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。     

高速铁路轮轨关系典型案例研究

针对高速铁路运营过程中出现的高速道岔直尖轨裂纹、弹条断裂、动车组构架横向加速度报警等典型案例进行研究,分析案例产生的原因,介绍采取的相应对策,阐明研究高速铁路轮轨关系的重要性。研究得出:应通过采取加强钢轨状态检查、加强钢轨养护以保持钢轨良好廓形;大力推广应用钢轨打磨新廓形;积极推广使用60N钢轨等措施改善高速铁路轮轨关系。该研究对进一步加强我国高速铁路轮轨关系维护、确保轮轨关系匹配良好,具有指导意义。     

60N钢轨18号无砟道岔的运用研究

60N钢轨18号无砟道岔在京沈客运专线喀左站进行了试铺,通过预打磨试验、联调联试道岔动力学性能测试及开通后服役性能分析,验证其在高速条件下的适应性。结果表明:60N钢轨道岔可实现与区间60N钢轨的匹配,与60 kg/m钢轨18号无砟道岔预打磨相比减少打磨工作量60%以上,打磨质量更容易保证;综合检测列车以不同速度通过60N钢轨18号无砟道岔时,安全性、平稳性、舒适性和道岔结构动力学等指标均满足列车运行要求。与60 kg/m钢轨18号无砟道岔列车动力学性能测试结果对比表明,构架脱轨系数和轮轨横向力峰值有所降低,其他动力学指标基本相当;60N钢轨18号无砟道岔服役性能试验结果表明,钢轨服役性能良好,无明显磨耗及伤损情况产生。     

60 kg/m钢轨和60N钢轨轮轨接触几何关系对比分析

为揭示我国新研究设计的60N钢轨的轮轨接触几何关系,运用常用的迹线法,以LM型和LMA型车轮踏面为例,对60 kg/m钢轨(简称60钢轨)和60N钢轨轮轨接触几何关系及其对轨底坡和轮对摇头的适应性进行详细研究。结果表明:相比60钢轨,60N钢轨与LM型和LMA型踏面匹配时,轮轨接触点在钢轨上位于钢轨中心位置附近,同时不会在钢轨轨距角附近出现轮轨接触,且在发生轮缘接触前,60N钢轨相比60钢轨对应的等效锥度随着轮对横移量变化很小,说明60N钢轨有效的改善了轮轨接触几何关系;同60钢轨,60N钢轨对于LM型车轮踏面,当轨底坡为1/20时匹配更佳,对于LMA型车轮踏面,当轨底坡为1/40时匹配更佳,而摇头角对60钢轨和60N钢轨的影响基本一致。     

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。     

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。     

基于车体低频横向晃动分析的60N钢轨打磨限值研究

为解决国内部分服役动车组在运营过程中产生车体低频横向晃动问题(以下简称“晃车”),提高车体平稳性和旅客乘坐的舒适性，基于对部分晃车区段(打磨目标为60N钢轨的高速铁路干线)开展跟踪调研与测试的基础上，对比工务系统打磨后左右轨对称情况下，不同偏差值的钢轨廓形对应车体低频横向晃动的差异；并结合动力学仿真软件研究不同偏差值的钢轨廓形对于晃车现象的影响，找出打磨目标为60N钢轨的合理打磨限值并提出相应的打磨措施与建议。结果表明：晃车区段左右股钢轨工作边相较于打磨目标廓形60N钢轨存在过打磨导致等效锥度过小，是造成动车组晃车的重要原因；以车体横向振动加速度、车体横向晃动主频和轮轨匹配等效锥度等值为主要依据，提出60N钢轨在横坐标15 mm处的负偏差为0.1 mm时，会出现晃车现象，建议工务系统以60N钢轨为目标廓形时，按照正偏差打磨，打磨值宜按+0.1 mm控制。     

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。     

地铁曲线段钢轨非对称性廓形研究

提出多弧段钢轨廓形拟合方法:以圆弧半径以及圆弧相切点横坐标为设计变量,以轮轨接触点横向分布密度函数、轮轴横向力最小为目标函数,采用统计方法设定参数边界条件,建立非对称性钢轨廓形设计模型,并运用遗传算法对该模型进行求解,得到地铁曲线段外轨非对称性钢轨廓形.建立车辆系统动力学及轮轨接触力学模型,对设计的非对称钢轨廓形进行动力学性能评价以及磨耗分析.结果 表明,与采用TB60型面钢轨廓形相比,非对称性钢轨廓形基本不影响车辆动力学性能;同时,非对称性钢轨廓形改善了轮轨接触关系;钢轨顶面横坐标为0-25 mm区间内的轮轨接触斑分布密度为86.18％,非对称性廓形钢轨较TB60型面增加了35.21％;在通过车次分别为5.0×105次和1.0×106次的条件下,非对称性廓形钢轨的磨耗深度最大位置较TB60型面向轨顶中心移动5 mm,降低了钢轨的非正常磨耗.     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

CHN60轨与59R2槽型轨对现代有轨电车轮轨匹配性能的影响分析

为研究CHN60钢轨型面、59R2钢轨型面与现代有轨电车不同磨耗车轮型面的匹配性能,对国内一现代有轨电车车轮型面进行现场测量,将运行不同里程后磨耗车轮型面分别与CHN60钢轨型面、59R2槽型轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮轨弹塑性接触有限元模型,对有轨电车轮轨接触的Mises应力、接触状态进行了研究。研究结果表明:新车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力相差不大;随着运行里程的增加,磨耗车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力先增加后减少;有轨电车磨耗车轮与59R2槽型轨匹配的接触斑面积大,最大等效应力小,且形状更接近于椭圆形,轮轨匹配性能较好。     

高速客车轮对动力学性能的比较

为了比较不同车轮踏面及轮对内侧距对高速客车动力学性能的影响,首先采用改进轮轨接触几何关系算法分析了不同情况下的静态轮轨几何接触关系,然后通过车辆/轨道耦合动力学模型,对高速客车蛇行临界速度、运行平稳性和曲线通过性能进行了动态仿真计算。数值计算中,主要考察了LM、LMA、S1002和XP55等4种车轮踏面和轮对内侧距由1350 mm到1360 mm变化的情况。结果表明,车轮踏面形状和轮对内侧距对高速客车动力学性能有重要的影响,且LMA型车轮踏面与1353 mm的轮对内侧距匹配具有较好的动力学性能。要确定合适的车轮踏面和轮对内侧距,须从轮轨接触关系的变化出发,综合评估车辆动力学性能。     

高速道岔发展及研究现状分析

高速道岔是高速线路中必不可少的轨道设备,岔区结构复杂,轮轨接触应力大,更易造成轮轨损伤磨耗及疲劳破坏,威胁高速车辆行车安全,且道岔较区间线路造价昂贵,维护保养困难。因此,了解道岔构造和车辆过岔时的动力学性能,优化岔区轨道廓形及轮轨匹配关系以改善轮轨接触状态、延长道岔使用寿命势在必行。从高速道岔的发展现状出发,阐述数个拥有高速道岔自主产权国家的道岔发展,对比分析了岔区线型、道岔结构特点。通过岔区轮轨关系分析及车辆动力学仿真研究,总结了国内外道岔的研究现状,通过对岔区不同断面进行轮轨匹配研究,提出岔区的发展趋势及研究方向,以期为高速道岔研究与技术创新提供新思路。     

重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.     

槽型轨及普通钢轨对独立轮对轻轨车辆轮轨动力特性的影响

通过建立车辆-轨道动力学模型,对槽型轨及普通钢轨条件下,车辆曲线通过时的轮轨动力响应进行了仿真计算及对比分析.对比分析表明虽然Ri60轨条件下的轮轨横向力及脱轨系数较大,但由于其断面类型决定了其具有护轨功能,对于确保车辆安全有利;Ri60轨与CHN50轨条件下的轮轨磨耗基本相当,但槽型轨有利于轨道做铺面或绿化,因此对于敷设方式以地面为主的轻轨系统,采用槽型轨较为合理.     

服役转臂节点刚度对运营车辆动力学影响研究

运用SIMPACK软件建立CRH3型高速动车组模型,结合试验获得服役120万km转臂节点刚度变化范围,在考虑2种抗蛇行减振器、3种磨耗踏面与3种钢轨廓形匹配的实际运营工况下,仿真分析服役转臂节点刚度变化对车辆动力学性能的影响。结果表明:120万km服役转臂节点纵向刚度分布范围为90~150 MN/m,主要变化率在-10%~0%之间。在服役转臂节点刚度变化范围内,增大转臂节点纵向刚度可以降低车辆非线性临界速度及运行平稳性,并增大轮轨磨耗,其影响程度与轮轨匹配关系以及抗蛇行减振器种类关系紧密。为保证车辆运行稳定性及平稳性,建议避免使用60N(min-wear)钢轨,适当减小转臂节点刚度以及使用T60抗蛇行减振器。     

地铁道岔尖轨早期伤损分析

近年来国内地铁线路建设和开通呈井喷形势,但是新开通线路尖轨出现早期异常伤损现象较为普遍,给列车安全运行、线路运营带来隐患。通过对地铁新建线路道岔尖轨早期出现伤损的调研,深入研究伤损形貌与特征,结合轮轨关系、道岔转辙器结构特性、运动特性、尖轨线型、尖轨轨顶坡、轨道弹性等影响因素进行分析,判断地铁尖轨的破损型属于接触疲劳伤损,得出产生轨头接触疲劳伤损的主要原因是轮轨接触应力过大,提出一致性新车轮的运营条件引起的接触应力集中,是产生伤损的主要原因的结论,并提出改善轮轨关系、改善运营条件、提高材料性能、加强维护保养等延缓地铁道岔早期伤损的措施。