铁路道岔转辙器部件轮轨两点接触计算方法研究

根据基本轨与尖轨的相对位置及轨下支撑方式,分析车轮与转辙器钢轨的接触特性,在考虑尖轨与基本轨相对运动的基础上,提出铁路道岔转辙器部件轮轨两点接触的计算方法,以18号单开道岔为例,对比分析了标准和磨耗车轮LMA踏面与钢轨匹配时的轮轨接触特性,验证两点接触计算方法的正确性和可行性。研究表明:车轮踏面磨耗后,轮轨接触点位置更多的位于尖轨轨距角附近,会增大尖轨的侧面磨耗;车轮踏面磨耗会导致轮载转移的位置后移,增大车辆进入道岔时轮对蛇形运动的距离和幅度,进而导致横向轮轨动力相互作用的增大;磨耗后的车轮踏面,其轮轨两点接触的可能区域分布较为分散,可能造成轮轨接触点的无规律跳跃,从而引起较大的轮轨冲击振动作用。     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

转辙器部分轮轨接触应力分析

以客运专线18号道岔为例,选取磨耗型踏面车轮,建立弹性基底约束条件下的道岔区转辙器部分轮轨接触计算模型,对尖轨轨头顶宽20~50 mm范围内轮载过渡区,尖轨及基本轨的轮轨接触应力进行了较为详细的分析。     

60 kg/m钢轨15号单式同侧道岔设计

为满足国家铁道试验中心环形试验线的运行需求，研究设计了60 kg/m钢轨15号单式同侧道岔。道岔尖轨长度取17 823 mm，基本轨前端距尖轨尖端距离取1 955 mm；选用双曲线型辙叉，采用单肢弹性可弯心轨结构；全部岔枕采用垂直于大环线曲线外股工作边的方式布置。转换设备采用多机多点牵引方式和分动钩型外锁闭装置，转辙器部分设置三个牵引点，辙叉部分设置两个牵引点。为延长曲线道岔的使用寿命，重点进行了尖轨结构和可动心轨辙叉结构设计，尖轨尖端采用藏尖式设计，刨切小环线基本轨，增加尖轨尖端厚度。转辙器部分设计了尖轨防跳措施。翼轨跟端采用间隔铁与长心轨或叉跟尖轨连接为一整体。该单式同侧道岔铺设后使用状况良好。     

高速铁路道岔钢轨磨耗发展规律的试验研究

既有区间线路及道岔钢轨磨耗研究多采用仿真计算和理论分析的方法,岔区钢轨磨耗测试工作较为零散,缺乏时间上的连续性。针对此不足,以沪宁(上海—南京)城际高速铁路镇江站11#道岔作为研究对象,采用MiniProf钢轨廓形测试设备,对转辙器区特征断面尖轨和基本轨的型面及磨耗情况进行长期跟踪测试,探究高速道岔钢轨磨耗的分布和发展规律。研究结果表明:尖轨和基本轨磨耗发展呈现逐渐收敛的趋势;基本轨垂向磨耗在轮载过渡区前后较大,在轮载过渡区相对较小,直尖轨垂向磨耗比曲尖轨更严重;曲尖轨侧向磨耗明显大于直尖轨,在轮载过渡区前侧向磨耗较小,轮载过渡区侧向磨耗明显,基本轨侧向磨耗主要集中在尖轨前端及岔前区域,直基本轨侧向磨耗比曲基本轨更严重。试验结果可为磨耗仿真研究提供试验验证,同时可为高速道岔的养护维修提供科学指导。     

车轮非对称磨耗对高速车辆过岔动力学性能的影响

针对高速铁路18号道岔,分别采用迹线法、三维非赫兹滚动接触理论、车辆-道岔耦合动力学模型计算分析车轮不对称磨耗对岔区轮轨接触几何关系、轮轨接触力学行为特征、车辆直逆向过岔动力学性能的影响规律。结果表明：当尖轨、基本轨两侧车轮不对称磨耗时,会出现明显的正负锥度突变现象,轮轨法向接触应力增大;当尖轨侧车轮比基本轨侧磨耗严重时,转辙器区会出现较为明显的轮对横移现象,轮轴横向力、脱轨系数及横向Sperling指数、磨耗指数等指标均增幅明显,其中尖轨侧车轮比基本轨侧磨耗严重且为同相磨耗时,结果最为不利。     

轮轨接触几何关系在道岔系统动力学中的应用

道岔与一般正线的区别就在于它多变的轮轨接触几何关系，复杂的轨线布置以及走行线路的转换，以一般线路轮对踏面与钢轨轨头接触关系为基础，考虑转辙器区尖轨与基本轨之间，翼轨与心轨，主轨与护轨以及心轨之间的空间结构和平面布置，本文模拟计算了转辙器区和辙叉区轮对与相应轨线的接触与冲击情况，得到了较为准确的尖轨与护轨横向冲击力，道岔区轮舅走行特征以及系统其它相关振动响应。     

增加道岔尖轨轨下弹性对轮—岔动力性能的影响

通过建立道岔垂向几何及刚度不平顺激扰模型,运用车辆—轨道耦合动力学理论,模拟计算了提速列车对提速道岔的动力影响。比较了提速道岔尖轨轨下增加弹性后提速列车对道岔的动力作用,并进行了现场测试。结果表明提速道岔尖轨轨下增加弹性后能减轻基本轨至尖轨区过渡段轮—岔垂向相互作用,有效地改善道岔的动力性能,延长滑床板及道岔的使用寿命     

客运专线道岔转辙器部分轮载过渡段优化设计研究

为了研究转辙器部分轮载过渡段尖轨承载断面设计对高速列车过岔时安全性与平稳性的影响,采用动力学参数设计法和列车道岔系统动力学评估法,通过建立轮轨系统空间耦合振动仿真计算模型,主要对尖轨开始承载断面位置、降低值、完全承载断面位置三个影响因素进行分析.结果表明,降低开始承载断面降低值,前移尖轨开始承载断面、完全承载断面位置,有利于提高列车过岔稳定性;从提高行车舒适性角度考虑,将转辙器部分轮载过渡段设置为在直尖轨顶宽15 mm处降低3 mm,在顶宽40 mm处完全承载是比较合理的方案.     

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。     

尖轨轨下采用弹性滑床板对轮轨动力性能影响

通过建立道岔垂向几何不平顺及刚度不均匀激扰模型 ,运用车辆 轨道耦合动力学理论 ,模拟计算了提速列车对提速道岔的动力影响。详细比较了提速道岔尖轨轨下采用弹性滑床板后提速列车对提速道岔的动力作用性能 ,并进行了实验验证。结果表明 ,提速道岔尖轨轨下采用弹性滑床板后可大大减轻基本轨至尖轨区过渡段轮 /岔垂向相互作用 ,有效地改善道岔的动力性能 ,延长滑床板及道岔的使用寿命。     

动车运用所内9号道岔侧向通过性能研究

为改善动车运用所9号道岔侧向通过性能,分析50 kg/m钢轨9号道岔结构特点,根据钢轨表面光带特点分析轮轨接触特征,确定轮轨型面匹配的优化目标,设计道岔区曲基本轨廓形。基于多体动力学理论建立动车组-道岔动力学模型,计算动车组通过9号道岔时的动力学响应,分析钢轨廓形对道岔区侧向动力学性能的影响。结果表明,动车组通过9号道岔侧向时在大幅值转辙角作用下轮缘参与导向,轮对形成较大冲角冲击尖轨轨肩,产生较大轮轨横向力和轮缘磨耗指数。以预导向理念优化钢轨廓形,增加轮径差改变轮对运动轨迹,轮对预先向曲基本轨侧偏移,形成反向轮对横移,使轮缘接触尖轨的位置后移0.33 m,轮轨接触特征发生改变,轮轨横向力和轮缘磨耗指数分别降低9.3%、16%,安全性指标脱轨系数也有所改善,提高了道岔侧向通过性能。通过钢轨打磨实现优化廓形,钢轨表面实际光带分布符合实际预期,改善轮轨接触状态。     

降雨及轨顶摩擦控制对驼峰下道岔区脱轨系数的影响

驼峰调车是利用车辆重力进行的溜放式调车作业,能显著提高调车效率,但是在驼峰下道岔区的车辆脱轨事故时有发生。本文设计了现场试验,测试了驼峰下6#道岔在干燥、湿润、轨顶摩擦控制3种工况下的横向力与垂向力,在此基础上分析了降雨及轨顶摩擦控制对驼峰下道岔区车辆脱轨系数的影响。结果表明:雨水和轨顶摩擦控制均可以显著降低驼峰下道岔区轮轨横向力和脱轨系数,对于空车,降雨后道岔区脱轨系数平均降低41%,采取轨顶摩擦控制后道岔区脱轨系数平均降低48%;尖轨区的轮轨横向力和脱轨系数显著大于道岔其他位置,在日常养修作业中应重点关注道岔尖轨区。     

高速道岔尖轨磨耗规律及对动力学性能的影响

研究目的:针对高速道岔尖轨的磨耗问题,目前高速铁路养护维修部门通过钢轨打磨、调整几何形位、更换钢轨件等措施进行定期整治,但多为基于工程经验和现场情况的被动性方法,整治效果并不显著,磨耗问题仍不断出现,无法从根本上彻底解决。因此,需要对道岔区轮轨相互作用关系进行深入研究,探明岔区钢轨磨耗的产生及发展规律,以及因磨耗引起的列车过岔动力学性能演化规律,从而有针对性地提出科学、合理的整治方法。研究结论:(1)随着道岔服役时间的增长,转辙器尖轨和基本轨的磨耗均不断加重;(2)直尖轨垂向磨耗情况较曲尖轨严重,两者垂向磨耗均是随着断面不断加宽呈现先增后减的趋势,分别在顶宽35 mm、50 mm断面位置最为严重;直、曲基本轨垂向磨耗均是随着断面的加宽总体呈减小的趋势;(3)曲尖轨侧磨情况明显较直尖轨严重,两者均是从3 mm宽断面开始呈现先增后减的趋势,直尖轨在顶宽5 mm断面位置侧磨最严重,曲尖轨在顶宽20 mm断面位置侧磨最严重;直、曲基本轨的侧磨程度基本相当且数值均较小;(4)随着尖轨磨耗程度的加剧,将会一定程度地导致轮轨动力相互作用的增大,进而提升了安全运行风险,但对车体振动加速度等舒适性指标则影响较弱;(5)本研究成果可为高速道岔设计、施工和运营维护提供一定参考。     

基于轮轨动力学的道岔尖轨切削方式选型研究

为给不同号码道岔选取合适的尖轨切削方式,以获得较好的行车性能和钢轨磨耗性能,基于轮轨系统动力学建立车辆-转辙器动力耦合模型,分别以18号和42号道岔转辙器为例分析5种尖轨切削方式下轮轨系统的动力响应及钢轨磨耗情况,对影响磨耗指数的相关因素进行计算。结果表明:从动力学角度对各种尖轨切削方式进行评判,可以为尖轨选型提供准确合理的指导;号码较小的18号道岔选择切线型及半切线型尖轨时使用性能较优,钢轨磨耗程度低,相离半切线型尖轨粗壮度大,也可作为主要线型之一;号码较大的42号道岔以半切线型尖轨适用性较强;计算运营中道岔转辙器动力性能时需考虑几何不平顺等因素的影响。     

应用车辆-道岔-桥梁耦合动力学分析道岔-桥梁合理相对位置

为确定道岔、桥梁的合理相对位置,深入研究快速及高速行车条件下车辆-道岔-桥梁的动态相互作用,将车辆、道岔区轨道和桥梁作为一个整体,建立车辆-道岔-桥梁耦合系统动力分析模型,用数值模拟的方法计算分析高速行车条件下道岔区轨道、车辆与连续桥梁结构的动力特性及行车安全性和舒适性。以车速350 km/h通过18号国产道岔,岔桥相对位置为尖轨尖端分别位于桥跨1/4、跨中、3/4跨及墩上,通过计算出的尖轨和心轨开口量、尖轨和心轨动应力、车体振动加速度、减载率、脱轨系数、舒适性、桥梁振幅、振动加速度和梁端转角等动力响应,确定在车辆-道岔-桥梁耦合动力条件下4×32 m连续梁桥的合理岔桥相对位置。计算结果表明,18号国产道岔铺设于4×32 m连续梁桥上时,道岔尖轨尖端位于1/4跨时综合动力效果较佳。     

折返线列车启动距离和制动距离对道岔尖轨侧磨的影响

为了明确列车启动距离和制动距离对道岔尖轨侧磨和伤损的影响,为地铁折返线道岔合理选型及布置提供依据,采用道岔侧向过岔动力学仿真分析方法,根据最小势能原理,考虑轮轨间摩擦系数随列车侧向过岔速度的提高而降低这一黏着特性,分析了不同启动距离和制动距离下,尖轨侧面磨耗及轮轨纵横向加速度等动力响应的变化规律.计算表明,延长列车启动距离和制动距离可以提高侧向过岔速度,减轻尖轨侧磨,但会增加轮轨动力响应,且增加了运行长度,使折返运行时间变长.可以采取增大导曲线半径或直接换铺更大号码道岔来缩短运行时间.合理的启动距离和制动距离应该是:道岔基本轨前端距站台端部距离20～30 m.     

车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响分析

为了研究车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响,基于多体动力学理论和滚动接触简化理论,建立考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆动力学模型,分析车轮扁疤参数变化对高速列车轮轨力和蠕滑力等特性的影响,并结合轮重减载率和轮轨垂向力指标得到车轮扁疤长度的安全限值。结果表明:考虑轮对柔性能更好地反映轮轨接触状态;在轮轨滚动接触过程中,车轮扁疤过长会导致轮对发生跳轨现象,严重时导致车辆脱轨,应及时根据扁疤长度限值镟修轮对;结合轮重减载率和轮轨垂向力制定车轮扁疤长度安全限值为27 mm,该限值可以更有效地保障高速列车安全运行。     

转辙器轨距加宽对高速道岔动力特性的影响

运用道岔系统动力学理论,考虑轨距加宽式转辙器的结构特性,建立列车/道岔耦合动力学模型,以350 km/h客运专线18号高速道岔为例,计算分析了列车以350 km/h直向及80 km/h侧向过岔时的动力特性.结果表明:转辙器轨距加宽可提高列车直、侧向过岔时的平稳性,降低直向过岔时尖轨的磨耗指数,减轻尖轨侧磨,增加尖轨开始受力截面的轨顶宽度;增大转辙器部位的动轮载、轮缘力及动应力,对尖轨受力不利;转辙器轨距加宽对列车侧向过岔的轮重减载率和脱轨系数有不利影响,对直向过岔的影响不大.因此,建议在我国350 km/h客运专线高速道岔设计中,暂不使用转辙器轨距加宽技术.     

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。