时速400km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着系数试验研究

在试验条件基本相同的情况下,全尺寸高速轮轨关系试验台与线路实车在160～300 km·h~(-1)速度范围内轮轨牵引黏着系数试验结果有较好的一致性。利用全尺寸高速轮轨关系试验台,测试时速400 km速度级内水介质条件下车轮表面在低、中、高粗糙度水平时牵引黏着系数随速度的变化规律,并将车轮在中等粗糙度水平时的试验结果与日本新干线的试验结果进行比较,提出我国高速轮轨间水介质条件下牵引黏着系数与速度的关系表达式。结果表明:在水介质条件下,轮轨接触表面状态相同时,牵引黏着系数随速度的增加而减小,速度较低时(40～200 km·h~(-1))随速度的增加减小得较快,而速度较高时(200～440 km·h~(-1))随速度的增加减小得较慢;40～440 km·h~(-1)速度范围内各个速度级下,车轮高粗糙度水平(R_a为0.7～0.8μm)时牵引黏着系数较中等粗糙度水平(R_a为0.4～0.6μm)时增加0.036左右。     

油介质条件下轮轨黏着特性的试验研究

利用JD—1轮轨模拟试验机研究轮轨受污油、污油水混合物和污油水砂子混合物3种油介质污染工况下,不同轴重和车轮速度对轮轨黏着系数的影响。结果表明:当车速为90km·h-1时,污油和污油水混合物工况时的轮轨蠕滑特性相差不大(加水之后黏着系数减小);污油和污油水混合物工况下21和23t轴重时轮轨黏着系数相差较小,而25t轴重时的黏着系数明显比21和23t轴重时的大,但轮轨表面均未出现严重的磨损;在污油水砂子混合物工况下,轮轨黏着系数显著提高,但同时大大加重了轮轨表面伤损;当轮轨受到污油和污油水污染时,轮轨黏着系数均随着车速的提高而减小。     

水介质条件下轮轨黏着特性试验研究

在JD—1轮轨模拟试验机上进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明:在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的黏着系数较干态时的黏着系数降低了50%~60%;在水介质条件下,不论是最大黏着值还是稳定黏着值(机车实际运行黏着区),受车轮速度影响较大,黏着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对黏着系数的影响较小;黏着系数在达到最大值(饱和值)之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大黏着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。     

复杂运行环境下高速轮轨最佳撒砂增黏策略试验

在车轮-钢轨高速接触疲劳试验机上开展水、油和树叶等污染下的高速低黏着和增黏试验,通过最高速度200km·h-1的对滚试验,测得不同第三介质条件下的轮轨黏着-蠕滑特性曲线,研究增黏砂粒径和撒砂量对增黏效果的影响。结果表明:喷撒增黏砂可有效恢复各种污染下的轮轨黏着水平,使200km·h-1下轮轨黏着系数保持在0.18以上,低速下更高;增黏砂粒径在0.4~1.0mm范围内增大或撒砂量在40~100g·min-1范围内增加时,增黏效果均稍稍增强,综合考虑确定试验机的最佳撒砂量为40g·min-1、最佳粒径为0.85~1.0mm;考虑试验机与现场轮轨系统的尺寸差异、运行时复杂气流所致砂粒损失及适当冗余度等因素,建议现场最佳撒砂量为115~175g·min-1、最佳粒径为1.0~2.0mm;喷撒增黏砂会造成车轮接触表面的麻坑损伤,也是造成现场车轮踏面常见麻坑损伤的根本原因。     

轮轨油污染黏着特性的三维数值分析

在油污染工况下,建立一个考虑轮轨表面粗糙度的三维轮轨黏着特性数值分析模型.应用Patir和Cheng提出的平均流量模型,以多重网格法和多重网格积分法作为数值计算的工具,得到轮轨间存在油介质时的液体、固体粗糙峰接触压力以及膜厚的分布规律,并研究列车速度以及轮轨表面粗糙度对轮轨间黏着特性的影响.研究结果表明:随着列车速度增加,轮轨间的黏着系数逐渐下降;随着轮轨表面粗糙度的增大,轮轨间的黏着系数逐渐增大.此外,从数值角度分析速度增大引起黏着系数下降和粗糙度增大所引起黏着系数上升的机理.     

时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究(一)——水介质条件下黏着特性

300～400 km·h-1速度范围内高速列车在湿轨条件下的制动黏着行为特点尚不清楚,制约着时速400 km高速列车制动黏着的有效利用.针对这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,研究高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性,提出基于高速轮轨关系试验台的轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性试验方法,探究100～400 km...     

基于细观尺度粗糙轮轨接触蠕滑特性数值分析

为了进一步考虑粗糙表面对轮轨蠕滑的影响,从微凸体的微米尺度跨越到米的尺度,着力于摩擦的物理学本质,建立干摩擦工况下的轮轨蠕滑力的二维动态计算模型。通过微凸体接触与断开来模拟轮轨接触的滚滑运动,讨论不同速度、蠕滑率、轮轨表面粗糙度参数等因素对轮轨黏着系数的影响,对每个因素造成的轮轨牵引系数的变化进行数值分析。在中低速情况下,通过对线路测量数据和实验室JD对滚机数据与模型计算结果的对比,验证了模型的有效性。结果表明随着速度的增大,黏着系数随之下降;适当增加轮轨表面粗糙度能提高轮轨间的黏着系数;同时以非人为划分的方式重现接触斑内牵引系数变化的过程,从黏着区到滑动区的过渡过程。     

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.     

地铁车辆频繁启停工况加速钢轨滚动接触疲劳损伤行为

列车启停过程中轮轨接触应力复杂交变,近站点附近车辆频繁启停运行工况加速了钢轨滚动接触疲劳损伤。为深入了解地铁车辆频繁启停工况下的钢轨滚动接触疲劳损伤特性,利用轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台(JD-DRCF/M)开展频繁启停工况下轮轨滚动接触疲劳试验。对比研究4种不同加/减速度工况下(0,400,800和1 200 r/min²)轮轨滚动接触界面黏着、钢轨磨耗和疲劳裂纹行为。研究结果表明：在干态环境中,加速工况显著降低了轮轨界面的黏着系数,其中：800 r/min²加速度下降幅最为明显;而进入水介质环境后,黏着系数出现瞬时极低值、加速度工况下的黏着系数降幅程度差异显著。加速度工况未引起钢轨的过高磨耗,但其对钢轨磨损形貌、表面粗糙度等的影响均较为显著,过高的加速度极易诱发钢轨以剥层机制失效并伴随表面粗糙度的大幅提升。钢轨磨耗与轮轨界面的剪切作用密切相关,加速度的存在往往不同程度地加剧了近表层钢轨材料的塑性变形和疲劳裂纹的萌生与扩展,使得裂纹扩展角、裂纹长度与数量均有不同程度地增加。因此,有必要开展实验条件下钢轨试样滚动接触损伤与实际现场钢轨损伤间的...     

潮湿状况下表面粗糙度和温度对轮轨黏着的影响

为研究如何防止在驱动时车轮空转、制动时车轮滑行,用喷水的办法改变轮轨表面粗糙度和温度,利用双圆盘滚动接触试验台针对轮轨牵引系数进行了一系列试验。结果表明,在任意温度状态下,最大牵引系数都发生在1μm~3μm的合成粗糙度范围内。随着温度的上升,最大牵引系数可以增大到0.4。     

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：车辆通过曲线区段时，轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著；轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力，致使脱轨系数增大，尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大；通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数，同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数，提高车辆横向运行安全性；内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定，且随曲线半径增大而减小。     

200～250km·h-1客货共线铁路列车速度匹配研究

以250 km·h-1和200 km·h-1旅客列车作为基本列车,计算停站基本列车、普通旅客列车(160km·h-1)和货物列车(120和80 km· h-1)的扣除系数.采用扣除系数法,计算不同速度列车共线运行时的通过能力.计算结果表明,以通过能力不低于110对作为标准,在200 km·h-1速度等级的铁路上,200km·h-1旅客列车可以与80 km· h-1或120 km· h-1货物列车共线运行,在250km· h-1速度等级的铁路上,250km·h-1旅客列车可以与120 km· h-1货物列车共线运行,但不宜与80 km· h-1货物列车共线运行.     

不同轴重重载列车作用下轮轨垂向力试验研究

依托重载铁路30 t轴重实车综合试验,获得大量轮轨垂向力实测数据,运用数理统计分析,揭示不同轴重重载列车作用下轮轨垂向力分布特征以及变化规律,提出轮轨垂向力概率密度分布函数,以及轮轨垂向力平均值、标准差与轴重和速度的联合关系式。研究结果表明:轮轨垂向力平均值和最大值随着轴重增加线性增大,标准差随轴重增加呈负指数函数式减小;轮轨垂向力平均值随速度呈指数式增长,最大值、标准差以及变异系数均随着车速增大线性增长;不同轴重重载列车轮轨垂向力均服从正态分布;根据轮轨垂向力与轴重、速度的联合关系式可对不同轴重列车以不同速度运行时轮轨垂向力平均和标准差做出预测。研究成果对于重载铁路工程结构设计和养护维修具有指导意义。     

空气湿度对地铁车轮磨耗的影响及机理研究

车轮磨耗影响着地铁的运营安全和运营成本。目前,关于车轮磨耗的研究多集中于轴重、轮轨接触状态等因素的影响,考虑空气湿度影响的研究较少。通过对某城市地铁进行了长期监测,对每月的车轮平均磨耗量及空气相对湿度进行了统计分析,得出了车轮磨耗量随空气湿度增加而降低的规律;并结合已有试验数据,对这一规律进行了验证。对空气湿度影响车轮磨耗的机理进行了探讨,发现在气温未达到露点温度时,湿度主要影响轮轨接触表面的粗糙度、硬度以及氧化膜的形成;在气温达到露点温度之后,轮轨表面将会形成水膜,这将会降低轮轨间摩擦系数,降低车轮的磨耗量。     

高速铁路路桥过渡段轮轨力分析

通过武广客运专线某路桥过渡段的现场车检数据分析,对高速铁路路桥过渡段轮轨力随列车速度的变化规律进行研究.结果表明,动车通过路桥过渡段时轮轨垂向力明显增大,且当车速达300 km·h-1及以上时增幅更加明显;在200～340km· h-1车速范围内,轮轨垂向力的变化范围为31.1～100.46kN,最大轮轨垂向力是过渡段内轮轨垂向力有效值的125％～147％;各速度级下的轮轨垂向力均符合正态分布,其平均值基本在50～60 kN范围内,但动车速度越大,轮轨垂向力值越离散;置信概率为99.4％时预测的过渡段上最大轮轨垂向力值在71～90 kN范围内.     

高速轮轨粘着机理试验研究

系统介绍了在滚动振动试验台上所进行的１：１实物模型高速轮粘着机理试验情况，试验包括干净表面、水润滑和油润滑三种轮轨表面状态在不同轴重、不同速度工况下的粘着试验。试验不仅得到了完整的粘着力（粘着系数）与蠕滑率的关系，同时得到了粘着系数与运行速度的关系。最后，通过拟合轮轨接触函数型摩擦系数并进行计算，首次使轮轨接触粘着计算与试验结果一致。     

机车车辆轮轨黏着-蠕滑问题研究

机车车辆轮轨黏着问题与机车运行存在密切关系。在其他条件不变情况下,牵引轴重必将加大滑动区面积,但随着蠕滑率的不断加大,黏着系数随着轴重增加而减少。黏着控制实质是蠕滑率控制,目的是有效识别和抑制机车空转和滑行,使机车牵引力或制动力在接近轮周牵引力峰值点工作,充分发挥轮轨可用黏着潜力,提高黏着利用率,并根据国内机车黏着利用方面存在的不足提出改进建议。     

实测轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响分析

由于铁路系统的开放性，轮轨界面难以避免遭受第三介质(如水、油、雪等)的侵袭，轮轨蠕滑特性将因此改变。为研究轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响，首先，基于最小二乘法原理获得适用于Polach接触模型的参数，以模拟水介质条件下40～400 km/h行车速度范围内的实测轮轨蠕滑曲线；随后，采用SIMPACK多体动力学仿真软件建立车辆-轨道动力学模型，利用FASTSIM算法和Polach模型分别模拟理想条件与实测轮轨蠕滑曲线，以300 km/h运行速度为例，详细对比这两种蠕滑曲线条件下车辆-轨道动态相互作用的差异，并进一步分析运行速度的影响。研究表明：车辆运行速度为300 km/h时，实测轮轨蠕滑曲线对应的轮对横移量和轮对摇头角分别为干态工况结果的1.375倍和3.2倍，进而导致纵/横向蠕滑率明显大于干态工况结果；速度所致轮轨蠕滑曲线的差异对轮轨蠕滑力、脱轨系数以及磨耗指数影响较大，速度为160 km/h时尤为显著。因此，在进行车辆-轨道耦合动力学仿真分析时，有必要考虑实测的轮轨蠕滑曲线。     

重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

轨道交通轮轨接触面材料性能与轮轨切向接触阻尼关系研究

为准确计算轮轨切向接触阻尼,基于接触阻尼理论,考虑轮轨材料的弹塑性变形和车轮表面粗糙度,采用有限元法,将轮轨材料的接触面进行离散;基于罚函数面-面接触算法定义轮轨接触,建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;通过间接输入实际车轮表面硬度数据并且加载位移载荷来计算轮轨切向接触阻尼损耗因子和轮轨切向接触阻尼.仿真结果表明:轮轨切向接触阻尼损耗因子随着法向载荷、摩擦系数和车轮表面硬度的增加而减小,而粗糙度对其影响不大;轮轨切向接触阻尼与法向载荷、材料表面的摩擦系数及材料表面的硬度呈正相关;随着摩擦系数的增大,轮轨切向接触阻尼先增大后趋于稳定;轮轨切向接触阻尼与运行里程数并非呈现单调性变化.因此,当考虑轮轨材料表面粗糙度微观结构时,更能够反映实际情况.