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.     

车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状，强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响；总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果；介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究，分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响，以及车轮踏面缺陷的形成原因、影响规律与演变机理，重点关注了轮轨动态效应对高速轮轨滚动接触行为的影响；概括了车轮踏面缺陷的检测技术与减缓和防治措施。研究结果表明:车轮踏面缺陷致使轮轨冲击力显著增大，导致轮轨部件损伤和车体异常振动，严重影响车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车动力学性能，甚至威胁列车运行安全；车轮踏面缺陷的成因与机理仍需进一步探究，车辆异常制动、轮轨低黏着状态均会导致车轮扁疤的产生，轮轨材料特性、轮轨间接触载荷、轮对共振、列车制动系统性能与线路运行条件/环境等均是导致车轮踏面发生剥离的主要影响因素，轮轴共振、轮轨摩擦振动、车轮制造镟修工艺等均与车轮多边形的形成有密切联系；改善轮轨材料的性能，控制轨道系统的支撑刚度/阻尼及轮轨间摩擦因数等均是抑制车轮踏面缺陷产生的有效途径。      

铁道车辆车轮扁疤故障检测技术综述

从铁道车辆车轮扁疤对轨道的冲击效应及其对车辆零部件造成的损伤出发,系统梳理了检测车轮扁疤的多种方案,对各类车轮扁疤故障检测方法特点进行了讨论,对比了不同检测方法的优缺点,对车轮扁疤故障检测技术体系的发展方向进行了预测。分析结果表明:车轮扁疤故障检测技术可分为车载检测法和地面检测法,其中地面检测法运用较为广泛;现阶段较为成熟的车轮扁疤检测技术按检测手段可主要分为轮轨冲击检测法、超声波检测法、噪声检测法、踏面位移法、振动加速度检测法、图像检测法、光学检测法、轨道电路中断法等;近年来,随着科学技术的发展,又涌现了如多普勒效应法、超声波回声定位法等;随着现代智能算法的进步,应用神经网络等智能算法对设备进行故障识别训练能大大简化设备开发进程和结构,智能算法或将成为车轮扁疤故障识别的主要发展方向;随着时间推移,检测设备的多故障集成化趋势越发明显,多故障检测集成化与功能多样化已是智能化检测设备发展的重要方向之一;未来,操作系统方面的提升也将主要集中于平台的人性化和智能化方面;检测体系建议由正线实时监测、车辆段入库精准检测、数据信息化平台三部分组成,未来发展方向会集中在装置简易化、算法精准化与操作智能化等方面。      

踏面制动热-机耦合过程的数值仿真

列车踏面制动过程是一个复杂的大位移、动态接触热-机耦合问题，介绍了热-机耦合问题的求解方法，首次对某提速客车的双面踏面制动过程进行了数值仿真，并定量给出了车轮速度和温度的变化规律，为研究轮、瓦寿命提供了理论依据。     

高速列车车轮踏面滚压强化有限元分析

为提高镟修后高速列车车轮踏面强度和使用寿命，进行了车轮踏面滚压强化过程的数值模拟，并对滚压强化的工艺参数进行了优化. 以CRH3高速列车车轮为研究对象，建立了滚压轮-车轮-钢轨三维滚动接触有限元模型；通过计算不同滚压轮尺寸、滚压力及滚压道次对车轮踏面残余应力和等效塑性应变场分布的影响来分析滚压强化机理；采用Borrow-Miller准则修正的Manson-Coffin公式计算了滚压后轮轨接触时车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命，进而对车轮踏面滚压强化工艺参数进行优化. 研究结果表明:随着滚压力的增加，车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命先增后减，且随着滚压道次的增加而下降，即滚压道次的增加反而会降低车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命；滚压道次的增加对残余应力的影响不大，滚压轮圆弧半径的增加会导致疲劳裂纹萌生寿命小幅度增大；综合考虑，以滚压道次为3次、滚压力为1 kN、滚压轮圆弧半径为6 mm时的滚压效果最佳，此时车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命可提升约58%.      

踏面制动热-机耦合过程的数值仿真

列车踏面制动过程是一个复杂的大位移、动态接触热-机耦合问题.介绍了热-机耦合问题的求解方法,首次对某提速客车的双面踏面制动过程进行了数值仿真.并定量给出了车轮速度和温度的变化规律,为研究轮、瓦寿命提供了理论依据.     

基于仿真的铁路车轮不圆度安全限值研究

为了研究高速列车车轮踏面不圆度的安全限值,基于车辆轨道垂横向耦合动力学理论,采用车辆动力学仿真分析软件ADAMS/Rail,建立了考虑车轮非圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型。分析计算高速运行状态下常见车轮踏面不圆顺问题所导致的车辆轨道系统轮轨冲击振动特征,及其随列车运行速度的变化规律,给出了车速200～350 km/h 时轮轨作用力响应峰值与车轮不圆度之间的关系,确定了高速行车条件下车轮不圆度的临界范围。该研究可为基于轮轨作用力监测的车轮不圆顺状态识别提供理论指导。     

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.      

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.      

轮轨接触几何参数匹配对应力值影响的探讨

轮轨接触几何参数的匹配优劣直接影响着轮轨接触应力值的大小。文中探讨了货车不同车轮踏面、不同轨底坡的轮轨匹配问题,分析了轮对模移对轮轨接触应力值的影响。提出了推广使用轮轨接触应力的数值计算方法。     

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.     

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.     

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%.     

北京地铁10号线制动热响应分析与评估

针对城轨列车转向架基础制动方式,对踏面制动热流密度进行推导,建立了车轮制动过程瞬态温度场和应力场三维有限元模型,重点分析了城轨列车在两次紧急制动和全程往返制动两种极端情况下,车轮踏面温度和热应力变化规律.车轮踏面所受的应力是垂直载荷、横向载荷和热应力综合作用的结果,适用于Hertz接触理论,机械载荷对车轮踏面的作用效果采用Hertz接触应力来衡量,根据温度和热应力模拟结果,评估了城轨列车车轮的服役安全性,为发展城轨列车的制动方式和制动技术提供了比较可信的理论分析方法.     

车轮型面优化的研究进展

论述了轮轨型面匹配对车辆／轨道动态行为和轮轨系统磨损接触疲劳的影响．介绍了铁路车轮型面优化设计的有关理论、技术和结果,分析、比较了各种方法在车轮型面优化中的应用及其存在的问题,并给出了相应的改进措施．结合车轮踏面的现有优化设计方法,提出了一种可以综合考虑接触应力、磨耗指数和临界速度等多个性能指标的车轮踏面优化方法,指出了优化过程中数学模型建立困难和求解速度慢等问题,并提出了相应的改进措施．     

机车车轮与车轴残余应力的超声检测

机车车轮和车轴在制造和服役过程中的残余应力及其分布状态对车轮踏面裂纹形成、扩展及金属剥落、车轴的疲劳寿命等有着重要的影响。依据声弹性理论,采用临界折射纵波,建立超声应力检测试验系统,编制应力—声时处理软件。利用该试验系统对车轮、车轴的应力系数进行标定,而后对车轮踏面周向、车轴轴向的残余应力进行检测,将检测结果采用计算机线性插值绘制应力分布云图,通过云图更直观的得到残余应力分布规律。对准确评估轮对的强度、韧性和抗疲劳性以及改善其性能具有一定意义。     

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。      

基于瞬态边界元法的铁路车轮声辐射研究

轨道车轮的振动声辐射瞬态特性分析能够直观反映车轮结构的时域振动响应和时域声辐射特性.利用有限元/瞬态边界元法的计算机仿真技术,对S形辐板车轮在时域下进行振动及声辐射特性分析.研究结果表明:踏面和辐板的轴向位移响应级基本一致,且轮辋和辐板之间轴向振动存在耦合关系;踏面、轮辋和辐板轴向位移响应级的变化趋势一致,具有类似于"拍"的周期特性;在车轮轴线上距离车轮30m处的声压集中在60~80dB,且随时间的增加整体缓慢上升,再趋于平稳;声压主要分布在3 500Hz以下的频段.研究结果为瞬态声辐射仿真技术在车轮振动声辐射特性研究中的应用提供参考.     

轮轨匹配对高速动车组动力学性能的影响

基于阿尔斯通公司和长春轨道客车股份有限公司提供的CRH5动车组CA250转向架及车体模型、基本结构参数及仿真报告,利用多体动力学仿真软件ADAMS(RAIL/VIEW模块)建立转向架及整车动力学仿真模型.首先对中国车轮踏面LM和LMA、欧洲车轮踏面S1002、应用在TGVA和KTX(韩国TGV)上的特殊车轮踏面XP55与UIC60 kg轨面匹配分别进行等效锥度计算和对比,然后根据线性及非线性临界速度分析方法对拖车(满载)进行横向稳定性仿真分析,最后进行了不同轮轨匹配状况下的曲线通过性能仿真.重点分析不同匹配参数及轮对定位方式对整车动力学性能的影响.     

轮轨匹配对高速动车组动力学性能的影响

基于阿尔斯通公司和长春轨道客车股份有限公司提供的CRH5动车组CA250转向架及车体模型、基本结构参数及仿真报告,利用多体动力学仿真软件ADAMS（RAIL／VIEW模块）建立转向架及整车动力学仿真模型．首先对中国车轮踏面LM和LMA、欧洲车轮踏面S1002、应用在TGVA和KTX（韩国TGV）上的特殊车轮踏面XP55与UIC60kg轨面匹配分别进行等效锥度计算和对比,然后根据线性及非线性临界速度分析方法对拖车（满载）进行横向稳定性仿真分析,最后进行了不同轮轨匹配状况下的曲线通过性能仿真．重点分析不同匹配参数及轮对定位方式对整车动力学性能的影响．