使用寿命,基于刚柔耦合方法建立了精细化的车辆-道岔动力分析模型,研究了过岔方式、行车速度对车岔系统动力特性的影响规律,并对岔区设置轨距拉杆、改变岔区轨底坡、加宽尖轨及心轨断面3种措施的效果进行了评估.研究表明:设置轨距拉杆最大可以降低43.0%的轮轨横向力及5.1%的轮轨垂向力;当岔区轨底坡从1:40增加至1:20,直股线路 可降低10.7%的轮轨横向力及4.0%的轮轨垂向力,侧股线路轨可降低16.7%的轮轨横向力及14.8%的轮轨垂向力;尖轨、心轨断面宽度增加2 mm时引起的轮轨相互作用增幅最大为8.3%,但可降低18.8%的钢轨动弯应力.      

高速铁路无缝钢轨断缝瞬态冲击行为分析

无缝线路钢轨焊缝及其热影响区在温度力作用下可能发生钢轨折断形成断缝. 为了研究钢轨折断对列车运营安全的影响，对轮轨接触受力特性及其材料高频动态响应进行了分析. 首先，建立了ANSYS/LSDYNA三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型；然后，根据不同速度轮轨力时域响应规律，选择了合适的模型计算工况，并且通过计算轮轨接触受力特性和材料高频动态响应，分析了车轮跨越断缝的安全问题；最后，通过小波变换获取了车轮跨越断缝时轮轨力的频域分布. 结果表明:断缝处轮轨高频冲击力峰值随断缝长度变化先减小后增大，转折点处断缝长度与行车速度负相关；车轮通过断缝时，钢轨最大剪切应力超过材料破坏极限，易导致钢轨材料脆断；轮轨力时频图中存在两个特殊频率成分，分别对应高频冲击荷载（1 500 Hz左右）及二次冲击荷载（450 Hz左右），断缝长度对轮轨力频域分布影响较小.      

轮轨噪声预测模型研究进展

从轮对振动声辐射预测模型、轨道结构振动声辐射预测模型与轮轨相互作用预测模型等方面，总结了轮轨噪声预测模型的研究进展，阐述了主要的建模方法及其特点，给出了一些典型结果，并提出了需要进一步研究的问题。研究结果表明:在建立轮对在给定简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轮对简化为轴对称弹性体，轮对的振动响应通过一个2维的结构有限元模型来预测，而它的声辐射则通过一个2维的声学边界元模型来确定，这样的建模方法可以全面且方便地考虑轮对旋转所带来的陀螺效应和移动荷载效应；在建立轨道结构在给定的简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轨道结构简化为无限长周期结构，轨道结构的振动响应通过周期结构理论来分析，而它的声辐射则应用2.5维声学边界元来预测，这样的建模方法可以方便地考虑轮轨力沿轨道的高速移动并大大简化声辐射的计算；在建立轮轨相互作用预测模型时，可以利用轮对和钢轨在轮轨接触点处的频率响应函数或脉冲响应函数，这样的建模方法只以轮轨力为未知量，不但使得相应的微分方程或积分方程未知量少，而且完全考虑了轮对的旋转及沿轨道的移动；轮轨噪声预测还需研究的问题包括高速列车轮对的声辐射、高速轨道相对车体的声辐射、地下铁路轮轨噪声，以及包含降噪措施的轮轨噪声预测模型等。      

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.      

抑制轮轨摩擦自激振动的扣件结构多参数拟合研究

为研究扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响,基于轮轨摩擦耦合自激振动的观点建立了小半径曲线轨道整体道床支承的轮轨系统有限元模型;通过现场测试和数值仿真验证了轮轨摩擦自激振动模型,进而基于该模型研究了扣件结构中各参数对轮轨摩擦自激振动的影响;综合考虑多因素之间的相互影响,采用最小二乘法得到了预测轮轨摩擦自激振动发生可能性...     

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。      

高速铁路辙叉区钢轨打磨廓形设计方法

以心轨顶宽20、35、50 mm处的辙叉区钢轨关键截面作为研究对象,基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法;以关键截面钢轨廓形上若干型值点为设计变量,以打磨材料去除量的减少和脱轨系数的降低为目标,以钢轨廓形几何特征和降低钢轨滚动接触疲劳为约束条件,设计出18号道岔辙叉区钢轨经济性打磨廓形;建立了轮轨接触有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,进行了轮轨接触应力与动力学指标计算。分析结果表明:优化的打磨廓形接触点分布均匀,具有良好的轮轨接触几何特性;钢轨打磨材料去除量在2号截面处降低了17.2%;各截面Mises应力分别降低了8.7%、8.3%和11.5%,轮轨接触应力降幅分别为12.9%、15.8%和18.0%;列车逆侧向过岔时,轮轨横向力与车体横向振动加速度分别降低了10.3%和15.6%,脱轨系数与轮重减载率分别降低了8.1%和10.6%,疲劳因子降低了12.2%。可见,优化廓形在保证列车运行安全性的同时,提升了列车运行的平稳性以及辙叉区钢轨的使用寿命。      

基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

轮轨之间的弹性接触变形是车辆-轨道耦合动力学中计算轮轨力的核心,以基于Hertz接触理论的非线性接触刚度来描述轮轨之间的压缩量与轮轨法向力之间的关系. 目前的轮轨Hertz接触刚度计算公式为经验公式,来源于20世纪70年代英国铁路技术研究所的研究工作,分锥形踏面和磨耗型踏面两种类型,局限于特定的轮径范围和钢轨廓形. 基于三维弹性体Hertz接触理论,推导了满足Hertz接触条件的弹性体法向接触刚度通用计算公式,并结合轮轨几何外形特点,给出了轮轨接触斑大小及接触刚度参数的直接确定方法和数表,并以LM车轮踏面和CN60钢轨踏面匹配为例,对比分析了典型工况下计算结果与经验公式的差异. 分析结果表明:基于本文计算公式制定的Hertz弹性接触数表弥补了现有数表中缺乏接触刚度的不足,可直接用于弹性体接触计算;对于轮轨接触,与本文公式计算结果相比,以往经验公式中磨耗型踏面的接触常数计算结果仅在车轮名义中心圆弧与轨顶中心圆弧接触时的误差较小,约为0.40%～0.44%;其他接触位置时,经验公式计算结果与本文公式计算结果相差较大,误差范围可达 ?25.97%～131.42%.