钢轨波浪形磨耗形成机理及减缓措施研究

钢轨波浪形磨耗是世界铁路近百年来致力解决的极其复杂的问题，本文根据轮对与轨道系统的弹性振动使轮轨间产生的粘振动（或粘一滑振动）是钢轨波浪形磨耗形成的基本的观点，建立了柔性轮对与柔性轨道系统横向与垂向耦合的非线性动力学模型，对轮轨间的磨耗功响应进行了模拟研究，并在１：５和１：１滚动试验台及现场行车上进行了试验研究，研究结果表明上述观点是成立的，本研究还提出了能有效控制钢轨波浪形磨耗的一些建议。     

重载货车作用下固定辙叉心轨磨耗分析

针对大秦铁路75kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉心轨处的磨耗问题,基于Kalker简化理论,建立车辆-道岔系统动力学模型。分析比较重载C80型货车侧向通过道岔辙叉区时,不同车轮和道岔型面匹配下的轮轨蠕滑力、轮轨接触斑面积、车轮滚动圆半径与车轮磨耗功率间的关系以及轮轨型面匹配程度和变化规律。结果表明:当车辆从翼轨行进到心轨时,其标准车轮滚动圆半径的突变值在4~5mm之间,相对于标准车轮,磨耗车轮的值降低了50%,对心轨的垂向冲击较小;轮对由翼轨过渡到心轨时,其左右磨耗车轮的滚动圆半径差值小于标准车轮,磨耗车轮的纵向蠕滑力相对标准车轮减低了45%~63%;磨耗功率大小与车轮滚动圆半径以及轮轨型面匹配程度有关。     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究

基于车辆动力学、非Hertz轮轨滚动接触理论和Archard磨损模型建立车轮磨耗预测模型.利用该模型和安定图对重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳性能进行定性分析.在数值计算中,主要考察轴重为25 t和30 t货车的车轮硬度对车轮磨耗和滚动接触疲劳性能的影响.研究表明,轮轨间高应力水平的出现频次、车轮磨耗和疲劳破坏的几率随着轴重的增加而增大;随着硬度的增加,车轮磨耗和疲劳破坏现象得到改善.结合国外重载铁路轮轨匹配经验,建议轴重为30 t车轮的硬度大于340 HB.     

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...     

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。     

基于蠕滑机理的重载货车车轮磨耗研究

在多体动力学分析软件包SIMPACK中建立重载货车动力学模型,基于轮轨蠕滑机理在MATLAB软件中编制车轮踏面磨耗仿真程序WWS.根据车轮磨耗仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正.研究车辆非理想状态对车轮磨耗的影响,分析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性.通过钢轨表面滚动接触疲劳损伤特征的研究,对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合关系进行数值模拟.主要研究内容和结论如下.     

随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

以现场实测轮轨力为样本,利用参数假设检验方法,确定轮轨力幅值和频率特征,进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。建立轨道结构的多跨连续梁模型,分析群载作用下钢轨受力情况,确定最大弯曲应力所在位置;利用子模型技术,取最大弯曲应力所处的一跨钢轨为研究对象,建立子模型,分析不同幅值下轮轨接触斑内局部应力情况。根据临界平面法思想,建立随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型。结合具体实例分析表明:在一定速度范围内,轮轨力符合正态分布;根据随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,预测U75V钢轨通过约560万吨总重时轨面萌生裂纹,与现场观察结果吻合。     

重载货车侧向通过固定辙叉的动力学响应

针对大秦(大同—秦皇岛)重载铁路高锰钢固定辙叉磨耗严重问题,建立车辆-道岔系统动力学模型,比较车轮不同磨耗程度下重载货车侧向通过固定辙叉时的车轮滚动圆半径、轮轨垂向力、轮轨横向和纵向蠕滑力、货车过叉平顺性等动力学响应,分析不同轮叉型面的匹配规律。结果表明:当车辆由翼轨向心轨过渡时,标准车轮与磨耗初期车轮滚动圆半径突变值在4.3～6.5 mm,磨耗中后期车轮滚动圆半径突变值降低50%,减小了对辙叉的磨损,同时磨耗中后期车轮的轮轨垂向力较标准型车轮减小近1/2,降低了对心轨的垂向冲击;标准车轮与磨耗初期车轮对标准辙叉磨损较大,磨耗中后期车轮通过辙叉时各动力学性能指标均较理想,有利于改善轮叉间的相互作用。     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

基于三维动态有限元模型的轮轨磨耗数值分析

提出基于三维动态有限元模型的轮轨形面磨耗的数值预测方法,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,对轮轨滚动接触过程中的磨耗问题进行数值仿真研究。分析中,轮、轨材料采用双线性的弹塑性本构模型,联合使用有限元隐式（静态）和显式（瞬态）求解方法模拟轮轨瞬态滚动接触过程;采用基于微面积的Archards磨耗模型的积分形式,对轮轨材料的滚动磨损进行计算;用基于三次样条插值函数的曲线光滑技术,对磨耗过程的磨损量分布进行光滑化处理,再根据光滑化后的磨损分布来更新轮轨形面;用Laplace网格光滑技术对车轮踏面和轨轮轨头内部的有限元网格进行光滑化处理。以以往轮轨试验为实例对数值分析模型和方法进行了验证,试验结果与数值分析结果具有良好的一致性。     

40t轴重下曲线半径与轮轨磨耗及疲劳损伤的关系

轮轨磨耗及滚动接触疲劳损伤是影响大轴重列车运行安全的重要因素,本文基于多体动力学软件UM建立了40 t轴重重载货车动力学模型,从轮轨磨耗、疲劳损伤2个角度,研究曲线半径对40 t轴重货车通过曲线时动力性能的影响,给出最小曲线半径的建议取值。研究结果表明:货车在曲线上运行时,轮轨磨耗和疲劳损伤均在小半径曲线上更严重;与400 m曲线半径相比,曲线半径800 m时轮轨磨耗降低68%,轮轨间出现轮缘接触的频次得到有效控制;曲线半径1 200 m时轮轨磨耗和疲劳损伤分别降低80%,58%,滚动圆外侧10~30 mm内基本不再出现疲劳损伤。建议最小曲线半径一般情况下取1 200 m,困难情况下取800 m。     

基于不同车轮直径的轮轨接触关系问题

针对不同车辆的车轮直径差异问题,研究了车轮直径对轮轨接触几何关系、轮轨接触斑、轮轨最大接触应力、蠕滑率、车辆稳定性以及轮轨磨耗等的影响。通过计算可以得出:随着车轮直径增加,左右车轮滚动圆半径差逐渐增大,等效锥度随着车轮横移量逐渐增大;接触斑面积逐渐变大,轮轨接触最大应力显著下降;轮轨的横向和纵向蠕滑率逐渐减少;车辆的稳定性变好,车辆过曲线时的磨耗变大。     

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。     

车轮型面磨耗诱发高速铁路轮轨接触几何参数时变的规律

将轨道系统视为无质量的黏弹性力元,运用多体动力学软件UM建立CRH2型高速列车单个车体的车辆—轨道耦合动力学模型,并结合轮轨非椭圆滚动接触模型和车轮型面磨耗演变模型,以车轮最大磨耗深度为0.1mm作为车轮型面更新的条件,通过动力学仿真研究轨道系统振动、车辆悬挂力元非线性和轮轨接触几何非线性特性等影响下滚动圆半径差、等效锥度、接触角和接触点分布等轮轨接触几何参数的时变规律。结果表明:通过不同运营里程下车轮型面磨耗和名义滚动圆半径处磨耗仿真与实测的对比结果,验证了模型的准确性;随着运营时间的推移和运营里程的增加,车轮型面磨耗会对轮轨接触几何参数产生明显的影响:其中,等效锥度、滚动圆半径差和接触角在运营里程从0逐渐增加到10万km的过程中变化明显,而从10万km逐渐增加到20万km时变化渐缓,然后在从20万km逐渐增加到25万km的过程中车轮型面磨耗又进一步加剧,等效锥度、滚动圆半径差和接触角的变化幅度又急剧增加,轮轨接触点分布则随着运营里程的增加由一点接触逐渐向两点接触演变,车辆的动力学性能也随之下降。     

地铁曲线段非对称轨底坡对轮轨匹配特性的影响

基于轮轨接触几何关系和轮轨非赫兹滚动接触理论,分析地铁曲线段存在的非对称轨底坡对不同车轮型面下轮轨接触几何特性和接触力学特性的影响;采用SIMPACK软件,建立某B型地铁车辆动力学模型,基于USFD磨耗函数建立车轮磨耗预测模型,研究非对称轨底坡对3种车轮型面下车辆曲线通过性能和车轮磨耗的影响.结果 表明:外轨轨底坡固定...     

道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响

为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响，结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法，构建道岔区轮轨多点接触几何模型，并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性；在测试长期服役过程中真实车轮型面和道岔变截面钢轨廓形的基础上，研究不同服役阶段下轮轨廓形演变对接触点分布、滚动圆半径差和侧滚角的影响，进而分析轮轨接触几何关系和轮轨力过渡特性。结果表明：随着道岔通过总重的增加，轮轨接触点从基本轨提前迁移至尖轨；磨耗会导致轮轨接触点发生跳跃、分布不连续，从而显著增加轮轨间动态相互作用；随着磨耗进一步加剧，轮对侧滚角最大值从0.04 mrad逐渐减小至0 mrad并最终出现负值；轮轨垂向力和车体加速度从86.643 kN和0.032 m·s^-2分别升至101.466 kN和0.038 m·s^-2后，脱轨系数和轮重减载率对应从0.433和0.215分别升至0.505和0.247，显著降低了列车行车平稳性和安全性。     

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。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

柔性轮轨下轮轨波磨综合作用的振动特性研究

运用ANSYS联合SIMPACK建立基于柔性轮轨下的某型高速动车组的车辆-轨道耦合振动模型,选取典型的车轮谐波磨耗(20阶,幅值0.01～0.03mm)及钢轨波磨(波长120～150mm,幅值0.01～0.04mm)进行综合分析,对比分析4种模型在不同磨耗下的振动特性。结果表明:模态共振导致柔性体振动幅值大于刚性体振动幅值,而远离模态共振时,柔性体产生的振动幅值小于刚性体振动幅值;考虑轮轨柔性状态时,轮轨非均匀磨耗综合作用产生的轮轨力大于单独考虑轮对或钢轨磨耗时产生的轮轨力;轮轨非均匀磨耗综合作用下产生的轮轨力、轮轨振动加速度随幅值增大而增大,与速度、钢轨波磨波长呈非线性关系;轮轨非均匀磨耗综合作用下,轮对振动加速度及轮轨垂向力呈周期性包络现象。