钢轨打磨技术研究进展

介绍了有关钢轨打磨的理论、技术和应用成果,论述了钢轨打磨技术与轮轨接触疲劳、磨耗、噪声、润滑之间的关系和相互作用模型.基于现有的国外钢轨维修成本的经济学模型,提出了加入打磨设备折旧费用的钢轨维修成本综合经济学模型.建议未来的研究重点:开展基于现场实践的快速电脑程序优化的打磨钢轨型面研究;开展能够综合考虑车辆轨道耦合动力学和经济学指标钢轨打磨方案的优化研究;开展不同工况的打磨参数和打磨工艺研究.     

高速铁路钢轨打磨技术及其应用

根据广深线钢轨斜裂纹的形成与发展特点,提出采用非对称打磨技术控制和减缓钢轨斜裂纹的形成,并进行了数值计算和现场打磨试验.数值计算结果表明:钢轨非对称打磨可以改变轮轨接触几何参数,使轮轨接触点向钢轨顶面中心移动,远离钢轨轨肩位置,并降低轮轨接触应力.现场打磨试验验证了数值计算结果,试验结果表明钢轨非对称打磨能改变钢轨光带,使接触点向钢轨踏面中心移动.     

钢轨硬度对疲劳裂纹萌生和钢轨磨耗的影响

为了研究钢轨磨耗和疲劳裂纹萌生寿命与钢轨硬度的关系,基于Archard磨耗模型和临界平面法疲劳裂纹萌生预测模型,结合磨耗和型面变化分段迭代和疲劳损伤累积,提出了钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法;对4种不同硬度钢轨的磨耗发展、疲劳损伤累积以及疲劳裂纹萌生寿命进行研究.结果表明:该方法预测的裂纹萌生寿命与现场观测结果有较...     

考虑打磨量的重载钢轨打磨廓形优化设计

为在重载钢轨打磨廓形优化设计中最小化钢轨打磨量,建立了打磨量的钢轨廓形对齐及计算方法,设计以轮轨磨耗指数、轮轨接触应力以及钢轨打磨量为优化子目标的综合优化评价模型,并对不同优化策略的优化结果进行了分析. 首先,通过矩阵旋转变换、曲线拟合及样条插值等理论建立钢轨廓形自动对齐算法,并计算目标廓形打磨量;其次,考虑轮轨磨耗指数、接触应力以及钢轨打磨量,建立综合优化目标函数,采用遗传算法并联合车辆轨道动力学仿真模型求解优化钢轨打磨廓形;最后,运用所建立的钢轨廓形优化设计模型计算分析不同优化策略的设计结果. 研究结果表明:同时考虑轮轨磨耗、轮轨接触应力和钢轨打磨量,优化后曲线外、内轨廓形平均磨耗指数相比初始廓形下降68.9%,内轨接触应力下降39.1%,打磨量下降21.8%,优化效果最佳;只考虑轮轨磨耗和接触应力时,优化后曲线外轨廓形磨耗指数和内轨接触应力下降较为明显,但打磨量下降速率相对较慢,仅为11.3%;只考虑打磨量时,优化后钢轨廓形打磨量下降最快,为24.4%,但轮轨接触应力显著变大.      

钢轨波浪磨耗形成原因及预防

阐述了在列车荷载作用下，由于钢发内残余应力的变化，使轨头边缘区产生塑性注及轨头表面产生接触疲劳，从而导致负波形磨耗。     

高铁钢轨预打磨效果及轨面不平顺分析

高铁的高平顺性要求在线路开通前要进行钢轨预打磨,以沪宁城际高铁为样本,通过分析钢轨打磨前状态,发现新轨上道后存在光带不在轨顶中部,甚至有两点接触等问题,借鉴欧洲铁路在研究轮轨噪声时制定的轨面粗糙度水平标准和钢轨打磨、铣磨作业标准,利用1/3倍频和各波长范围的幅值统计,对钢轨预打磨后轨面不平顺状态进行评价,结果表明钢轨预打磨能够有效改善了轨面的不平顺状态。     

城市轨道交通钢轨磨耗和裂纹萌生分析与选型建议

分析了基于能量密度法和临界平面法的滚动接触疲劳裂纹萌生预测理论与Archard法的磨耗预测理论, 提出了城市轨道交通钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测模型; 针对城市轨道交通常用的U71Mn热轧、U75V热轧和U75V热处理等3种不同硬度的钢轨, 预测其表面滚动接触疲劳裂纹的萌生寿命、相应的钢轨型面变化和磨耗发展率; 分析了3种硬度钢轨的疲劳裂纹萌生和磨耗发展特征; 基于安定极限理论, 结合城市轨道交通常见坡度和常用ER9型车轮, 从轮轨硬度匹配的角度提出了城市轨道交通的钢轨选型建议。研究结果表明: 随着硬度的增大, 钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命延长, 磨耗发展率降低, U75V热轧和U75V热处理钢轨的磨耗发展率分别比U71Mn热轧钢轨低3.2%和12.1%, 裂纹萌生寿命分别比U71Mn延长14.8%和31.1%;在城市轨道交通常用坡度情况下, 3种不同硬度的钢轨材料都处于弹性安定极限范围, 但随着坡度增大, 钢轨材料趋向于塑性安定极限; 考虑与ER9车轮的硬度匹配情况, 建议钢轨踏面较车轮踏面的硬度高些, ER9车轮与U75V热轧钢轨和U75V热处理钢轨的轮轨硬度比分别为0.87~1.04和0.71~0.84, 这2种钢轨均适合于中国的城市轨道交通系统。     

道岔钢轨病害打磨对高速列车动力学性能影响研究

选取京沪高铁1组轨面病害较为严重的道岔作为道岔钢轨病害打磨研究对象,进行长期跟踪观测,并分析打磨前后轮轨几何关系,建立车辆—道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型,研究对比打磨前后高速列车动力学特性。结果表明:通过道岔钢轨病害打磨,钢轨轨面病害得到较好改善,但道岔钢轨工作边出现棱角,轨面出现双光带现象;轮轨等效锥度均未在理想范围以内;列车通过道岔岔中区域时,高速列车动力学特性得到较好的改善,但列车通过岔前及岔后区域时,高速列车动力学特性不如打磨前。建议高速道岔打磨时需要充分考虑轮轨关系,不应仅仅对轨面病害进行打磨。     

钢轨滚动接触疲劳多裂纹相互影响

通过X射线计算机断层扫描得到曲线外轨轨距角-轨肩多条滚动接触疲劳裂纹的内部形态,采用栅格法得到真实裂纹的开口和尖端边界点,建立真实裂纹形态数学模型。以我国某重载线路通过总重约62 MGT时小半径曲线外轨轨肩-轨距角裂纹为例,分析了多条裂纹存在下的裂纹尖端应力强度因子变化及裂纹数量对其的影响。结果表明:裂纹最容易沿与轨顶纵向呈10°～30°的角度向钢轨内部扩展;不论何种条件,K_Ⅰ始终小于零,表明此处裂纹不受张开效应扩展;轮轨接触斑以作用在裂纹中部的方式通过裂纹区域时,裂纹尖端各点的应力强度因子K_Ⅱ0,K_Ⅲ沿裂纹尖端从轨距角一侧到轨顶中心一侧呈由正到负的趋势,表明此时裂纹的扩展形式主要由滑开型和撕开型复合而成,且裂纹在轨距角扩展的部分扩展较快;多裂纹的存在会促进裂纹的滑开和撕开效应,该促进作用随裂纹数量的增加而增强。多条裂纹的存在会使得裂纹尖端的应力强度因子增大,中间裂纹受到两侧裂纹的影响较明显。在进行裂纹扩展预测时,应至少考虑3条裂纹。     

基于个性化钢轨打磨对调边轨优化研究

选陇海线1条磨损较为严重的小半径曲线下股调边轨作为研究对象,进行个性化打磨方案设计,对轮轨几何接触状态进行分析,并进行车辆-轨道多体系统动力学仿真。结果表明:打磨后调边轨面掉块、轨面光带、钢轨磨耗速率及钢轨质量指数TQI得到显著改善;通过轮轨接触几何分析可知,打磨后等效锥度及轮轨接触点均得到优化,列车运行稳定性及轮轨接触状态得到改善;通过车辆-轨道多体系统动力学仿真研究可知,打磨后1～4位车轮与调边轨接触时接触斑内磨耗功最大值、轮重减载率最大值、车体垂向/横向加速度均降低,轮轨磨耗特性、列车运行安全性及稳定性均得到改善。     

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.      

高速铁路辙叉区钢轨打磨廓形设计方法

以心轨顶宽20、35、50 mm处的辙叉区钢轨关键截面作为研究对象,基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法;以关键截面钢轨廓形上若干型值点为设计变量,以打磨材料去除量的减少和脱轨系数的降低为目标,以钢轨廓形几何特征和降低钢轨滚动接触疲劳为约束条件,设计出18号道岔辙叉区钢轨经济性打磨廓形;建立了轮轨接触有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,进行了轮轨接触应力与动力学指标计算。分析结果表明：优化的打磨廓形接触点分布均匀,具有良好的轮轨接触几何特性;钢轨打磨材料去除量在2号截面处降低了17.2%;各截面Mises应力分别降低了8.7%、8.3%和11.5%,轮轨接触应力降幅分别为12.9%、15.8%和18.0%;列车逆侧向过岔时,轮轨横向力与车体横向振动加速度分别降低了10.3%和15.6%,脱轨系数与轮重减载率分别降低了8.1%和10.6%,疲劳因子降低了12.2%。可见,优化廓形在保证列车运行安全性的同时,提升了列车运行的平稳性以及辙叉区钢轨的使用寿命。     

实现最佳效果的钢轨打磨策略

钢轨打磨作业已经变成了各个主要铁路的主要作业手段。对于钢轨打磨的应用已经经过了大量的研究和讨论，没人会怀疑其对钢轨寿命的积极效果。在经过最佳配置条件下，任何养护维修活动都可以获得最佳的养护效果。但这需要详细的计划、良好的预测，这样才能从最小的投入成本中获得最大的效益。钢轨打磨作业决不能仅仅在需要它的时候才进行，必须制订实现最佳效果的钢轨打磨策略。     

曲率半径对钢轨滚动接触疲劳性能的影响

在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变冲角,研究了干态工况下曲率半径对PD3和U71Mn钢轨滚动接触疲劳性能的影响．结果表明,随曲率半径减小,钢轨磨损量增大,流变层增厚且不均匀．PD3钢轨有较好的抗磨损性能,但疲劳裂纹损伤严重;U71Mn钢轨有良好的抗疲劳性能．     

轮轨高速滚动接触及钢轨疲劳裂纹扩展研究

为研究高速列车轮轨滚动接触疲劳损伤,通过引入应变率效应,获得了轮轨接触作用力的分布,并基于最大周向应力判据,对车轮滚过裂纹过程中裂纹可能的扩展角度进行了统计分析,确定了钢轨表面疲劳裂纹的扩展方向.根据威布尔分布,用可能扩展角度均值作为裂纹扩展方向,获得了裂纹扩展路径.研究结果表明,低速列车钢轨的裂纹扩展为张开型裂纹逐渐变为滑开型裂纹,高速列车的钢轨裂纹扩展基本都是张开型裂纹;高速列车钢轨的裂纹扩展速率快于低速列车钢轨;模拟的裂纹路径与实验测得的裂纹路径吻合,验证了用可能扩展角度的均值作为裂纹扩展方向的合理性.      

基于轮轨接触的高速铁路钢轨磨耗量

为预测高速铁路钢轨的磨耗量,建立了轨道结构静力学有限元模型和动力分析模型,基于Archard磨耗理论从曲线半径、行车速度、轮轨横移量3个角度计算分析了钢轨磨耗量,利用垂直磨耗深度0.5mm的磨耗量为界反算出通过总质量.计算结果表明：曲线地段钢轨磨耗较为严重,垂直磨耗深度为0.5mm时,直线上通过的总质量为45.9～60.0 Mt,曲线上通过仅为22.9～29.9Mr;相同曲线半径条件下,单轮作用下的接触斑处钢轨磨耗量随着行车速度提高而增大;相同速度和曲线半径下,钢轨磨耗量随着轮轨横移量增大而增大.     

基于X射线断层扫描的钢轨滚动接触疲劳裂纹形状建模方法

为建立钢轨滚动接触疲劳裂纹真实形状数学模型,采用X射线断层扫描技术,获得了钢轨轨距角-轨肩处的滚动接触疲劳裂纹的真实形态点云数据,提出栅格算法确定裂纹尖端和开口的边界点、三次B样条曲线拟合裂纹尖端、裂纹面与钢轨轨面相交确定裂纹开口的钢轨滚动接触疲劳裂纹形状建模方法。研究发现:栅格算法提取的裂纹边界特征点比凸包算法提取的裂纹边界特征点多,代表裂纹边界特征的凸点和凹点都识别,使得裂纹边界失真度更小;随着栅格边长减小,栅格算法提取出的裂纹边界点数量增加,减少了凸包算法的漏点问题。将提取好的裂纹尖端边界点分别用最小二乘法、Bezier曲线、三次B样条曲线等方法进行曲线拟合,发现三次B样条曲线拟合得到的裂纹尖端与真实裂纹最为接近,其数据拟合的偏差最大值和标准差均最小,由此获取了真实裂纹的尖端形状数学模型。     

基于容腔调节的钢轨打磨压力控制系统

为了降低钢轨打磨过程中的压力波动,采用在传统气动恒压控制系统中加入容腔调节器的方法构建新型钢轨打磨压力控制系统.容腔调节器由储气罐与比例流量阀构成,能够在系统受到压力冲击时吸收冲击压力,降低压力波动,并在系统需要输出压力时补充系统供能,加速系统响应.为了保障钢轨打磨控制的精确性与稳定性,所研究的钢轨打磨压力系统采用了双闭环的形式,以变结构控制为基础,结合每个闭环的控制特性来构建控制器.为了验证所提出控制系统的特性,分别以系统仿真与打磨实验的形式与传统钢轨打磨压力控制系统进行对比.结果显示,与传统系统相比,本文所提出的容腔调节控制系统控制压力波动降低了76.8%.      

基于高频率测量数据的钢轨精确打磨方法

移动式钢轨廓形检测系统能够对线路钢轨进行全区段的连续、高频率测量,获得里程位置准确的高精度钢轨廓形三维图像,但如何利用这些钢轨廓形数据进行精确打磨尚没有成熟的方法。为此,提出了一种基于高频率测量数据的钢轨精确打磨方法,通过实测廓形与目标廓形对比得到所需打磨量随里程的变化曲线,然后进行轨头精细化分区、打磨里程分段,最终得到整个测量区间的精确打磨方案,通过在京沪高铁虹桥线路进行现场试验,证明该方法能够实现钢轨精确打磨。最后还提出一种钢轨廓形相似指数PSI(profile similarity index),对钢轨打磨前后的廓形进行了评判。结果表明,PSI能够量化反映实测廓形与目标廓形的相似程度,直接准确地评估打磨作业效果。     

小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法

为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形,对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导;以钢轨廓形几何参数作为设计变量,以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数,考虑钢轨打磨约束条件,提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型;基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序,并选择合理的计算参数求解了优化模型;根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性,并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明：提出的优化方法具有较快的计算速度,优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形;非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度,将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm,且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性,有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差,降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率,提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能;虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力,但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见,该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。