铁道科学研究院2005年科技成果简介(续四)

31 机车车辆车轮剥离原因分析及改进对策的研究 在大量现场统计分析的基础上，结合实际运用的特点，对典型样品进行车轮剥离的失效分析，指出机车车辆车轮剥离有4种类型：制动剥离、接触疲劳剥离、局部擦伤剥离、局部接触疲劳剥离。在同一失效车轮上可能存在上述剥离类型的1种或几种。制动剥离一般发生在踏面闸瓦制动的车轮上，是车轮踏面热机械损伤的主要表现形式，研究表明，它主要以制动热裂纹和马氏体碎裂2种形式出现。接触疲劳剥离指的是在轮轨接触应力作用下导致轮轨接触面表层金属塑性变形及疲劳裂纹萌生和发展的破坏方式。     

列车车轮踏面制动温度循环试验与温度场仿真分析

在分析货物列车踏面制动方式下车轮踏面热振裂纹和车轮热疲劳裂纹产生机理的基础上,以国内碾钢车轮材料为对象进行踏面制动温度场试验,重点研究制动过程中摩擦热源向转动车轮踏面表面传热的关系,模拟车轮旋转周期内闸瓦摩擦生热和对流换热交替变化的规律,建立车轮制动过程瞬态温度场三维有限元模型,改进以整体输入热流和对流换热的简化模式为基础的传统理论的热应力计算方法。通过在摩擦制动动力试验台进行的制动试验,证明计算模型从宏观和细节方面比较完整地反映了车轮踏面制动热温度场的实际工况。为确定车轮踏面制动极限和作用方式、列车制动距离等技术规范提供计算依据。     

弹性车轮踏面裂纹产生机理研究及解决措施探讨

有轨电车运行条件复杂、恶劣,运用过程中偶尔出现车轮踏面裂纹问题,给行车安全带来隐患。文章通过分析弹性车轮踏面裂纹形貌、显微组织、力学性能、化学成分等内容,探讨了踏面裂纹产生机理,提出造成踏面裂纹的直接因素为车轮在运用过程中出现滑行,轮轨接触表面产生高温,易导致车轮踏面表层出现脆硬的马氏体白层,并伴有微裂纹,在轮轨力反复作用下,微裂纹扩展形成宏观疲劳裂纹。针对此原因,梳理了车辆控制逻辑并分析了车载监控数据,确定了车辆运行中频繁使用紧急制动且撒砂系统动作延时设置不合理是导致车轮滑行的根本原因,制定了撒砂系统动作不延时、车辆运用过程中非必要不采取紧急制动进行减速或停车等措施。经运用验证,上述措施可有效解决此类车轮踏面裂纹的产生。     

提高轮轴运用安全性,降低全寿命周期成本(续完)——第十三届国际轮轴大会论文概要

2 多媒体展示内容简介 2.1 轮轨关系与动力学 在轮轨关系和动力学研究方面共发表了9篇论文. 乌克兰A.I.Kozlovsky等人的论文题目为<通过优化货车和机车车轮踏面来提高列车的动力学稳定性>.文章认为,通过优化货车和机车车轮踏面,采用复合曲线轮廓车轮,可使轮轨最大接触应力降低25%,这将有利于提高列车的动力学稳定性.     

机车轮箍踏面鳞状缺陷分析

针对机车轮箍踏面出现的鳞状缺陷,通过对故障轮箍取样检验。发现缺陷处存在热影响组织,说明缺陷形成经历了超过轮箍钢相变点的高温过程。高温拉伸试验表明轮箍材料强度在超过400℃后迅速下降,因此轮箍踏面表层在高温下受轮轨接触应力作用而发生塑性变形甚至开裂。这解释了缺陷的外貌特征、变形组织和内部裂纹。对照AAR标准,确认该缺陷为制动时车轮滑动造成的"踏面堆积"。     

城轨车辆用踏面清扫瓦的研制

采用盘形制动系统的城市轨道交通车辆由于线路涂油、环境潮湿等原因容易导致轮轨黏着系数降低,从而增加车轮踏面擦伤的风险,现介绍新研制的城轨车辆用踏面清扫瓦,并成功应用于重庆地铁6号线车辆。实际线路测试证明踏面清扫瓦效果良好,实施踏面清扫后,轮轨黏着条件明显改善,有效降低了车轮踏面发生擦伤的风险。     

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。     

南京地铁列车车轮踏面非正常磨耗初析

研究了南京地铁列车车轮踏面非正常沟状磨耗的成因.对车轮、钢轨的外形、材质和硬度等进行了测试,分析了轮轨接触和制动磨损的影响,提出了沟状磨耗的原因.测试结果分析表明,该地铁车辆拖车轮踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制动施加频度过高、轮轨接触又不均匀的内因作用下产生的.     

地铁车辆车轮踏面异常磨耗原因初探

运营速度80 km/h常规城轨车辆的基础制动方式基本采用踏面制动+合成闸瓦,文章针对城轨车辆合成闸瓦对车轮踏面磨耗的影响、制动力分配方式对踏面磨耗的影响、闸瓦与车轮的匹配及热负荷计算等进行了分析研究,探讨了造成地铁车辆踏面异常磨耗的原因。     

地铁车辆车轮踏面异常磨耗原因分析

地铁车辆车轮踏面异常磨耗随速度提高使其运营成本逐渐增加。对于运营速度80 km/h的城轨车辆,基础制动方式基本采用踏面制动+合成闸瓦,就城轨车辆主要采用的踏面制动方式、车轮及闸瓦热负荷匹配特性、电空制动力分配比以及黏着利用等内容进行分析,结合基础制动在运用过程中遇到的实际问题及城轨车辆制动的特点展开分析讨论,探讨造成地铁车辆踏面异常磨耗的根源所在,并指出今后的研究方向。     

车轮踏面热裂纹的发生机理及对策

<正>车轮踏面热裂纹是在部分使用闸瓦/踏面制动的车辆上,车轮踏面全周发生的呈阶梯状的表面裂纹,为除去裂纹,要频繁地实施镟修作业,而产生踏面热裂纹的原因及条件并不明确。此前,就利用踏面热裂纹的定置试验再现热裂纹产生及破损安全性的验证作过相关报告,此次,在这一结果的基础上,综合实施了数值仿真、材料调查以及实体车轮验证试验,确认     

夹杂物对轮辋裂纹萌生的影响

列车速度的提高和车辆轴重的增加导致轮轨接触应力加大,引起车轮轮辋内部应力分布的变化。根据铸钢车轮轮辋金相分析结果,应用Goodier方程对轮辋处夹杂物和空穴周围的应力状态进行分析。在轮轨接触应力作用下,Al2O3球形夹杂物在其球体的"极点"位置产生应力集中,而空穴处于"赤道"位置,其应力更大。根据Murakami公式,以轴重为25 t的车轮为例,计算在不同运行速度下,距铸钢车轮踏面一定深度的夹杂物临界尺寸。其结果显示,在一定车速下,夹杂物的临界直径随距踏面深度的增加而增大;若深度一定,夹杂物的临界直径则随车速的提高而变小。当轮辋中夹杂物的尺寸大于该临界直径时,轮辋疲劳裂纹就可能萌生。     

盘形制动是城市轨道车辆基础制动装置的发展趋势

基础制动装置是确保城市轨道交通车辆行车安全的措施之一。在分析城市轨道车辆运输特点基础上,结合城市轨道车辆基础制动装置具体类型,分析了城市轨道车辆踏面制动与盘形制动的优缺点,用有限元模拟城轨车辆车轮踏面温度场及热应力,表明速度100 km/h及以上的城轨列车基础制动不适宜采用踏面制动,指出盘形制动是城市轨道交通车辆基础制动的发展的必然趋势。     

动车组车轮踏面滚动接触疲劳安全评估研究

正动车组车轮在运用过程中,受轮轨接触应力、线路条件、车轮性能和车轮质量等因素的影响,车轮踏面会产生剥离现象,主要表现为圆周和局部的滚动接触疲劳剥离,宏观上呈现鱼鳞状裂纹、龟状裂纹和金属掉块剥落等状态,会对铁路的运营安全造成严重影响。目前针对国内动车组车轮滚动接触疲劳的损伤机理及研究较多,但针对滚动接触疲劳安全评估的研究很少。本文将基于动车组车轮滚动接触疲劳试验,对车轮踏面出现的滚动接触疲劳损伤进行安全评估。     

基于热—机耦合的大轴重车轮踏面制动热负荷仿真分析

重载列车车轮踏面制动是一个复杂的动态接触热—机耦合问题。文章利用有限元分析软件ABAQUS建立了重载车轮踏面制动的瞬态热—机耦合有限元模型,对单闸瓦踏面制动过程进行了紧急制动工况的数值仿真,并利用重载货车车轮制动热负荷试验结果对模型进行验证。利用该模型分析了不同工况下重载车轮紧急制动过程中的热负荷及热应力情况,为研究大轴重车轮踏面制动热负荷极限和热损伤问题提供了理论技术支持。     

地铁车辆轮轨型面匹配及其对接触应力的影响

为了改善地铁车轮出现的异常磨耗问题,对上海地铁3号线车辆车轮踏面DIN5573出现的磨耗进行测试,获得2种磨耗车轮踏面。在SIMPACK软件中建立了地铁车辆动力学仿真模型,计算得到未磨耗、凹形磨耗、沟槽状磨耗3种车轮踏面与TB60,60N钢轨型面匹配时轮对横移量,将其输入到用ABAQUS软件建立的轮轨三维弹塑性有限元模型,分析不同轮轨型面匹配对接触应力的影响。结果表明:3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨接触点均匀分布在轨顶和车轮踏面中部,等效锥度基本稳定;在半径350 m的曲线上,与TB60钢轨型面匹配相比,3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨最大接触应力最多减小384.9 MPa,钢轨、车轮最大Mises应力最大减幅分别为40%,35%。城市轨道交通小半径曲线地段较多,采用60N钢轨型面可以明显降低曲线外股的接触应力,减少轮缘磨耗和钢轨侧磨,从而降低钢轨疲劳伤损。     

提速货物列车车轮凹磨限值研究

车轮凹磨作为货物列车车轮磨耗的一种主要形式,是影响货物列车提速性能的关键因素之一。为研究车轮凹磨对货物列车提速性能的影响,对阜淮线某型提速货物列车车轮磨耗进行跟踪测试。基于不同运营时期的磨耗车轮选取7种不同凹陷值下的车轮踏面廓形作为研究对象,并建立了车辆系统多体动力学模型,将不同凹陷值下的车轮踏面廓形输入车辆模型进行仿真。通过仿真计算和现场试验相结合的方法对不同凹磨状态下的轮轨接触特性和列车动力学性能进行分析。分析结果表明,随着车轮凹陷值的增长,踏面的等效锥度增大,出现凹磨的车轮踏面在名义滚动圆附近不易与钢轨形成有效的轮轨接触,导致轮轨接触点在此区域发生横向跳动,加剧了轮轨间横向冲击,导致轮对和构架的横向振动加速度增大,造成列车的稳定性和平稳性有所降低。随着车轮凹陷值的增加,车辆的临界速度会随之降低,致使货物列车提速范围受到限制。车轮踏面产生凹磨将对列车曲线运行稳定性和轮重减载率造成不利影响,但对脱轨系数影响不大。根据分析结果,建议运营速度提升至80 km/h的货物列车车轮凹陷值应控制在2.5 mm以内,以保证列车安全运营。     

铸铁合成闸瓦

踏面制动是铁道车辆上使用的机械制动方式之一,将闸瓦推压到车轮踏面上,由于踏而与闸瓦间的摩擦而获得制动力.目前使用的闸瓦材质大体上分为3种：合成闸瓦、烧结闸瓦和铸铁闸瓦.其中最早被应用的铸铁闸瓦具有以下优点：对车轮的不利影响小,对车轮踏面的磨耗小及不使车轮踏面产生热裂纹等,即使在雨雪天,也可获得车辆稳定运行必要的轮轨间的粘着力.但另一方面,与其他两种闸瓦相比,铸铁闸瓦的磨耗量大,为提供车辆制动力用的摩擦力小.     

高速动力车磨耗型车轮踏面的参数研究

本文以正在研制的高速动力车为样车，采用三次样条函数法确定轮轨几何关系，运用非线性运动稳定性分析的数值分叉方法，在兼顾曲线通过性能的前提下，选取多种磨耗型车轮踏面，研究踏面有关参数对高速动力车运动稳定性及轮轨接触应力的影响，优化选择适合我国高速铁路需要的磨耗型车轮踏面。     

轮轨接触应力的研究

用赫兹理论和弹性力学的公式对轮轨接触应力进行了详细的计算，给出了我国电力机车、内燃机车、客车和货车车轮的标准型踏面和不同磨耗半径的磨耗形踏面与标准型钢轨接触时的轮轨表面接触力、轮轨内部剪切应力、车轮轮缘要部接触应力的数值解，并研究了影响轮轨接触应力的各种因素，本文还用光测力学的方法对轮轨动态接触应力进行了研究。这些成果对于研究轮轨接触强度，分析轮轨踏面的剥离、轮轨磨耗以及轮轨型面的优化都提供了理论依据。