准静态下轮对脱轨安全限值研究

基于准静态下的三维轮对脱轨分析模型,推导轮对脱轨临界状态下的力学平衡方程,建立同时考虑轮轴脱轨系数和轮重减载率的轮对稳态脱轨评价方法。采用Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕滑理论充分考虑轮轨蠕滑力对轮对脱轨安全限值的影响。结果表明自旋蠕滑率对轮对脱轨安全限值与安全域影响明显,若忽略自旋蠕滑率的影响,计算得到的轮对脱轨安全限值则偏大,使脱轨安全性评价标准变宽松,对车辆脱轨的评价产生不利影响。研究摩擦系数对轮对脱轨安全限值的影响,结果表明降低轮轨间的摩擦系数对车辆脱轨安全性有利有弊,轮轨间过低的摩擦系数也可能引发车辆脱轨,在确定合理的轮轨摩擦系数时应注意权衡车轮爬轨脱轨与滑轨脱轨。     

表面选区强化对钢轨波磨处轮轨滚动接触行为的影响

层流等离子体表面强化技术可大幅提高钢轨表面的硬度和耐磨性。为了揭示强化处理对轮轨滚动接触行为的影响,建立同时考虑钢轨表面选区强化和短波波磨的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,数值计算了车轮高速滚过一个波磨周期的轮轨力、接触斑黏滑分布和残余应力应变。对比发现:表面选区强化对轮轨力和接触斑黏滑分布的影响较小,不影响钢轨承载性能;对钢轨表面残余应力应变分布的影响明显,残余应力主要集中在屈服强度较高的强化斑内而残余应变主要集中在韧性较好的基体材料上,表面选区强化有效结合了强化斑和基体材料的力学性能,形成了一种强韧的良好匹配。结果可为现场生产服务提供一定的理论指导和应用参考。     

预防非工作边表面裂纹的直尖轨倒圆弧半径取值研究

针对高速道岔直尖轨非工作边表面出现纵向裂纹的问题,通过建立车辆道岔多体动力学模型和三维弹塑性轮轨接触有限元模型,分析倒圆弧半径对直尖轨等效应力及其作用位置的影响。结果表明:尖轨顶宽30mm到顶宽40mm断面间易发生非工作边表面裂纹,其中顶宽35mm断面的受力状态最为不利;倒圆弧半径取值越大,对尖轨降低值的影响越大,为降低对车辆轨道动力性能的影响,在相同条件下,应尽可能选择较小半径的倒圆弧;直尖轨倒圆弧能够有效降低内部的等效应力,并能增大应力作用位置到非工作边的距离;综合考虑直尖轨降低值和受力状态,倒圆弧半径取3mm时优于其他半径取值。     

铁路道岔转辙器部件轮轨两点接触计算方法研究

根据基本轨与尖轨的相对位置及轨下支撑方式,分析车轮与转辙器钢轨的接触特性,在考虑尖轨与基本轨相对运动的基础上,提出铁路道岔转辙器部件轮轨两点接触的计算方法,以18号单开道岔为例,对比分析了标准和磨耗车轮LMA踏面与钢轨匹配时的轮轨接触特性,验证两点接触计算方法的正确性和可行性。研究表明:车轮踏面磨耗后,轮轨接触点位置更多的位于尖轨轨距角附近,会增大尖轨的侧面磨耗;车轮踏面磨耗会导致轮载转移的位置后移,增大车辆进入道岔时轮对蛇形运动的距离和幅度,进而导致横向轮轨动力相互作用的增大;磨耗后的车轮踏面,其轮轨两点接触的可能区域分布较为分散,可能造成轮轨接触点的无规律跳跃,从而引起较大的轮轨冲击振动作用。     

4种地铁减振轨道轮轨动态相互作用对比分析

为了研究地铁曲线段不同减振轨道的轮轨动态相互作用,通过现场实测数据对比分析了橡胶隔振垫道床轨道、钢弹簧浮置板道床轨道、梯形轨枕轨道、单趾弹条扣件轨道4种减振轨道结构的轮轨力、钢轨动态位移,以及对应断面处隧道壁的垂向振动加速度。分析结果表明:单趾弹条扣件轨道振动相对较大,钢弹簧浮置板道床振动相对较小;4种减振轨道对应的轮轨垂向力、横向力、脱轨系数均满足列车安全运营要求;钢弹簧浮置板道床轨道的钢轨动态位移平均值较大,但小于安全限值。     

轨道不平顺作用下动车组安全运行速度限值研究

为研究无砟轨道轨向和高低不平顺对车辆-轨道耦合系统的动态影响,确定各不平顺值下的限速标准,分别建立CRH2A型车和CRH5型车计算模型。通过3σ原理将不平顺样本的10 m弦测值拟合为正态分布,取其μ±3σ的值为该样本不平顺值。计算不同速度等级、不同程度高低和轨向不平顺值时,两种车型的动力响应。研究结果表明:多数工况下CRH5型车所确定的不平顺限值小于CRH2A型车,说明CRH2A型车动力学性能更优;轨向不平顺主要引起车辆横向扰动,高低不平顺主要引起车辆垂向扰动,说明某方向上的不平顺激励主要对同方向造成扰动;列车对于横向的激励较垂向激励更为敏感,因此轨向不平顺限值通常要小于高低不平顺限值;计算得到各动态不平顺值对应的限制速度,利用轨道动静态几何不平顺之间的关系转化得到各速度等级下轨道静态几何尺寸容许偏差管理值,对规范内容有一定的补充。     

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明:近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合,最大计算误差均在8%以内,验证了所建近场动力学模型的正确性;当裂纹萌生于钢轨轨头时,其启裂位置不在钢轨表面,而在钢轨表面以下约2 mm的位置,与现场观察结果一致,验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性;当车轮荷载位于钢轨跨中时,在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中,钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心,裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹,键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4,因此,增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命;当车轮荷载位于轨枕上方时,随车轮滚动状态的改变,钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。      

翼轨顶面坡度对固定辙叉性能的影响

基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学理论,以60 kg/m钢轨12号固定辙叉为例,利用SIMPACK多体动力学仿真软件研究车辆过岔时轮轨接触几何关系和轮轨动力作用,并对比分析翼轨顶面坡度对固定辙叉性能的影响,得出了翼轨顶面坡度值的选取和评价方法。研究结果表明:车辆通过不同翼轨顶面坡度的固定辙叉时,随着翼轨顶面坡度的增大,其动力学指标和磨耗损伤也随之增大;翼轨顶面坡度为1∶20的固定辙叉性能最优,其次为1∶15和1∶13;翼轨顶面坡度的取值方法是合理的。     

轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响分析

研究目的:目前关于轨底坡对轮轨接触行为影响的研究很多,但轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响的相关研究还未开展。为分析轨底坡对我国高速车轮与60N钢轨的轮轨接触行为影响,基于迹线法和三维非赫兹滚动接触理论,分别研究不同轨底坡下高速车轮LMa、XP55、S1002G与60N匹配时的静态轮轨接触特性,包括等效锥度、接触带宽、轮轨接触应力和表面疲劳因子等。研究结论:(1)在1/10的轨底坡下,三种高速车轮型面与60N钢轨接触时表面疲劳因子大于零的情况居多,说明1/10的轨底坡易导致轮轨表面裂纹的出现,不适用于高速轮轨匹配;(2)LMa型面的接触带宽随轨底坡的减小而增大,轮轨接触应力随轨底坡变化不大,轨底坡为1/20时轮轨型面匹配较优;(3)当轨底坡为1/30时,XP55型面的等效锥度最大,使其拥有较好的轮对对中性能和曲线通过能力,轨底坡为1/30时轮轨型面匹配最优;(4)轨底坡对S1002G的等效锥度影响不大,轨底坡为1/20时的接触带宽较小,横移超过4 mm后1/20轨底坡下的轮轨法向接触应力较小,综合来看轨底坡为1/20时S1002G轮轨型面匹配较优;(5)本研究成果可为我国高速铁路轨底坡的设置提供参考。     

有轨电车侧向通过3号道岔的动力学性能分析

3号道岔侧股的曲线半径较小，受到的轮轨冲击力较大，这在一定程度上降低了有轨电车侧向过岔的安全性。为研究有轨电车侧向通过3号道岔时的动力学性能，选取了列车运行速度、摩擦系数、轨距和坡度4个参数作为影响因素。基于车辆动力学理论，对比分析了各影响因素不同取值下有轨电车侧逆向和侧顺向通过3号道岔时轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数及轮重减载率的变化规律。仿真结果表明，有轨电车侧顺向通过3号道岔的动力学性能总体优于侧逆向；在不同的速度、轨距和坡度工况下，侧顺向过岔的安全性优于侧逆向；在不同的摩擦系数工况下，侧逆向过岔的安全性优于侧顺向。4种影响因素对有轨电车侧向通过3号道岔时的轮重减载率影响最大。4种因素中，列车运行速度和摩擦系数对有轨电车侧向过岔的影响较为显著。