轨面摩擦控制技术防治曲线钢轨侧面磨耗研究

曲线外轨侧面磨耗是困扰地铁建设和运营部门的难题。轨面摩擦控制技术可以在保证列车正常牵引和制动的前提下,修改轮轨摩擦(粘着)曲线,降低轮轨横向力,抑制外轨侧面磨耗。国产轨面摩擦控制设备的现场应用效果表明,轨面摩擦控制能够在不影响列车制动与牵引的前提下,有效地将轨面摩擦系数控制在0.35左右,外轨侧磨发展速度可降低50%。此创新技术的推广,可保障运营安全,减少运营单位维修养护工作量,提高钢轨服务年限。     

对轮轨润滑剂粘着特性的评价

指出铁道机车车辆通过小半径曲线时在轮轨间会产生较大的横向作用力，该作用力是导致机车车辆脱轨以及外轨轨头内侧面磨耗、内轨轨顶面波状磨耗和车轮轮缘垂直磨耗的主要因素之一。轮轨间发出的碾压声响还会对周围环境造成噪声污染。使用轮轨润滑剂有助于减小该横向作用力。文中介绍了4种不同类型轮轨润滑剂粘着特性评价试验的条件、方法和结果等。     

通过轮轨界面摩擦管理降低轨道横向力

作为探讨轮轨相互作用系列文章中的第二篇,分析了列车通过曲线时作用在轮轨接触面上的横向作用力和垂向作用力及其对轮对导向性能、轮轨磨耗和车辆运行安全性的影响。结合国内外客、货运铁路的实际应用经验,探讨如何通过轮轨界面摩擦管理降低轮对横向力,达到降低列车脱轨风险、减缓轨道结构伤损和减小钢轨与车轮磨耗的目的。     

钢轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响研究

减小轮轨磨耗是提高轮轨使用寿命、降低运营成本的有效方法,而轮轨摩擦系数是影响轮轨磨耗的重要因素。在SIMPACK软件中建立C80多体动力学车辆模型,利用计算机仿真研究方法对轮轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响进行研究。结果表明,在直线区段不建议采用轮轨润滑作业,而在曲线区段建议采用轨顶、轨侧综合摩擦系数控制方法进行涂敷作业,且轨顶、轨侧适当摩擦系数配比的异步润滑模式具有较好的轮轨减磨效果。     

廓形打磨对小半径曲线钢轨受力状态的影响

为了研究钢轨廓形打磨对小半径曲线轮轨关系和作用力的影响,对成渝铁路钢轨打磨前后的轮轨接触关系开展分析,对车辆轮轨作用力进行现场测试。测试结果表明:钢轨廓形打磨后,货运列车和客运列车通过小半径曲线时的轮轨垂向力均值降低幅度分别达到13.8%和8.4%,轮轨横向力均值降低幅度分别达到19.7%和33.5%,脱轨系数均值降低幅度最大分别达到16.0%和7.4%,轮重减载率均值降低幅度最大分别达到23.1%和27.3%;钢轨打磨后的轨面状态得到有效改善,轮轨接触分布更为合理。钢轨廓形打磨可有效提升列车曲线通过性能,对于轮轨关系和钢轨受力状态的改善具有重要意义。     

轮轨摩擦改进系统

为了解决车辆通过小半径曲线段时轮轨间横向压力引起的各种问题，如钢轨的侧面磨耗及轨顶面波状磨耗，轮缘垂直磨耗，轮轨辗压声，日本铁道综合技术研究所开发了润滑内轨走行面的“轮轨摩擦改进系统-FRIMOS”。（见图1）。FRIMOS是由以碳为主要成分的颗粒状的摩擦改进剂与向轮、轨问高效供给摩擦改进剂的喷射装置组成的系统。     

市域快速轨道交通曲线超高研究

市域快速轨道交通是一种服务于市域范围内中长距离客运的轨道交通类型。本文采用多体动力学软件,建立车-线耦合系统动力学仿真模型,对运营在曲线地段处于欠超高状态下的列车进行动力响应分析。计算结果表明:当车辆运行于曲线地段时,内、外轨的轮轨横向力均有所增大;外轨的轮轨竖向力明显增大,内轨的轮轨竖向力明显减小;内、外轨的脱轨系数基本相同。在车辆处于欠超高状态下,随着实设超高的增大,内、外轨横向力均呈现出减小的趋势;内轨竖向力呈现出增大的趋势,而外轨竖向力呈现出减小的趋势;内外轨的脱轨系数均呈现出减小的趋势,并且减小量基本相同。     

用阻尼材料降低提速列车轮轨噪声的探讨

研究表明，列车提速后轮轨辐射噪声呈上升趋势，速度加倍噪声提高约8～10dB(A)。针对轮轨噪声的特点，采用阻尼材料镶嵌在轨腰两侧，可降低轮轨噪声。通过对阻尼材料的合理选用、结构的合理设计可达到降低轨辐射噪声的目的。     

曲线钢轨轨顶摩擦管理策略研究

基于C80型货车建立车辆-轨道耦合动力学模型,分析曲线钢轨轨顶对称摩擦管理和非对称摩擦管理条件下的车辆运行安全性、平稳性和轮轨磨耗,并采用归一化方法和加权算法对轨顶摩擦控制效果进行综合评价。结果表明:在对称摩擦管理的条件下,轨顶摩擦因数应控制在0.20~0.35之间;对于非对称摩擦管理,外轨摩擦因数不应小于0.30,内轨摩擦因数不应小于0.20,同时建议外轨摩擦因数应比内轨摩擦因数大0.10~0.15,以避免出现内外轨摩擦因数差异过大的情况。     

直线电机运载系统轮轨病害整治

广州地铁5号线采用由直线电机驱动的列车,在运营中出现了较为严重的轨道波磨及车轮圆跳动,造成了车辆走行部的圆跳动发展迅速、电机高度调整装置失效、电机绝缘失效等一系列问题,经过诸如转向架轮轴改造、小曲线段加装轨旁轮轨摩擦控制装置、有针对性的轨道打磨等系统性的整治,轮轨病害初步缓解。     

牵引及制动操纵对重载机车轮轨动力作用的影响

基于列车纵向动力学理论和车辆—轨道耦合动力学理论,建立考虑钩缓系统中车钩纵向、横向和垂向作用力的重载列车—轨道耦合动力学模型。以机车牵引万吨列车为考核工况,分析牵引和制动时机车的受力特点,研究牵引力、制动力及车钩力对机车运行性能的影响过程和影响程度,并对理论模型进行试验验证。结果表明:在牵引、电制动及紧急制动工况下,直线线路上机车的轮重分别较惰行工况降低了约13,7和4kN,单纯的牵引或制动力可降低轮轨横向蠕滑力,间接造成轮轨横向力的小幅增大,但轮轴横向力基本不变;车钩力可通过车钩摆角产生横向分量,并传递到轮轨界面,改变轮轴横向力的整体变化趋势;若车钩偏转3°,在电制动工况下,前部机车承受的压钩力较大,引起的轮轴横向力增幅达18kN,在紧急制动工况下,机车上的压钩力幅值小,引起的轮轴横向力在8kN以内。     

基于60 kg/m和60N钢轨的货车轮轨动力学性能比较

为对比分析铁路货车在60 kg/m和60N钢轨上的轮轨动力学性能,以C70货车为例,采用SIMPACK多体动力学软件建立基于60 kg/m和60N钢轨的货车-轨道耦合动力学模型,计算轮轨几何接触关系、车辆运行稳定性和平稳性、轮轨作用力等。计算结果表明:LM车轮踏面与60N钢轨匹配时,轮轨接触点靠近轨面中心,车辆运行有更高的稳定性和平稳性;车辆通过曲线时,车辆在60N钢轨上的轮轨接触斑面积较大,轮轨间的垂向作用力、横向作用力较大,通过小半径曲线时轮轨横向蠕滑力较大;车辆与60 kg/m钢轨之间的总蠕滑力、纵向蠕滑力、最大法向接触应力和磨耗指数较大,加剧了60 kg/m钢轨的磨损。     

2万t重载列车制动与起动条件下轮轨动力特性试验研究

为探明长编组、大轴重运输条件下车辆和轨道的动力相互作用问题,基于现场试验方法,研究了2万t重载列车制动与起动条件下的轮轨动力特性,初步掌握了大轴重重载列车制动与起动条件下轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度的响应特征和变化规律,揭示了重载列车制动与起动状态对轮轨性能影响的差异。研究结果表明:列车制动对轮轨垂向力和轨道结构振动加速度的影响较大,其影响随制动时间的增加而逐渐减小;列车起动过程中轮轨垂向力和轨道结构振动加速度随起动时间的增加而增大;列车制动和起动对轮轨横向力及轨道结构位移的影响不大;由于列车制动加速度大于起动加速度,列车制动时的轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度均比起动时要大。     

基于Archard磨耗模型的合金钢心轨组合辙叉道岔钢轨磨耗研究

基于Archard磨耗模型并结合有限元静动力分析方法,对重载铁路合金钢心轨组合辙叉道岔岔区钢轨垂直磨耗特性进行了研究,给出了一种研究钢轨磨耗的新方法。研究结果表明:受不同断面轮轨接触特性及轮轨力差异的影响,岔区各断面轮轨接触斑内磨耗量的大小及分布存在差异;辙叉轮载过渡区翼轨磨耗严重的机理是轮轨法向接触应力大于翼轨材料硬度的0.8倍导致了磨耗系数的突变,建议将此区域翼轨镶嵌合金钢材料或采用深度爆炸硬化技术处理;轮轨接触应力随行车速度的增加有所增加,随列车轴重的增加而大幅增加,建议有条件的情况下降低C80,C70列车的侧向过岔速度,以减缓道岔的磨耗速率。     

翼轨加高值对高速列车过岔动力特性影响分析

基于岔区轮轨接触关系及轮轨系统动力学理论,以18号高速道岔可动辙叉为例,分别建立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,分析翼轨加高设计对列车过岔动力特性的影响。研究结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,轮轨接触区域开始外移,并由此造成轮对质心垂向位置的降低,引发剧烈的轮轨冲击作用;通过设置合理的翼轨加高值,可有效解决轮对质心垂向位置降低的问题,提高列车过岔平稳性及旅客乘车舒适度;翼轨最大加高值为2 mm时最佳,与无加高设计相比,翼轨加高后,列车第一轮对垂向轮轨力及减载率最大值分别降低了18.16%和35.8%、轮对和车体的垂向加速度则分别降低了48.1%和34.7%,列车垂向振动特性得到明显改善;随着列车运行速度的提高,其过岔时的轮轨动态响应也会不断加剧,鉴于翼轨加高可有效降低列车过岔时的垂向动力相互作用,合理的翼轨加高设计将对列车在岔区的提速具有重要意义。研究成果可为我国铁路线路道岔可动辙叉的结构优化设计提供理论参考。     

轮轨振动行为下高速轮轨滚动接触瞬态特性分析

以CRH2型高速列车头车为研究对象,在轮轨滚动振动接触简化模型的基础上,采用多体动力学软件UM建立高速列车多体动力学数值模型,求解轮轨振动行为下的接触参数并作为有限元分析的输入;采用有限元方法建立高速轮轨滚动接触瞬态有限元模型,对轮轨振动行为下的高速轮轨滚动接触瞬态特性进行分析。结果表明:轮轨的垂向振动明显,轮轨垂向力呈周期性变化,且周期约为0.1s,振动频率约为10 Hz,轮轨垂向力最大为115 751.8N、最小为688.4N,分别为轮轨静载荷的1.938倍和0.012倍;轮对横移的振动频率约为1.05Hz,振幅为5.26mm;轮对横移量在0.5s时最大,为0.2s时的7.17倍,但纵、横向蠕滑力在0.2s时的大于0.5s时的;不同时刻轮轨间纵、横向蠕滑力的均值分别为13 542.11和1 239.07N;在一定范围内,纵、横向蠕滑力与轮轨垂向力、轮对冲角以及接触斑面积呈正相关。     

基于轮轨动态测试的地铁列车运行平稳性异常问题分析

列车平稳性与车辆状态、线路状况、轨道结构及不平顺等因素相关。对某新建地铁线路试运行阶段开展了动态综合测试工作,发现列车在某些区段存在横向平稳性异常问题。通过轮轨动态测试及现场调查等方式对列车平稳性问题进行分析,确定轨向异常是导致列车平稳性异常的原因,并对轨向进行针对性精调及整治。结果表明,列车运行平稳性复测结果满足标准要求。同时阐述了列车平稳性异常问题发现、治理、验证的过程,证明了地铁新线开通前开展轮轨动态测试的必要性。     

轮轨动力学与安全性试验方法对比

我国高速列车与国外轮轨动力学与安全性试验方法不尽相同,且已开通运营里程高达近万公里,所以有必要对轮轨动力学与安全性试验方法进行评估。通过调研整理国内外高速列车轮轨动力学理论研究成果与安全性试验方法,确定了轮轨动力学和安全性试验方法的4方面内容:脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和构架横向稳定性。然后依次从国内外的研究现状、标准限值、测试方法和应用情况等方面进行梳理分析。对比结果显示,我国高速铁路联调联试与车辆型式试验均对4方面内容进行测试,满足高速列车动力学与安全性要求。     

轮轨润滑对高速道岔曲尖轨磨耗的影响研究

研究目的:为研究轮轨摩擦系数匹配对曲尖轨磨耗的影响,本文以18号高速道岔为例,结合车辆-道岔耦合动力学仿真计算,研究不同轮轨摩擦系数匹配下,车辆通过转辙器部分时的系统动力响应和轮轨磨耗特性,以期在保证车辆安全通过道岔的前提下,为降低曲尖轨磨耗、延长曲尖轨使用寿命,提供合理的轮轨摩擦控制方案。研究结论:(1)轮轨摩擦控制能有效减缓曲尖轨磨耗,两侧轮轨摩擦系数由0. 4降低到0. 1～0. 25,则钢轨侧磨将减小45%～76%;(2)相比于单侧轮轨润滑,双侧轮轨润滑下,曲尖轨侧磨降低可达40%;(3)轮轨摩擦控制对行车舒适性几乎没有影响,但当轮轨摩擦系数较低时,脱轨系数为0. 65,接近安全限值0. 8;(4)建议对服役道岔转辙器部分两侧钢轨进行润滑,保证基本轨侧摩擦系数不大于尖轨侧,以减缓曲尖轨磨耗,延长曲尖轨使用寿命。     

降雨及轨顶摩擦控制对驼峰下道岔区脱轨系数的影响

驼峰调车是利用车辆重力进行的溜放式调车作业,能显著提高调车效率,但是在驼峰下道岔区的车辆脱轨事故时有发生。本文设计了现场试验,测试了驼峰下6#道岔在干燥、湿润、轨顶摩擦控制3种工况下的横向力与垂向力,在此基础上分析了降雨及轨顶摩擦控制对驼峰下道岔区车辆脱轨系数的影响。结果表明:雨水和轨顶摩擦控制均可以显著降低驼峰下道岔区轮轨横向力和脱轨系数,对于空车,降雨后道岔区脱轨系数平均降低41%,采取轨顶摩擦控制后道岔区脱轨系数平均降低48%;尖轨区的轮轨横向力和脱轨系数显著大于道岔其他位置,在日常养修作业中应重点关注道岔尖轨区。