高速铁路钢轨打磨关键技术研究

根据我国高速铁路上运行车辆的车轮型面设计钢轨的预打磨轨头廓面.按照该预打磨轨头廓面对钢轨进行预打磨,可有效改善轮轨的接触状态.给出了适用于不同车轮型面的钢轨预打磨深度理论设计值以及适用于LMA和S1002G车轮型面的钢轨预打磨轨头廓面.关于预打磨后的实际轨头廓面与预打磨设计廓面的误差,在轨距角部位应控制在-0.1～0.3 mm范围内.建议我国高速铁路的钢轨打磨周期为每30～50 Mt通过总重打磨1次,对于无砟轨道取上限,有砟轨道取下限;关于60kg·m-1钢轨的预打磨深度,在轨距角部位应达到0.8～1.5 mm,在主要轮轨接触部位应大于0.3 mm;钢轨打磨后的表面粗糙度应小于10μm;采用48磨头打磨车时应打磨3～4遍,采用96磨头打磨车时应打磨2遍.     

钢轨打磨量的分析计算

以GMC96型钢轨打磨列车为研究对象,论述钢轨轨廓数据采集与处理.分析打磨前后钢轨轨廓数据,针对打磨接触点、打磨面积计算、单个打磨头的平均打磨量计算进行阐述,提出钢轨打磨量计算方法;分析多种钢轨打磨模式下其打磨量与影响因素间的关系,得到打磨量与打磨角度及压力的关系,为GMC96型钢轨打磨列车打磨模式编制提供参考.     

高速铁路轮轨形面匹配研究

介绍国内外高速铁路轮轨形面和硬度匹配情况和存在问题。分析总结轮轨接触光带不良带来的危害。通过对钢轨预打磨优化轮轨接触、轮轨硬度合理匹配和新轨头廓形钢轨进行研究,提出预打磨轨头廓形设计、钢轨预打磨的技术要求和需要注意的其他问题,并对钢轨预打磨进行实践和使用评价;提出我国高速铁路新轮与新轨的几何形面不匹配,表现为轮轨接触光带不在设计的轨头踏面中心等结论;建议统一动车车轮形面并开展新轨头廓形钢轨的研发和应用,以改善轮轨接触关系。     

基于比磨削能的中低速钢轨打磨技术研究

为了提高钢轨打磨效率,依据现有机床加工磨削原理与高速切削比磨削能计算方法,开展中低速钢轨打磨切削量精准控制技术应用研究。以标准60N钢轨轨头廓面打磨为例,首先提取廓面几何特征并将其分为4个打磨区域,根据钢轨预打磨廓面比磨削能与切削量的经验关系,建立钢轨廓面各打磨区域切削量的经验计算模型,并通过现场打磨测试验证该计算模型的可行性和精准性。结果表明,经过3次打磨计算,钢轨轨头廓面区域2的磨削面积总量最大为7.28 mm2,区域3的磨削面积总量最小为1.18 mm2,并且现场打磨测试的总切削量与理论计算的相对偏差分别为-3.57%和-4.24%,磨削总量结果基本吻合,达到钢轨磨削精度要求。     

基于磨粒切削模型的钢轨打磨机理研究

基于砂轮打磨钢轨的原理建立磨粒与钢轨接触的几何模型和受力模型,分析磨粒切削深度与打磨设定功率即钢轨打磨车电机输出功率的理论关系;依据磨粒分布及其突出高度的统计规律和磨粒切削深度与参与切削磨粒数目及电机输出功率的关系,仿真研究被测区域的钢轨打磨效果,并与试验结果进行对比。结果表明:切削深度的增加会引起参与切削磨粒数目的增加,而参与切削磨粒数目的增加亦会增加测试区域中打磨区域的重叠;受钢轨本身廓形曲率变化的影响,在电机输出功率相同而砂轮摆角不同时,钢轨的打磨结果也不相同;砂轮在钢轨轨顶部位的打磨会形成最宽的打磨带以及最大的打磨横断面面积,而轨肩部位的打磨带则较窄且打磨横断面面积较小;仿真与试验结果吻合,说明基于磨粒模型预测打磨砂轮的实际打磨性能是可行的。     

基于赫兹接触的钢轨砂带打磨功率预测模型

根据钢轨砂带打磨作业原理,将钢轨与砂带的接触状态视为2个自由曲面接触;运用赫兹接触理论建立砂带与钢轨的接触模型,计算分析接触区域的形状、面积及其上的压力分布;将砂带上的磨粒简化为球顶圆锥模型,推导出磨粒切入深度与打磨压力间的数学关系,从单颗磨粒受力分析计算整个接触区域的切向力分布,进而建立钢轨砂带打磨功率的预测模型。在综合试验平台上进行36+号陶瓷磨料砂带打磨U71Mn钢轨圆环的试验,试验结果与预测模型的预测结果对比表明,打磨功率的预测值与试验值平均仅相差2.02%,证明了打磨功率预测模型的有效性和适用性。以60kg·m~(-1)钢轨砂带打磨为例,采用预测模型分析打磨功率与砂带速度配比对打磨宽度的影响。结果表明:打磨宽度虽由接触压力直接决定,但仍受打磨功率的约束,在同样打磨功率下,曲率半径为300mm弧段可调整的打磨宽度范围最广,80mm弧段次之,13mm弧段最窄。     

重载铁路钢轨技术的研究

为满足重载铁路发展的需要,对钢轨和道岔用轨进行持续不断的研究,并取得一些阶段性成果：采用钢轨预打磨和设计新的轨头廓形,使轮轨在轨头踏面中心区域接触,或形成共形接触,可有效降低轮轨接触应力;高强耐磨新钢种钢轨和道岔用轨的研制和应用、钢轨焊接技术的优化、打磨技术的科学应用,可显著提高钢轨和道岔用轨的耐磨、抗疲劳性能,大幅提高钢轨的使用寿命、延长换轨大修周期。     

奥地利采用钢轨铣修列车

线路的钢轨在列车运行的磨耗过程中,不仅轨头的几何形状会发生改变,轨面还会出现波纹等缺陷,严重影响列车运行和运行舒适度。为修复钢轨断面,可采用铣、磨、刨等方法对钢轨进行修理。刨切系统一般只用于特殊的钢轨维修,很少应用。传统的方法是采用移动式或固定式打磨列车或打磨机。但是,这种打磨设备本身及其应用存在不少缺点和风险。首先是其打磨速度很慢,打磨设备必须在钢轨上来回走行多次才能把轨头断面修复到规定要求。其次,采用打磨设备无法修整钢轨断面;打磨设备打磨钢轨时喷出的火花会增加火灾危险,如果砂轮破裂,还可能伤及作业人员,…     

钢轨打磨对轨面疲劳裂纹扩展的影响

根据我国铁路运营现状,基于经典赫兹接触理论和Paris疲劳裂纹扩展理论,建立车轮荷载作用下钢轨疲劳裂纹扩展预测有限元数值分析模型,分别研究打磨深度、初始裂纹扩展角度、裂纹界面间摩擦系数等因素对钢轨打磨后轨面疲劳裂纹扩展的影响.结果表明,裂纹尖端复合强度因子和裂纹扩展速率随打磨深度的增加而减小,钢轨打磨对轨面疲劳裂纹扩展...     

地铁小半径曲线钢轨型面打磨技术及评价＊

为了解决地铁小半径曲线钢轨非正常磨耗问题、延长曲线段钢轨使用寿命、保障列车运行的安全性和稳定性,通过实测分析小半径曲线钢轨型面数据的磨耗特点及其接触变化,设计出适用于小半径曲线轨道的钢轨打磨型面(Opt-60型面).建立地铁B型车动力学模型和轮轨接触有限元模型,分别对不同打磨型面在整个维护周期内的钢轨性能进行仿真计算.计算结果表明:相对于CN60打磨型面,Opt-60型面的打磨量减小了 44.2％,打磨深度减小了 0.646 mm;在维护周期内Opt-60型面的轮轨横向力和脱轨系数都有明显改善,安全系数有所提升,且横向平稳系数与垂向平稳性系数均得到提高;在一定列车通过量下,Opt-60型面的轮轨接触面积比CN60打磨型面的轮轨接触面积大14.63％～27.13％,接触应力减小19.27％～27.97％.计算结果已明显表明,Opt-60型面能有效减缓钢轨磨耗、抑制钢轨疲劳,还能提高列车运行的安全性和平稳性,优化了列车的动力学性能.     

道岔轨面涡流检测技术研究

由于轮轨滚动接触,钢轨轨头工作边容易形成鱼鳞纹,若不及时维修处理,将进一步发展形成重伤或剥离掉块,影响行车安全。根据钢轨及道岔的型面,设计一种轨面涡流检测系统,研究辅助机械扫查装置及适形阵列涡流探头等,并在实验室和现场进行了试验。由检测人员在钢轨上推行完成轨头踏面工作边处表面裂纹检测,获得轨头踏面有无缺陷及缺陷深度的定量评估数据。试验及现场应用研究表明,采用该系统检测钢轨试块,对0.5 mm,1 mm,2 mm,3 mm深的人工斜裂纹均能有效检出并显示深度;采用该系统检测在线钢轨鱼鳞纹,能够显示鱼鳞纹的深度评估数据,为钢轨打磨维修提供参考。     

钢轨道岔轨面精磨机研究

针对钢轨道岔轨面打磨精密化的要求,通过对各型钢轨轨面形状的分析,提出钢轨轨面打磨机的设计方案,经过分析、比较选择采用可以升降、横移、角度可调的精度机来进行钢轨轨面的精密打磨,精磨机设计及加工简单,操作简便,实用性强。     

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。     

基于轨道质量指数的钢轨打磨型面研究

对于高速铁路,在保证轨道线形、几何尺寸、扣件系统稳定的前提下,轮轨型面的匹配是影响行车平稳性的主要因素之一。本文通过分析武广高铁轨检车检测数据,找到与不同钢轨廓形相对应的轨道质量指数(TQI)和车辆晃车情况,获得了较优的钢轨打磨型面;利用SIMPACK软件对不同钢轨廓形的曲线段列车通过性能进行了对比分析,验证了打磨型面的合理性;制定了武广客运专线钢轨打磨参数,为后期的打磨作业、晃车整治提供了依据。     

钢轨廓形打磨对京广线曲线磨耗速率及钢轨表面状态的影响

针对京广线曲线上股钢轨鱼鳞伤严重,下股光带不良,轨距角有明显斜裂纹等问题,分别采用传统打磨方式与廓形打磨方式消除。对打磨前后效果进行分析比对得出,采用廓形打磨后,曲线上股轨面状态较好,斜裂纹、剥离掉块等发展速率均得到控制,曲线下股光带分布合理;采用传统打磨方式,钢轨表面鱼鳞伤得到消除,但是由于轨距角处切削量太大,导致轨侧有高频次接触,不利于减缓钢轨磨耗。提出研发适用于我国线路的钢轨打磨列车,制定合理的钢轨打磨周期及打磨策略,优化钢轨廓形打磨委外服务模式和优化钢轨廓形的建议。     

75N钢轨的试验研究

研究目的:针对大秦重车线钢轨铺设初期轮轨匹配不良的问题,设计出新轨头廓形75N钢轨,通过仿真计算对比分析了75 kg/m钢轨优化前后的接触状态及几何关系,并进行了75N钢轨在大秦重车线的试铺试验。研究结论:(1)75N钢轨显著改善了轮轨关系,轮轨主要接触位置更处于轨头踏面中心区域,轮轨接触应力大幅降低;(2)75N钢轨无论预打磨还是未进行预打磨,在直线上钢轨光带均较为居中,轨距角未出现肥边和剥离掉块,轨面光洁,钢轨使用状态较好;(3)在曲线上使用,75N钢轨均未出现轨距角肥边,表现出具有良好的轮轨接触关系;(4)该研究成果可应用于重载铁路钢轨的使用方面。     

钢轨打磨热力耦合分析

基于热机耦合方法,运用有限元软件ABAQUS,建立钢轨打磨三维热弹性有限元模型,分析钢轨打磨过程中的温度、应力及应变。分析不同车速、不同砂轮转速及不同数量打磨磨头对钢轨表面温度的影响。结果表明;打磨过程是快速升温、缓慢降温的过程,打磨高温区的深度很浅,且高温区的温度场、等效应力场均呈椭圆状;钢轨表面温度随列车速度的增加而减小,随砂轮转速的增加而增加;钢轨表面温度随打磨磨头数量的增加而显著增加,打磨温度在250℃~500℃之间,符合实际情况。     

钢轨打磨列车三轴转向架功率寄生问题研究

针对不同工况下液力传动三轴转向架钢轨打磨车功率寄生问题,从功率的角度推导出寄生功率的计算公式,得出三轴驱动车辆中寄生功率的影响因素、外特性以及寄生功率与轮径变化量的函数关系。通过对GMC-96x型三轴驱动钢轨打磨列车进行试验和计算,结果表明因功率寄生现象导致的功率损失很小,可以忽略不计,从而证明采用液力传动三轴转向架的钢轨打磨车不安装轴间差速器的方案是可行的。     

重载铁路钢轨磨耗演变过程的数值模拟

建立重载铁路钢轨磨耗演变的数值仿真模型。基于UM软件建立货车-轨道耦合动力模型,对减振楔块、心盘等细部构件精细建模,采用多点-面接触模型模拟部件间各种接触摩擦,并充分考虑部件间隙。基于Hertz理论及FASTSIM算法进行轮轨接触计算;基于Specht材料磨损模型进行钢轨磨耗计算,根据磨损程度采用不同磨耗系数。针对各种车型和通过速度,开展多工况计算并设置权重因子,模拟线路实际行车条件。为提高数值计算稳定性,基于累积磨耗深度更新钢轨型面;基于磨耗演变模型研究重载铁路不同地段钢轨磨耗的发展规律。结果表明:曲线地段钢轨磨耗比直线地段严重;曲线外轨侧磨明显,内轨磨耗相对较轻,主要分布在轨头中部,外轨磨耗大于内轨;圆曲线地段外轨磨耗强于缓和曲线地段,而内轨磨耗弱于缓和曲线地段;直线地段左右钢轨磨耗相差不大,均主要分布在轨头中部。     

基于赫兹接触的钢轨砂带打磨温度建模研究

钢轨砂带打磨过程会生成大量磨削热,热量堆积易导致钢轨温度持续升高而影响打磨质量。为揭示打磨温度与工艺参数间关系,针对钢轨砂带打磨弹性-曲面接触特点,从瞬时点热源温度场理论出发,结合弹性赫兹接触理论建立了单接触轮及多接触轮的磨削温度数学模型。通过数值仿真分析了温度曲线沿时间、轨向位置的变化过程。将结果与现有有限元分析结果对比,验证了模型的有效性和适用性。进一步仿真分析结果表明,砂带打磨过程各点温度呈快速升温、缓慢降温趋势;提高列车打磨速度、增加磨头接触轮数量和接触轮间距能有效缓解热量累积;以60 kg/m钢轨为例,R13弧段为易烧伤区域,须依据理论模型制定适当的打磨工艺参数避免钢轨打磨时发生轨面发蓝、灼伤等二次损伤。