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。      

机车车轮与车轴残余应力的超声检测

机车车轮和车轴在制造和服役过程中的残余应力及其分布状态对车轮踏面裂纹形成、扩展及金属剥落、车轴的疲劳寿命等有着重要的影响。依据声弹性理论,采用临界折射纵波,建立超声应力检测试验系统,编制应力—声时处理软件。利用该试验系统对车轮、车轴的应力系数进行标定,而后对车轮踏面周向、车轴轴向的残余应力进行检测,将检测结果采用计算机线性插值绘制应力分布云图,通过云图更直观的得到残余应力分布规律。对准确评估轮对的强度、韧性和抗疲劳性以及改善其性能具有一定意义。     

北京地铁10号线制动热响应分析与评估

针对城轨列车转向架基础制动方式,对踏面制动热流密度进行推导,建立了车轮制动过程瞬态温度场和应力场三维有限元模型,重点分析了城轨列车在两次紧急制动和全程往返制动两种极端情况下,车轮踏面温度和热应力变化规律.车轮踏面所受的应力是垂直载荷、横向载荷和热应力综合作用的结果,适用于Hertz接触理论,机械载荷对车轮踏面的作用效果采用Hertz接触应力来衡量,根据温度和热应力模拟结果,评估了城轨列车车轮的服役安全性,为发展城轨列车的制动方式和制动技术提供了比较可信的理论分析方法.     

动车车轮与曲线钢轨磨耗问题研究

针对高速动车通过曲线时轮轨磨耗问题,利用现场实际测量的不同磨耗阶段动车车轮型面,建立高速列车通过曲线的多体动力学模型和曲线段轮轨接触的有限元模型,计算了不同磨耗程度车轮通过曲线时的磨耗功率、垂向、横向动载荷变化规律,并且对比了动载荷和理论载荷下轮轨间接触等效应力.分析结果表明:动车通过曲线时轮轨间的磨耗功率、横向力和横向蠕滑力等参数都随着车轮型面磨耗程度的增大而增大;标准型面到踏面磨耗量达到0.54 mm的过程为剧烈磨耗阶段,踏面磨耗量由0.54 mm增加到1.5 mm过程过为磨耗稳定期;可以根据磨耗Ⅰ型面对车轮型面进行优化,从而延长动车车轮的稳定磨耗阶段.     

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.      

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明:近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合,最大计算误差均在8%以内,验证了所建近场动力学模型的正确性;当裂纹萌生于钢轨轨头时,其启裂位置不在钢轨表面,而在钢轨表面以下约2 mm的位置,与现场观察结果一致,验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性;当车轮荷载位于钢轨跨中时,在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中,钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心,裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹,键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4,因此,增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命;当车轮荷载位于轨枕上方时,随车轮滚动状态的改变,钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。      

车轮多边形对重载机车轮轨相互作用及接触损伤的影响分析

为了研究重载机车轮轨接触损伤问题，建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型，研究车轮多边形与多种轨面摩擦条件下的机车轮轨系统动态相互作用行为.在此基础上，建立基于轮轨系统动力学响应的车轮踏面疲劳损伤预测模型，研究制动工况和轮轨接触表面变摩擦条件下车轮多边形磨耗对车轮表面磨损的影响.结果表明：严重的车轮多边形磨耗不仅加剧轮轨动态相互作用，也会增大轮轨接触界面磨耗损伤；在干燥接触条件下，车轮多边形会加剧车轮踏面疲劳损伤，车轮多边形导致机车第1位轮对和第4位轮对的损伤指数波动范围较正常车轮损伤指数的波动范围增大19.59%和39.43%；在低黏着接触条件下，车轮多边形会加剧车轮磨耗，车轮多边形导致轮轨蠕滑力波动增大5.85倍，使得机车第1位轮对和第4位轮对的磨耗数波动范围增大6.44倍和6.22倍.     

锤击处理延长焊接接头疲劳寿命的研究

试验研究了１６Ｍｎｑ钢焊接接头试件在不同缺口长度下，经锤击处理前后，缺口处疲劳裂纹的萌生寿命及扩展寿命的变化，分析测试了焊接接头在锤击处理后的残余应力分布。结果表明，经锤击处理后的焊接接头缺口处的疲劳裂纹萌生寿命和扩展寿命大为提高，这主要是由于锤击引入残余压应力的缘故。     

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面(S1002、S1002G、XP55和LMA)轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足:LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率"突变",有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的"通用"轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.     

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面（S1002、S1002G、XP55和LMA）轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足：LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率＂突变＂,有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的＂通用＂轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.     

中国轨道交通轮轨滚动接触疲劳研究进展

系统阐述了轮轨滚动接触疲劳损伤的分类、萌生机理、影响因素、引发后果及常用萌生预测模型等,总结了其复杂性的根源;梳理了中国轨道交通系统近年来发生的各种轮轨滚动接触疲劳的相关研究成果,分别总结了高速铁路、普速铁路和地铁等系统轮轨滚动接触疲劳的基本特征、萌生机理及治理措施等;展示了在局部和连续型滚动接触疲劳研究中,现场跟踪测...     

车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状,强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响;总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果;介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究,分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响,以及车轮踏面...     

钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析

根据试验观察的裂纹尖端特征,建立了钝形疲劳裂纹模型,以裂纹尖端位移为断裂参量,分析了U75V钢弹塑性情况下踏面疲劳裂纹扩展特性。结果显示：踏面疲劳裂纹尖端有较大的塑性区,应采用弹塑性断裂力学理论分析踏面疲劳裂纹的扩展行为;裂纹尖端滑动位移受轮轨力、轮轨摩擦系数和裂纹面摩擦系数影响,其中裂纹面摩擦系数对裂纹尖端滑动位移影响最大。裂纹尖端张开位移主要受轮轨力和轮轨摩擦系数影响。利用塑性复合系数分析踏面疲劳裂纹扩展特性,认为踏面疲劳裂纹主要以Ⅰ／Ⅱ复合型扩展方式扩展。     

滚动方向对CL60车轮材料接触疲劳损伤的影响

为研究车轮滚动方向对车轮材料接触疲劳损伤的影响机制,利用WR-1滚动磨损试验机进行了车轮单向和双向运行滚滑磨损试验,使用光镜和扫描电镜分析了试验后车轮试样的表面磨损形貌、剖面疲劳裂纹形貌及磨屑尺寸,探究了换向运行工况下车轮表面损伤、裂纹扩展、磨屑尺寸随反向循环次数的演变规律. 研究结果表明:车轮表面损伤以起皮剥落为主,反向循环次数从1万次增加到12万次时,初始剥落逐渐消失,继而形成与原滚动方向相反的新剥落,相同循环次数下改变车轮滚动方向有利于减轻车轮材料疲劳损伤;车轮换向改变了表面微裂纹的扩展方向,形成4°～8° 的反向疲劳裂纹,并出现了裂纹扭曲和分支现象;单向滚动时,随循环次数增加,磨屑尺寸先增大后减小,反向后磨屑厚度先增大后减小,反向1万次时,磨屑厚度增大到10～12 μm,为单向时的两倍.      

SS3B和DF8B机车的整体碾钢轮踏面剥离失效分析

为了查明机车车轮发生踏面剥离故障的原因,分别对SS3B机型的SS3B31024047车轮和DF8B机型的DF8B32774060、DF8B31644017车轮产生踏面剥离的整体碾钢轮取样,按TJZL-01-98规定的理化检验项目进行取样和常规检验,并对剥离区域的宏观形貌、金相组织进行光学显微镜观察、电子扫描分析.检验结果表明: DF8B32774060车轮踏面表面金属主要在接触应力作用下发生塑性变形,属于接触疲劳剥离; DF8B31644017和SS3B31024047车轮由于剥离区存在塑性变形层,属于热疲劳剥离;对接触疲劳剥离,应改善车轮钢的成分、改进车轮热处理和踏面加工工艺,对热疲劳剥离,应改变制动方式和优化牵引运行.      

An Experimental Study on Bogie Frame of a High Speed Electrical Locomotive

For the dynamics of wheel/rail and car body, lightweighting of bogie frames is one of main concerns of designers. Lightweighting of the bogie frames may reduce the fatigue strength and life, especially in heavy haul and high-speed conditions. In this work, full-scale fatigue and fracture experiments are performed to meet the design requirements of bogie frame of a high-speed electrical locomotive. Multi-axial stress-states of some dangerous points are found both in service and numerical calculation. The Von-Mises equivalent stress criterion is used to evaluate the strength. Then crack initiation and propagation detected during the test are described. The reason why the crack growth rate may become slow in the weld structure of the bogie frame is explained using a residual stress concept. Miners accumulative damage rule and P-S-N curve are used to predict the life of the bogie frame under fatigue and fracture tests. The experimental approach and theoretical analysis give satisfactory results and design information.     

轮轨系统的现状与展望

总结了现有传统钢轮钢轨式轮轨系统的工程问题、研究现状和工程处理方法;分析了钢轨波磨和车轮不圆的形成和发展机理,对困扰高铁的踏面凹磨问题提出了创新性治理设想;拟通过轮轨系统的廓形设计-磨损评价-磨损治理的系统化革新思路,获得既安全又经济的线路条件个性最优化方案;总结和展望了目前轮轨系统的打磨和镟轮,讨论了轮轨系统的检测方...