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。      

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.      

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...     

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.      

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.      

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%.     

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.     

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面(S1002、S1002G、XP55和LMA)轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足:LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率"突变",有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的"通用"轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.     

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面（S1002、S1002G、XP55和LMA）轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足：LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率＂突变＂,有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的＂通用＂轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.     

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。      

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

机车车辆／轨道系统垂向耦合动力学分析

考虑到多刚体系统动力学研究方法在建模及计算方面的局限性，将有限元法引入到机车车辆／轨道大系统的垂向耦合振动研究中来．为了真实模拟在轨道上不同位置的轮轨接触关系，用有限元参数二次规划法求出了轮轨等效接触刚度曲线，建立了统一的机车车辆／轨道耦合系统．通过建立系统的有限元分析模型，利用精细时程积分算法求解系统振动方程，分析研究了机车车辆在无限长轨道上运行时，在轨道不平顺激扰下，轮／轨间相互作用力、机车车辆／轨道系统中各部件的振动加速度及位移变化规律．研究结果表明，该方法不但可行，而且具有其它传统方法无可比拟的优越性．     

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。      

轮轨系统的现状与展望

总结了现有传统钢轮钢轨式轮轨系统的工程问题、研究现状和工程处理方法;分析了钢轨波磨和车轮不圆的形成和发展机理,对困扰高铁的踏面凹磨问题提出了创新性治理设想;拟通过轮轨系统的廓形设计-磨损评价-磨损治理的系统化革新思路,获得既安全又经济的线路条件个性最优化方案;总结和展望了目前轮轨系统的打磨和镟轮,讨论了轮轨系统的检测方...     

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。     

车辆动力学仿真中评判脱轨的直接方法

根据轮轨空间动态耦合关系 ,提出了一种根据轮轨接触点位置进行脱轨评定的直接方法 ,可用于对机车车辆动力学安全性分析评价。阐述了通过轮轨接触点进行脱轨评判的原理和采用此方法的优点。作为例子 ,运用货车 -轨道空间耦合模型 ,对 C62 A货车曲线通过进行了脱轨仿真计算。仿真结果表明 ,在仿真计算时采用此方法非常行之有效 ,评判直观、可靠     

提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化

为研究固定辙叉结构不平顺对列车过岔动力特性的影响,基于岔区轮轨系统动力学及轮轨接触关系理论,以12号提速道岔固定辙叉为例,分别建立了翼轨不同加高设计方案下的辙叉模型以及CRH2型车车辆模型,在此基础上,深入分析了翼轨加高设计对列车过岔动力特性、过岔速度以及行车平稳性的影响规律. 结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,其轮轨接触区域开始外移,并由此造成辙叉区轮对质心垂向位置的降低;通过设置合理的翼轨加高值,可有效降低辙叉区轨道的竖向结构不平顺,进而抑制轮对质心垂向位置的降低,提高列车过岔的平稳性及旅客乘车舒适度;固定辙叉翼轨加高设计,可有效改善列车直向过岔动力特性,但对侧向过岔效果有限;当加高值设置为3 mm时,翼轨加高优化的效果最佳,与无加高设计相比,加高后列车直向过岔第一轮对横向和垂向轮轨力最大幅值分别降低了45.8%和30.3%,车体横向及垂向加速度则分别降低了42.2%和26.1%;随着列车运行速度的提高,过岔时的轮轨动力响应也开始逐渐加剧,合理的翼轨加高设计将有利于提高列车的过岔速度. 研究成果可为我国铁路线路道岔固定辙叉的结构优化设计提供理论参考.      

车辆-轨道系统耦合高频振动的研究

车辆-轨道垂向耦合振动是车辆-轨道耦合动力学主要研究课题.建立了车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁高频振动模型,运用快速积分方法编制仿真程序,对扁疤激励情况下的轮轨垂向高频振动进行系统仿真与分析,并与Eu ler梁模型仿真结果进行比较.结果表明,车辆速度与车轮扁疤的长度对轮轨系统振动有很大的影响;在高频情况下,进行振动与噪声的研究时,建议使用Timoshenko梁模型.