高速铁路轮轨硬度匹配研究及方向探讨

针对我国高速铁路轮轨关系中钢轨磨耗小、车轮存在凹磨和多边形磨耗、车轮镟修周期短和维护成本高等问题,从轮轨硬度匹配角度,开展轮轨材质硬度摩擦磨损小比例试验、现场轮轨磨损规律测试试验、轮轨磨耗仿真计算等研究,对轮轨硬度匹配指标和方案进行探讨。研究结果表明,轮轨硬度比控制在1.00∶1.00以上,可有效减小车轮磨耗;提高车轮硬度,可抑制和减缓多边形磨耗的产生。建议适当提高我国应用车轮的硬度,推广我国自主研发的强韧性兼备高硬度车轮,延长车轮镟修周期,节约养护维修成本。     

高速铁路轮轨硬度匹配试验研究

针对我国高速铁路出现车轮磨耗相对较大的问题,对国内外高速铁路轮轨硬度匹配关系的研究及应用现状进行分析,并在实验室进行3种硬度车轮与3种硬度钢轨的对磨试验,对比分析硬度不同的车轮与钢轨对磨时的轮轨磨损、变形和接触疲劳伤损等。结果表明:适当提高车轮的硬度即提高轮轨硬度比以减轻车轮磨耗较大的问题已成为国际上通行的做法;9组轮轨磨损试验中,轮轨硬度比为0.95∶1~1.15∶1时轮轨总磨耗量较小,轮轨硬度比大于1∶1时,轮轨变形和表面接触疲劳伤损较轻,轮轨硬度比为1.15∶1时轮轨总磨耗量最小,且接触疲劳伤损也最轻;随着车轮硬度的提高,不但车轮的磨耗减小,而且其抗变形能力也显著增加。建议动车组车轮与U71MnG钢轨的硬度比控制在1∶1以上,以解决我国高速铁路车轮磨耗较大的问题。     

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。     

CRH3高速列车多边形磨耗车轮通过钢轨波磨区段的轮轨力研究

车轮多边形磨耗和钢轨波磨磨耗普遍存在于服役列车和典型线路上,针对这2种磨耗形式下的轮轨力学特性开展研究.建立柔性轮对的CRH3型高速列车刚柔耦合模型,构建车轮多边形与钢轨波磨的数学模型,分析200～350 km/h速度级下,波深、幅值均为0.01～0.04 mm,20～24阶车轮多边形磨耗与120～150 mm波长的钢轨波磨磨耗下对轮轨力的影响.研究结果表明:不同速度级下,车轮多边形阶次为20阶时,轮轨垂向力随着速度的增加而增大;改变车轮多边形的阶数、幅值,轮轨垂向力的大小随着多边形的阶次、幅值增大而增大;在考虑通过钢轨波磨区段的车轮多边形磨耗影响下,轮轨垂向力会出现明显的拍振现象,并且出现2个主频;当多边形阶次增加,轮轨垂向力的大小有所增大,但随着钢轨波磨波长的增加呈减小的趋势;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形幅值达到0.04 mm,车轮多边形阶数大于20阶,需要及时对车轮或钢轨进行镟修打磨工作,建议车轮多边形阶数为22阶、23阶、24阶分别对应钢轨波磨波深限值为0.04,0.03和0.024 mm.     

高速动车组车轮硬度与车轮多边形形成关系及解决措施研究

为研究高速动车组车轮多边形产生机理,对我国CRH_3型动车组进行了大量现场的测试,从车轮材质、热处理、组装工艺、硬度等方面开展调查,发现车轮硬度是多边形产生和发展的重要影响因素。为深入研究车轮硬度对多边形形成的影响,现场测试了115列动车组所有车轮踏面的硬度,并在实验室内进行轮辋切片和硬度检测,发现磨耗后的小轮径车轮硬度相对标准车轮有所降低,并且部分车轮在圆周方向硬度分布不均,两者共同作用加剧了车轮多边形产生和发展。结合我国轮轨硬度匹配情况,提出通过滚压强化提高车轮硬度以抑制多边形产生。通过20万km的运行考核试验,验证了提高车轮硬度可以抑制车轮多边形产生这一重要结论。     

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.     

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。     

杭州地铁1号线项目的轮轨硬度匹配及车轮材质选用

从主要影响轮轨磨耗的硬度匹配关系入手分析,比较了各型钢轨、车轮的机械性能,并根据国内轮轨的运用情况,最终确定杭州地铁采用ER9材质的车轮。     

城市轨道交通轮轨硬度匹配研究

考虑城市轨道交通小半径曲线、大坡道等复杂线路条件,建立了车辆-轨道动力学模型、磨耗和裂纹萌生预测模型;根据该模型,计算了不同坡度条件下钢轨的表面切向力和磨耗指数,预测了不同硬度的钢轨在大坡道条件下的型面变化、磨耗发展率和裂纹萌生寿命,并提出了城市轨道交通的轮轨硬度匹配建议。结果表明,在城市轨道交通的小半径曲线、大坡道条件下,采用硬度为280 HB以上的钢轨可得到较好的抗磨耗性能和较长的裂纹萌生寿命;钢轨与车轮硬度比应接近,且钢轨硬度应略大于车轮硬度。     

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。     

上海地铁4号线车轮轮缘异常磨耗原因分析及解决措施

介绍了上海地铁4号线车轮的材料、机械性能、轮缘异常磨耗等情况,研究了轮轨系统不稳定、环行线路、车轮及轨道硬度匹配以及一系定位刚度等对车轮异常磨耗的影响,并提出了提高车轮硬度、列车定期换端运营以及安装轮缘润滑装置等解决措施。     

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。     

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。     

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。     

轮轨振动对高铁扣件伤损的影响分析

高速铁路在长期运营中会出现钢轨波浪形周期性磨耗和动车组车轮多边形周期性磨耗,轮轨发生周期性磨耗后,轮轨间动力作用增大,且产生高频激励。分析高速铁路钢轨波磨和动车组车轮多边形磨耗引起的轮轨间高频激励,揭示了轮轨高频激励与扣件弹条固有频率接近时导致弹条产生共振,从而造成弹条伤损的重要机理,并在多个现场案例中得到验证。     

基于柔性轮轨模型的车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动影响的仿真研究

采用ANSYS有限元软件结合SIMPACK动力学软件建立基于Timoshenko梁的柔性轨和柔性轮模型的车辆—轨道耦合动力学模型,以典型的高阶车轮谐波磨耗(阶次为18~21阶,幅值为0.01~0.04mm)激扰作为系统的输入激励,对比分析在柔性轮柔性轨模型与刚性轮轨、柔性轮刚性轨和柔性轨刚性轮模型下高阶车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动响应的影响。结果表明:当车轮谐波磨耗激扰激发轮对固有模态引起共振时,基于柔性体模型计算出的振动响应幅值大于基于刚性体模型计算的结果,而当激扰频率远离共振模态频率时,基于刚性体模型计算的振动幅值大于基于柔性体模型计算的结果;总体上,轮轨垂向力、钢轨及轴箱振动加速度随着车轮谐波磨耗幅值、阶次及列车运行速度的增大而增大;在车辆速度300km·h-1、车轮多边形阶次为20时,车轮多边形幅值0.04mm激起的钢轨及轴箱振动加速度峰值约为幅值0.01mm下的2.5倍;当车轮多边形幅值固定、阶次由18阶增至21阶时,激起的钢轨振动加速度仅增大约1.6倍、轴箱振动加速度级增大约5.7dB,相较于多边形幅值而言,多边形阶次对轮轨系统振动响应的影响较小。     

车轮多边形磨耗机理的有限元研究

在车辆稳态通过小半径曲线和直线的条件下,建立由轮对一钢轨一轨枕弹簧组成的系统有限元弹性振动模型.在模型中,假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦系数的乘积.钢轨和车轮在饱和蠕滑力作用下产生动力学耦合,当耦合关系比较强时,轮轨系统会出现弹性黏一滑振动.应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,发现在一些条件下轮轨系统存在严重的频率不大于150Hz的黏一滑弹性振动.振动模态显示,在轮轨发生黏一滑振动时,车轮相对钢轨发生横向滑动,而轮轨系统的低频黏一滑振动是引起车轮多边形磨耗的原因之一.应用本文方法可预测在小半径曲线和直线线路运行的车轮的多边形磨耗.计算结果发现,当正确选择轨枕支撑弹簧刚度或当控制轮轨摩擦系数不大于0.27时,可抑制甚至消除车轮多边形磨耗.     

动车组车轮多边形磨耗形成与发展过程仿真研究

针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,基于车辆-轨道耦合动力学模型、轮轨接触模型、Archard磨耗模型和循环迭代模型,建立车轮多边形磨耗长期磨损迭代模型;模拟我国某型高速动车组20阶车轮多边形的发展过程,结果与实际情况吻合,证实模型的准确性.基于长期磨损迭代模型,研究车辆运行速度、轮轨模态振动特性和轨道参数对车轮多...     

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。     

道岔辙叉区磨耗车轮动力学分析及摩擦因数影响

研究磨耗车轮通过道岔辙叉区的轮轨相互作用特性及控制摩擦因数减缓轮轨磨耗的措施,以CRH2型动车组和18号高速道岔辙叉区为研究对象,基于迹线法原理,计算不同运行里程的磨耗车轮与辙叉区钢轨特征截面的接触点分布。采用UM建立车辆-道岔耦合动力学模型,结合非椭圆多点接触Kik-Piotrowski的轮轨接触算法,计算不同摩擦因数下磨耗车轮通过辙叉区的轮轨动力学变化特性及轮轨磨耗特性。研究结果表明：随着车轮磨耗加剧,岔区轮轨匹配趋向不良,接触点跳跃更为复杂、剧烈,跳跃宽度增大;车轮磨耗初期,轮轨动力学特性有所改善,车轮磨耗对横向力的影响较大;相对于标准新轮,运行里程为20.3万km的磨耗车轮通过辙叉区的轮载过渡位置延后0.134 m;减小轮轨摩擦因数会降低列车通过辙叉区的安全性和平稳性,但有利于减缓轮轨磨耗;当车轮运行里程达到20.3万km时,摩擦因数由0.55分别降低至0.45,0.35,0.25和0.15,钢轨磨耗指数分别下降6.3%,15.5%,34.0%和49.8%,钢轨润滑有利于减缓辙叉区钢轨磨耗,提高道岔区钢轨的使用寿命。