柔性轨道下高速列车车轮谐波磨耗对轮轨滚动接触蠕滑特性的影响

针对柔性轨道下因谐波磨耗车轮激励而引发钢轨和轮对振动时的轮轨蠕滑问题,在分析柔性轨道下轮轨间滚动接触振动对轮轨蠕滑特性影响机理的基础上,基于CRTS型双块式无砟轨道和CRH2型高速列车,采用ANSYS和UM软件建立柔性轨道下高速列车的动力学数值模型;选取6种典型谐波磨耗(阶数分别为1,6和11阶;对应波深分别为0.1和0.3mm)车轮,进行轮轨滚动接触振动特性、轮轨蠕滑力和蠕滑率的分析。结果表明:车轮谐波磨耗阶数和波深的增加均导致钢轨垂向加速度、轮对垂向加速度、轮轨垂向力及轮轨蠕滑力和蠕滑率的大幅增加,且与阶数的影响相比,波深对滚动接触蠕滑特性的影响更大;当车轮的谐波磨耗取11阶和0.3mm波深时,轮轨垂向力最大值、钢轨垂向加速度最大值、轮对垂向加速度最大值和平均值、纵向蠕滑率平均值、纵向蠕滑力绝对平均值、横向蠕滑力最大值、纵向蠕滑力最大值分别约为车轮无谐波磨耗时的7.27,49.6,20.35,15.18,7.8,9.064,6.7和8.57倍;考虑柔性轨道后,轮轨接触脱离时间明显增加,轮轨蠕滑率和蠕滑力也有明显增大。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨垂向力的影响

列车车轮多边形磨耗会引起轮轨间作用力明显增大,对车辆和轨道部件产生恶劣的影响,严重时将会威胁到行车安全。本文以某城际高速列车在运行过程中发生转向架部件损坏事故为例,建立高速车辆-轨道耦合动力学模型和车轮多边形不平顺输入模型,计算分析列车运行速度、车轮多边形幅值及其阶数(或边数)等因素对轮轨垂向力的影响规律。结合现场高速车轮径跳的镟修期限统计和经验,以轮轨垂向动载荷限值为依据,考虑在不同速度下1~23阶车轮多边形幅值的影响,初步建立高速车轮多边形状态下的安全镟修限值。并通过分析安全限值曲线发现,当列车运行速度越快和车轮多边形阶次越高时,即使很小的车轮非圆化磨耗幅值也能导致轮轨力超出限值要求。本文结果可为高速列车车轮镟修维修工作提供参考和指导。     

基于柔性旋转轮对的车轮多边形磨耗对轮轨力的影响分析

为研究考虑柔性轮对旋转效应时车轮多边形磨耗对轮轨力的影响,结合有限元法和多体动力学理论,建立了带有车轮多边形磨耗的车辆轨道刚柔耦合动力学模型,编写了车辆轨道耦合动力学程序及欧拉坐标系下的柔性轮对计算程序,并在此基础上计算了刚性轮对、忽略旋转效应的柔性轮对和考虑旋转效应的柔性轮对存在多边形磨耗时的轮轨力,分析了多边形阶数、磨耗程度对轮轨力的影响。研究表明:在考虑柔性轮对旋转效应的车轮多边形磨耗影响下,轮轨力响应存在主频分离现象,对轮轨力的波动影响较明显;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形阶数为24～28阶时,轮轨垂向力出现了拍振现象且波动较大,相对于轨枕位置存在约0. 5π的相位超前;当多边形磨耗严重时,高阶多边形引起的2倍频能量上升,对轮轨力的波动幅值影响较大。     

车轮磨耗对轮轨匹配的影响规律

轮轨匹配是影响高速动车组动力学性能的重要因素,合理的车轮型面可以提高轮轨匹配特性,从而减小轮轨间作用力。选取一列状态良好、运行固定交路的高速动车组进行长期跟踪测试,对比分析不同里程下的车轮踏面状态,对照相应里程时的车辆动力学性能,分析研究各磨耗阶段轮轨匹配对车辆性能的影响。     

车轮谐波磨耗对高速车辆运行安全性的影响分析

为研究车轮谐波磨耗对车辆运行安全性的影响,首先建立钢轨及路基振动的车辆-轨道-路基耦合大系统仿真模型,然后根据最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗阶数以及波深0.1 mm、0.3 mm的6种典型谐波磨耗对轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标的影响进行仿真分析研究,并依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比分析。结果表明:车辆计算的最大脱轨系数处于安全限度内,不会发生脱轨;而最大轮重减载率超过评定限值0.8,存在安全风险,同时最大轮轨横向力值也接近国际安全极限值,有安全隐患。本研究有利于评估车轮谐波磨耗对高速行驶车辆的安全影响,为车辆安全运行提供理论依据。     

高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响研究

为研究高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响,选取修正的Elkins磨耗指数方法计算轮轨间的磨耗指数,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真的方法,将轮对、转向架构架和车体逐步进行弹性化处理,建立全弹性的车辆系统动力学模型,基于此模型进行数值计算,从时域、有效值、最大值3个方面,结合速度因素,分析摩擦系数、轮对内侧距和轨底坡对轮轨磨耗的影响。结果表明,在相同速度下,摩擦系数越小,轮轨磨耗越严重,随着摩擦系数的增大,轮轨磨耗趋于平稳;随着轮对内侧距的增大,磨耗指数整体呈增大趋势,但轮对内侧距对轮轨磨耗的影响较小;当轨底坡的值取为1/40～1/20时,轮轨磨耗较小;在相同轮轨接触几何参数下,列车运行速度的提高加剧了轮轨间的磨耗。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

空间耦合振动下车轮谐波磨耗对车辆运行安全的影响

车轮谐波磨耗造成的轮轨间高频接触振动和冲击,是高速列车运行不可忽略的问题,会对列车运行安全性造成重大影响。阐述了车轮谐波磨耗形式,建立了包含柔性钢轨及路基的列车-轨道-路基耦合系统动力学仿真模型。根据实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗、波深为0.1 mm和0.3 mm的6种典型谐波磨耗进行了轮轨横向振动加速度分析,并研究了轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标。依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比,结果表明:最大轮轨横向振动加速度在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时达到峰值;最大轮轨横向力在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时接近国标限定值;最大轮重减载率在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时超过安全限值;最大脱轨系数在不同形态谐波磨耗下均在安全限度范围内,不会发生脱轨现象。     

轮轨材料硬度匹配对车轮多边形磨耗影响的试验研究

为研究轮轨材料硬度匹配对车轮多边形磨耗的影响和寻找避免出现车轮多边形磨耗的轮轨材料硬度匹配关系,利用轮轮滚动接触磨损的小比例试验台,开展低、中、高硬度轮轨材料在9种硬度匹配时干燥条件下的车轮试样多边形磨耗试验。结果表明:轮轨材料硬度比小于1.05时,车轮试样产生明显的16阶多边形磨耗,且与轨道试样耦合振动频率为53.3Hz,车轮试样多边形磨耗的径跳随轮轨材料硬度比的提高逐渐降低;当轮轨材料硬度比大于1.36时,车轮材料试样几乎不发生多边形磨耗;在9种硬度比下,钢轨试样均未出现明显的多边形磨耗。     

车轮擦伤对高速轮轨接触行为的影响

在高速列车运行过程中,车轮踏面常因制动或空转打滑而造成局部擦伤。车轮擦伤将产生异常的轮轨冲击力,从而加剧车辆轨道结构的疲劳破坏。为调查车轮擦伤对高速轮轨接触行为的影响,建立考虑车轮擦伤的高速轮轨动力学模型,对新、旧两种车轮擦伤扁疤的几何形状及作用机理进行数值描述和动力学建模。基于动力学仿真计算,对新、旧车轮擦伤激扰下高速车辆的动力学响应进行详细调查,着重分析车轮擦伤对轮轨法向作用力及轮对垂向振动加速度的影响,并系统调查了车速、车轮擦伤扁疤深度及长度对高速轮轨冲击的影响,提出了高速车轮擦伤维修界限的计算方法。     

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。     

轮轨非均匀磨耗对地铁车辆振动的影响研究

对存在明显钢轨波磨和车轮多边形线路的地铁车辆振动行为进行了试验研究。结果表明,钢轨波磨处的振动加速度主频通常为一个固定频率;由车轮多边形引起的振动加速度的主频为车轮多边形的通过频率;在车辆加速或减速段轴箱振动加速度的主频随车速呈线性变化;由车轮多边形引起的振动明显高于钢轨波磨引起的振动。     

铁路货车参数对车轮磨耗影响的仿真研究

为研究铁路货车参数对车轮磨耗的影响,在确定车轮磨耗仿真原理的基础上,采用轮轨半赫兹接触模型、FASTSIM算法和修正后的Zobory车轮磨耗模型以及车辆-轨道系统动力学模型建立车轮磨耗预测模型,仿真研究转向架结构型式、一系定位刚度和轴距以及车轮直径、车速对车轮磨耗的影响.结果表明:与装用摆动式和交叉支撑转向架相比,装用径向转向架能有效地减轻轮缘磨耗,并能增加车轮段修磨耗寿命;一系纵向定位刚度从9MN·m-1增加到21 MN·m-1后,车轮段修磨耗寿命减少33％,轮缘磨耗增加124.7％;轴距从1.6m增大到2.4m后,车轮段修磨耗寿命减少36.6％,轮缘磨耗增加180.2％;车速从60km· h-1增加到120 km· h-1时,车轮段修磨耗寿命降低45.0％,磨耗面积增加74.2％;车轮直径从800 mm增加到915 mm后,车轮段修磨耗寿命增加30.5％,轮缘磨耗减小20.1％,因此增大车轮直径可以减小大轴重货车的车轮磨耗.     

基于轮轨磨耗对30t轴重货车车轮踏面优化研究

通过对30t轴重铁路货车的仿真,对比分析车轮采用LM磨耗型踏面与75kg/m、60kg/m两种钢轨匹配后各磨耗评定指标,得出LM型踏面与75kg/m重型钢轨匹配时存在一定不适应的结论。为了满足我国大轴重铁路货车技术的发展需求,从减少轮轨磨耗考虑,设计出两种与75kg/m重型钢轨匹配性能更优的车轮踏面。基于FASTSIM算法和Archard磨耗模型,对30t轴重货车车轮磨耗进行仿真计算,并对比分析优化前后车轮踏面磨耗状态及相关指标。研究结果表明:两种优化型踏面与75kg/m钢轨匹配下的车轮磨耗程度均比LM型踏面车轮磨耗要小,而且随着运行里程的增加,这种趋势更加明显。     

柔性轮对及车轮多边形对高速铁路轮轨系统动力响应的影响

基于刚柔耦合动力学理论建立柔性轮对车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,结合现场实测轴箱加速度验证了模型的可靠性。采用谐波叠加法模拟车轮多边形,对比了有无车轮多边形对轮对振动加速度的影响。在此基础上,分析了车轮多边形参数（如多边形阶次、幅值变化）对轮轨系统振动的影响。结果表明,车轮多边形将导致柔性轮对垂向加速度显著增大;与刚性轮对模型相比,柔性轮对及转向架的垂向加速度显著增大,此时多边形激振频率（674 Hz）成为影响其垂向振动的主要因素;轮对垂向加速度随多边形阶次的增加先增大再减小,当车轮多边形阶次为20阶时,轮对垂向加速度达到最大值;钢轨垂向加速度随多边形阶次的增加而增大;轮对垂向加速度、钢轨垂向加速度随多边形幅值的增大而增大。     

基于Zobory模型的机车车轮磨耗研究

以D20E型内燃机车为例,采用SIMPACK软件建立了该型机车动力学模型,并根据越南干线实际线路建立线路模型。根据FASTSIM算法与Zobory磨耗预测模型,对机车车轮踏面磨耗的分布和发展情况进行仿真计算,并与现场测量结果进行比较。结果表明:车轮踏面上(-50~45mm)区间是发生磨耗的主要范围,在轮缘根部处(-37~-26mm)范围内磨耗最大;随着运行距离的增加,车轮轮缘根部处的磨耗更加明显,踏面磨耗发展规律基本相同;踏面磨耗量的预测结果较实际测量结果低。     

铁路曲线上轮轨磨耗影响参数的仿真研究

运用SIMPACK虚拟样机技术,从线路设计及养护维修的角度出发,对铁路曲线上车辆速度、轨底坡、曲线超高及钢轨涂油对轮轨磨耗的影响进行仿真计算和分析。分析结果表明:为降低轮轨磨耗及保证行车安全,车辆速度以比线路条件决定的最高行车速度略低为宜;曲线超高过低或过高均会增大轮轨磨耗,由于小半径曲线上设置的超高一般偏大,故而适当降低小半径曲线的超高对于降低轮轨磨耗是有利的;轨底坡的适当增大可使得轮轨磨耗有一定降低,但效果不明显,且轨底坡过大会加剧轮轨磨耗;对钢轨进行适当的涂油可有效降低轮轨磨耗,但应进行严格控制,涂油太多对于降低轮轨磨耗反而不利。     

车轮多边形磨耗对车桥耦合振动响应的影响

为探究车轮多边形磨耗对车桥耦合系统振动响应的影响规律,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真方法,以国内某高速列车和铁路简支梁桥为原型,建立车桥耦合振动分析模型,把轨道不平顺和车轮多边形磨耗作为系统的输入激励,对车桥耦合系统的振动特性展开研究。结果表明：车轮多边形磨耗对车桥耦合系统的振动响应影响显著;3阶车轮多边形磨耗使轮重减载率增大67.7%,严重降低了列车行驶的安全性,也使桥梁跨中横、竖向加速度分别增大2.74倍和2.27倍;车桥耦合振动响应随着车轮多边形磨耗幅值、阶数的增大而增大,当车轮多边形磨耗幅值由0.02 mm增大至0.08 mm时,列车轮重减载率、桥梁跨中横向和竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加76.5%、174%和127%、47.3%和83.1%;当车轮多边形磨耗阶数由1阶增大至4阶时,列车轮重减载率、桥梁跨中竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加116%、389%、82.0%和170%。特别地,列车以200 km/h速度运行时,3阶车轮多边形磨耗引发桥梁横向共振使得桥梁跨中横向加速度显著增大,是4阶车轮多边形磨耗作用时的2.74倍。     

考虑车轮扁疤的轮轨磨耗演化及其对车线桥系统的影响分析

基于车辆-轨道-桥梁相互作用理论和Archard材料磨损原理,建立高速车辆-轨道-箱梁桥耦合系统动力学模型,计算M2维护周期内含扁疤车轮轮轨磨耗深度分布,探讨含扁疤的轮轨磨耗演化对轮轨接触特性及车辆-轨道-桥梁系统动力学性能的影响.研究结果表明:随磨耗深度增大,含扁疤的磨损轮轨匹配时轮对横移引起的接触角、半径差变化越大...