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。     

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。     

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.     

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。     

城市轨道交通车轮异常磨耗研究概述

文章通过梳理城市轨道交通车轮所采用的主要材质,系统分析车轮损伤的类型、表现特征、影响因素、引发后果等,重点讨论严重困扰城市轨道交通用车轮的偏磨、轮缘异常磨耗、异常“凹”型磨耗、“双坑”磨耗、车轮周向不均匀磨耗等问题,结合分析损伤车轮微观组织性能,开展模拟实验,实验结果表明：偏磨、轮缘异常磨耗、异常“凹”型磨耗、“双坑”磨耗与线路条件、车辆状态、轮轨匹配关联较大;车轮偏心与车轮初始缺陷、轮对组装、镟修等因素有关,车轮3边形与镟床镟修模式相关性较大,车轮5～8 边形、11～13边形与轮对一阶弯曲、P2共振相关性较大。最终所得结论为基于目前城市轨道交通轮轨匹配状况,根据运用需求,提高车轮轮辋硬度、缩小轮辋断面径向硬度差、增加磨耗到限深度是延缓车轮异常磨耗、延长车轮使用寿命的重要技术方向。     

空气湿度对地铁车轮磨耗的影响及机理研究

车轮磨耗影响着地铁的运营安全和运营成本。目前,关于车轮磨耗的研究多集中于轴重、轮轨接触状态等因素的影响,考虑空气湿度影响的研究较少。通过对某城市地铁进行了长期监测,对每月的车轮平均磨耗量及空气相对湿度进行了统计分析,得出了车轮磨耗量随空气湿度增加而降低的规律;并结合已有试验数据,对这一规律进行了验证。对空气湿度影响车轮磨耗的机理进行了探讨,发现在气温未达到露点温度时,湿度主要影响轮轨接触表面的粗糙度、硬度以及氧化膜的形成;在气温达到露点温度之后,轮轨表面将会形成水膜,这将会降低轮轨间摩擦系数,降低车轮的磨耗量。     

南京地铁列车车轮踏面非正常磨耗初析

研究了南京地铁列车车轮踏面非正常沟状磨耗的成因.对车轮、钢轨的外形、材质和硬度等进行了测试,分析了轮轨接触和制动磨损的影响,提出了沟状磨耗的原因.测试结果分析表明,该地铁车辆拖车轮踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制动施加频度过高、轮轨接触又不均匀的内因作用下产生的.     

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。     

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。     

轮轨磨耗机理与轮轨润滑

从轮轨接触应力和轮轨间的蠕滑率研究了轮轨磨耗的机理，并对轮轨润滑除减少磨耗外还可以降低轮轨内部剪切应力，这有利于减轻轮轨表面的接触疲劳损伤以及降低车轮脱轨系数，这有利于提高车辆运动安全性。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

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。     

轮轨接触应力的研究

用赫兹理论和弹性力学的公式对轮轨接触应力进行了详细的计算，给出了我国电力机车、内燃机车、客车和货车车轮的标准型踏面和不同磨耗半径的磨耗形踏面与标准型钢轨接触时的轮轨表面接触力、轮轨内部剪切应力、车轮轮缘要部接触应力的数值解，并研究了影响轮轨接触应力的各种因素，本文还用光测力学的方法对轮轨动态接触应力进行了研究。这些成果对于研究轮轨接触强度，分析轮轨踏面的剥离、轮轨磨耗以及轮轨型面的优化都提供了理论依据。     

车轮硬度的提高

介绍了对客货车辆车轮运用中造成各种类型损坏的统计分析，揭示了片面提钢轨头部硬度使轮轨系统造急剧损坏的教训，通过轮轨硬度的对比分析和试验研究，阐述了采用车轮轮辋淬火提高硬度、使之保持略高于钢轨头部硬度的水平，从而提高车轮的耐久性，延长使用寿命的方法。     

城市轨道交通轮轨异常磨损原因分析与改进措施

本文结合某市城市轨道交通轮轨异常磨损现象,在对轮轨的材质、硬度和外形等进行测试研究的基础上,分析出轮轨的异常磨耗主要是由于制动作用过度、轮轨接触不均以及车辆通过曲线时前导车轮的轮缘力对钢轨的冲击等共同作用产生的,并对此提出针对性预防建议和改进措施。     

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。     

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。     

考虑车轮谐波磨耗的动车组车轴疲劳寿命

以CRH380BL型高速动车组为研究对象,基于车轮谐波磨耗的实测结果,建立刚性轮轨、刚性轮柔性轨、柔性轮刚性轨以及柔性轮轨4种不同轮轨关系下的车辆-轨道耦合动力学模型,通过对比分析4种模型的轮轨振动特性,得到最能反映真实情况的轮轨耦合动力学模型;基于车轴受力分析,采用有限元软件ANSYS进行车轴静强度计算;采用多体动力学软件计算考虑车轮谐波磨耗的车轴载荷时间历程;根据疲劳累积损伤理论,采用FE-SAFE软件分析考虑车轮谐波磨耗的车轴疲劳寿命。结果表明:柔性轮轨关系更能反映轮轨的真实接触状态;车轴轮座内侧圆弧过渡处的应力最大,为114.4 MPa;考虑车轮谐波磨耗的车轴疲劳寿命约为19.2 a;车轮谐波磨耗导致轮轨振动加剧,对车轴疲劳寿命产生明显不利的影响。     

高速列车车轮型面磨耗预测及参数研究

建立CRH380B型动车组车辆多体动力学模型,通过仿真计算轮轨接触参数,再通过FASTSIM算法结合Archard磨耗模型预测其磨耗量,并与实际车辆磨耗数据进行对比。结果表明,仿真与实际测量的车轮型面磨耗发展情况相似。并对影响车轮磨耗的参数进行数值仿真分析,主要计算在不同轮轨接触磨耗系数和不同钢轨道床扣件垂向及横向刚度变化情况下的车轮型面磨耗变化,结果表明降低摩擦系数可有效降低车轮磨耗,而钢轨道床扣件的刚度对车轮磨耗影响很小。