基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究

在对京沪高铁开展轮轨型面跟踪测试的基础上,分析LM_A和LM_B车轮型面分别与60D钢轨型面匹配时的轮轨磨耗特征;利用数值仿真手段,研究磨耗后不同轮轨型面匹配组合下的轮轨接触范围与钢轨光带宽度和等效锥度的关联性;通过分析钢轨光带宽度与等效锥度的关联性,结合名义等效锥度限值,研究避免高速动车组运行过程中出现典型异常振动问题的钢轨接触光带合理范围。结果表明:高速铁路的钢轨磨耗远小于车轮磨耗;直线区段钢轨磨耗主要分布于钢轨顶弧中心附近,轮轨接触宽度与钢轨光带宽度相对应;钢轨光带宽度与轮轨匹配名义等效锥度正相关,钢轨光带宽度小于20 mm时易出现动车组车体晃车、大于45 mm时易出现动车组转向架横向振动加速度报警。     

高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治

针对某高速铁路动车组车体抖动问题,采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形,研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响,研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。同时,采用实际线路及动车组车辆参数,基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。研究结果表明:该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内,体现为垂向和横向的综合异常振动;随车轮踏面磨耗增加,实测车体振动加速度逐渐增大,轮轨接触关系逐渐恶化,与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显;钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大,有效改善轮轨接触关系。车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度,有效整治高速铁路动车组车体抖动。     

武广客专动车组车轮磨耗及振动性能跟踪研究

通过对武广客专动车组车轮踏面和车辆振动性能的长期跟踪测试,得到车轮踏面磨耗、等效锥度和振动性能随运行里程的变化规律.将等效锥度作为评估车轮踏面磨耗程度的参数,探讨了车轮踏面磨耗对振动性能的影响.最后通过对比武广客专动车组降速前后车轮磨耗和车辆振动数据的差异,分析了速度下降对车辆振动性能和车轮磨耗的影响.结果显示,车轮踏面磨耗量随运行里程增加逐步增大,运行里程大于15万km后,车轮踏面磨耗速度呈逐渐增大趋势;武广客专两种不同踏面外形的主要磨耗区域基本相同,但最大磨耗位置不同;轮轨等效锥度不仅可以评估车轮踏面磨耗程度,还直接影响构架横向失稳的频率、幅值;其他条件不变的情况下,速度的调整对车轮踏面磨耗和振动性能影响显著.     

地铁车辆轮轨型面匹配及其对接触应力的影响

为了改善地铁车轮出现的异常磨耗问题,对上海地铁3号线车辆车轮踏面DIN5573出现的磨耗进行测试,获得2种磨耗车轮踏面。在SIMPACK软件中建立了地铁车辆动力学仿真模型,计算得到未磨耗、凹形磨耗、沟槽状磨耗3种车轮踏面与TB60,60N钢轨型面匹配时轮对横移量,将其输入到用ABAQUS软件建立的轮轨三维弹塑性有限元模型,分析不同轮轨型面匹配对接触应力的影响。结果表明:3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨接触点均匀分布在轨顶和车轮踏面中部,等效锥度基本稳定;在半径350 m的曲线上,与TB60钢轨型面匹配相比,3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨最大接触应力最多减小384.9 MPa,钢轨、车轮最大Mises应力最大减幅分别为40%,35%。城市轨道交通小半径曲线地段较多,采用60N钢轨型面可以明显降低曲线外股的接触应力,减少轮缘磨耗和钢轨侧磨,从而降低钢轨疲劳伤损。     

CRH5型动车组车体异常抖动原因分析及对策

针对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线CRH5型动车组车体异常抖动的情况,调查了异常抖动的车辆状态和抖车区段的线路情况,计算分析了轮轨匹配等效锥度和轮轨接触几何关系。结果表明:随着车辆运行里程增加,车轮踏面凹形磨耗越来越严重,加之钢轨廓形打磨不到位使得轨距角凸出,致使轮轨匹配等效锥度达0.3以上,轮轨接触几何关系不良,车体出现6～8 Hz的高频振动。通过车轮镟修和钢轨打磨可有效降低轮轨匹配等效锥度,改善轮轨接触几何关系,解决动车组异常抖动的问题。     

高速动车组服役性能与钢轨廓形匹配适应性研究

动车组在高速铁路不同线路区段上经常出现异常振动问题，为研究动车组服役性能与钢轨廓形匹配的适应性，在不同高速铁路直线及大曲线区段选择200多个典型钢轨断面进行钢轨廓形跟踪测试，得到钢轨廓形偏差分布规律；分析不同偏差钢轨廓形分别与新轮、磨耗车轮匹配时的等效锥度、动车组动力学性能及轮对、构架、车体时频振动特性。结果表明：偏差在-0.2～0.3 mm范围的钢轨廓形占比约34%;与LMa新轮匹配，等效锥度基本保持在0.03,动车组各项动力学性能指标优良；与磨耗车轮匹配，随着钢轨廓形偏差由-0.4 mm增加到0.8 mm,名义等效锥度逐渐由小于0.01增加到0.3,当钢轨廓形偏差大于0.6 mm时，构架横向振动加速度等指标明显增大，动车组动力学性能和运行品质劣化，动车组对于线路的适应性下降。     

轮轨接触几何关系对比分析

采用Kalker CONTACT方法计算轮轨接触几何特性,分析对比了LM,LM_A,S1002CN,LM_(B-10),LM_D,XP55车轮踏面与TB 60,60D,60N钢轨廓型匹配的接触几何关系。分析结果表明:相同车轮踏面与TB 60钢轨匹配的名义等效锥度最大,与60D,60N钢轨匹配的名义等效锥度较小;LM_A踏面与TB 60钢轨匹配以及LM,S1002CN踏面与60D钢轨匹配时,具有较好的直线运行稳定性和曲线通过性能;LM,LM_A,S1002CN踏面与TB 60钢轨匹配时,车轮回复到对中位置的能力强;车轮踏面与60N钢轨匹配的接触斑分布均匀,直线上的磨耗性能好;LM_D踏面与TB 60,60D,60N钢轨匹配时也具有很好的磨耗性能;车轮踏面与60N钢轨匹配时,曲线通过的磨耗功最大,磨耗严重。     

高速动车组线路动力学响应特性研究

针对速度为300 km/h的高速列车开展线路长期服役动力学性能试验,研究车轮磨耗、稳定性、平稳性和振动特征等随运营里程、线路条件、环境温度和列车运行速度等参数的变化情况,揭示车辆在多个镟修周期内的时域、频域动态响应特性。跟踪测试里程达到100万km,测试不同运行里程下的车轮踏面廓形、钢轨廓形以及关键部件的振动加速度和悬挂系统位移,并采用统计均值、极大值、极小值和分位数等统计指标表达测试结果。结果表明:车轮磨耗和轮轨匹配等效锥度随运营里程线性增长,运行30万km踏面磨耗0.8 mm,平均磨耗速率0.18 mm/10万km,等效锥度约为0.30～0.35;磨耗后期的轴箱、构架加速度均方根增大2倍以上,但平稳性指标受车轮磨耗影响小。     

成贵客专动车组异常抖动原因分析及治理

针对成贵客专某型动车组出现的异常抖动问题,现场对动车组异常抖动区段的轨面状态、钢轨廓形进行调查,结合轨面状态、实测车轮踏面及实测发生抖车工况的动车组车体加速度测试结果,从轮轨关系角度分析动车组发生异常抖动的原因。成贵客专动车组出现异常抖动主要发生在车站道岔区段,原始廓形为60轨,长期未进行廓形修整导致钢轨廓形不良、轨头扁平,与实测磨耗车轮匹配时锥度过大,引起轮轨关系恶化,蛇行运动能量急剧增大。通过廓形打磨,钢轨廓形得到有效修复,钢轨光带分布合理,轮轨关系得到有效改善,动车组异常抖动问题得到有效解决。     

动车组旋修周期验证研究

为验证某型动车组30万km旋修周期的合理性,对一个旋修周期内的动车组实测车轮进行磨耗分析,并将实测车轮外形输入到已建立的动力学模型中,计算动车组系统临界速度、构架横向稳定性、车体平稳性、曲线通能力等动力学性能,并参照相关标准进行评价。结果表明:车轮磨耗、等效锥度随运行里程增加变化平缓;运行31万km后车轮踏面与钢轨接触状态良好;所计算动力学性能均满足标准要求。从而验证某型动车组30万km里旋修周期的合理性。     

地铁大修钢轨廓形及其对等效锥度影响分析

地铁钢轨达到大修周期需进行更换,为探究大修期废旧钢轨的磨耗水平与轮轨匹配关系,实测了大修期钢轨的廓形,并仿真计算轮轨匹配等效锥度,并进一步分析大修钢轨廓形对等效锥度的影响。研究结果表明：(1)选用UIC519积分法,利用多体动力学软件UM计算轮轨匹配等效锥度合理可行,计算结果可靠;(2)达到6亿t换轨期后,直线段钢轨磨耗量普遍小于3 mm,远小于维修规则中侧磨16 mm、垂磨14 mm的限值要求;(3)大修所换钢轨廓形的磨耗对轮轨等效锥度影响均未超标准限值,说明钢轨磨耗对轮轨动态影响较小;(4)钢轨廓形垂磨中扁平状的磨耗对等效锥度影响相对较大,说明轨顶扁平状不利于行车舒适性和安全性。     

磨耗状态下机车车轮与曲线钢轨的接触分析

利用轮轨型面测量仪现场实测SS4型机车JM3磨耗型车轮踏面和干线铁路曲线段不同位置的钢轨型面。选取典型轮轨型面,建立三维弹塑性接触有限元模型,利用有限元软件Marc计算两种车轮在不同位置处与钢轨的接触状态。分析结果表明:同一段曲线上不同曲率钢轨的磨耗量和磨耗区域有较大差异;在相同外载荷条件下,与标准车轮相比,磨耗车轮与实测钢轨的接触斑面积较大,轮轨型面匹配较好,接触状况得到改善;针对线路上大量磨耗状态车轮,曲线钢轨型面应以磨耗状态车轮型面为参考对象进行设计,而不是标准车轮型面。     

高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究

为研究高速铁路CHN60N钢轨廓形与不同车轮踏面(LMA、S1002CN和XP55)的匹配性能,从轮轨接触几何关系角度分析轮轨接触点、等效锥度和轮轨接触蠕滑率随轮对横移的变化情况,并基于轮轨非赫兹滚动接触理论分析轮轨滚动接触面积和最大法向接触应力分布情况,利用车辆-轨道耦合动力学模型分析车辆运行平稳性、曲线通过能力及轮轨接触点动态分布情况。研究表明:XP55车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能最优;由于曲线通过性能与其他两种型面相差较大,LMA车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能次之;S1002CN踏面与CHN60N钢轨匹配时,由于车辆直线运行舒适性最差,滚动接触时表面疲劳因子明显大于其他两种车轮型面,易导致轮轨表面产生疲劳伤损,综合匹配性能最差。     

高速铁路轮轨型面匹配对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路LMA,S1002CN,XP55这3种典型型面车轮与60,60N和60D这3种廓形钢轨匹配的情况,建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合等效锥度、Polach指数、轮轨接触带宽变化率和接触点移动速率,分析新轮与新轨匹配和磨耗车轮的型面与钢轨原始廓形在服役条件下匹配的轮轨三维接触非线性关系,研究轮轨接触非线性关系对车辆动力学性能的影响。结果表明:S1002CN型面车轮时轮轨接触点跳跃最明显,LMA型面车轮时轮轨接触点分布最均匀,XP55型面车轮时轮轨接触带宽最窄,而且新轮与60N和60D钢轨匹配时轮轨接触点较60钢轨更集中在轨头中心处;S1002CN型面磨耗车轮与60钢轨匹配时脱轨系数、轮重减载率的相对增长率均大于与60N和60D钢轨匹配时;在1个镟修周期内,S1002CN型面车轮与3种廓形钢轨匹配时,随着运营里程的增加,滚动圆附近轮轨接触带宽和接触点移动速率均增大,且与60N和60D钢轨匹配时Polach指数由正值变为负值,影响车辆的蛇行失稳临界速度、失稳后的蛇行振动幅值以及车辆蛇行失稳极限环分岔特征。     

轮轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响研究

为分析车轮和钢轨磨耗对地铁车辆非线性临界速度的影响,在北京地铁6号线选取典型车辆和区段分别开展了车轮踏面外形和钢轨廓形测试,并在Simpack软件中建立地铁B型车拖车动力学仿真模型。研究结果表明:车轮磨耗存在偏磨现象,且轮缘磨耗严重;等效锥度与车轮磨耗正相关,随着车轮磨耗的增大而增大,与钢轨磨耗负相关,随着钢轨磨耗的增大而减小;等效锥度小于0.07时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而增大;等效锥度大于0.5时,车辆非线性临界速度随着等效锥度的增大而减小;等效锥度在0.08~0.12时,车辆的非线性临界速度最高,其稳定性裕度最大。     

我国铁路钢轨型面优化研究

针对我国铁路轮轨匹配存在的问题,研发了钢轨打磨设计廓形60D和新轨头廓形钢轨60N。优化后的轨头廓形与LM、S1002CN和LMA型面车轮接触时的光带基本居中,轮轨接触应力显著降低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,提高车辆运行稳定性。高速铁路按廓形60D打磨到位,钢轨打磨周期可延长至4~5年,且不易出现动车组构架报警和车体晃车。60N钢轨在普速铁路上的铺设使用结果表明,在直线上运行轮轨接触光带居中,在曲线上运行可有效避免或抑制钢轨使用初期轨距角剥离掉块及疲劳核伤;在高速铁路试验段的铺设使用结果表明,采用1遍预打磨后钢轨服役近5年,光带保持在30mm左右,从未出现动车组构架报警和车体晃车,可有效改善轮轨匹配关系,大幅降低轮轨维修养护成本。建议加快新轨头廓形钢轨系列化,以尽快在我国铁路形成统一的钢轨轨头廓形。     

车轮型面磨耗诱发高速铁路轮轨接触几何参数时变的规律

将轨道系统视为无质量的黏弹性力元,运用多体动力学软件UM建立CRH2型高速列车单个车体的车辆—轨道耦合动力学模型,并结合轮轨非椭圆滚动接触模型和车轮型面磨耗演变模型,以车轮最大磨耗深度为0.1mm作为车轮型面更新的条件,通过动力学仿真研究轨道系统振动、车辆悬挂力元非线性和轮轨接触几何非线性特性等影响下滚动圆半径差、等效锥度、接触角和接触点分布等轮轨接触几何参数的时变规律。结果表明:通过不同运营里程下车轮型面磨耗和名义滚动圆半径处磨耗仿真与实测的对比结果,验证了模型的准确性;随着运营时间的推移和运营里程的增加,车轮型面磨耗会对轮轨接触几何参数产生明显的影响:其中,等效锥度、滚动圆半径差和接触角在运营里程从0逐渐增加到10万km的过程中变化明显,而从10万km逐渐增加到20万km时变化渐缓,然后在从20万km逐渐增加到25万km的过程中车轮型面磨耗又进一步加剧,等效锥度、滚动圆半径差和接触角的变化幅度又急剧增加,轮轨接触点分布则随着运营里程的增加由一点接触逐渐向两点接触演变,车辆的动力学性能也随之下降。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

高速铁路小半径曲线轮轨减磨技术研究

针对我国高速铁路小半径曲线钢轨及车轮轮缘磨耗突出的问题,采用轮轨固体润滑技术,在广珠城际铁路进行轮轨减磨试验。通过对钢轨和车轮廓形变化的长期跟踪,研究固体润滑前后轮轨磨耗速率变化,得出主要结论:(1)更换在线热处理钢轨后,小半径曲线上股钢轨寿命可延长1倍以上;(2)固体润滑对钢轨减磨效果显著,润滑试验期间,试验曲线上行上股钢轨的侧磨速率平均值显著降低至0.022 mm/月,仅为试验前侧磨速率平均值(0.105 mm/月)的21%,为同期未润滑下行上股钢轨侧磨速率平均值(0.122 mm/月)的18%,润滑试验停止后,钢轨侧磨速率上升至去年同期水平;(3)固体润滑对动车组车轮轮缘减磨效果显著,试验期间,某动车组偏磨侧车轮轮缘磨耗速率平均值由试验前的0.210 mm/万km降至0.042 mm/万km,降幅达80%,轮缘QR值未降反升,润滑试验停止后,轮缘QR值下降,偏磨侧车轮轮缘磨耗速率上升。