钢轨波磨区段高速轮轨瞬态滚动接触高频动态特性

考虑轨道—车辆系统耦合振动以及轮轨几何非线性,建立高速轮轨瞬态滚动接触三维有限元模型,利用隐式与显式相结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动接触过程,轮轨接触采用面—面接触算法。基于列车通过频率和钢轨Pinned-Pinned频率,分析非稳态载荷作用下钢轨短波波磨区段轮轨间相互作用以及列车通过频率对波磨区段轨道—车辆系统动态响应的影响。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨瞬态接触力和牵引比随钢轨波磨几何不平顺的变化呈周期性波动,且牵引比与钢轨波磨几何不平顺呈反相位;当列车通过频率与钢轨PinnedPinned频率相近时引起轮轨系统共振,轮轨接触力出现"拍"振特性,在轨枕附近整体振动较大,加速钢轨扣件伤损,而在2个轨枕跨间整体振动较小;在牵引扭矩作用下,轮轨接触存在周期性黏滑振动,轮轨系统共振时,轨枕附近波磨波谷处的钢轨滑动磨损加剧,加速钢轨波磨的发展。     

表面选区强化对钢轨波磨处轮轨滚动接触行为的影响

层流等离子体表面强化技术可大幅提高钢轨表面的硬度和耐磨性。为了揭示强化处理对轮轨滚动接触行为的影响,建立同时考虑钢轨表面选区强化和短波波磨的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,数值计算了车轮高速滚过一个波磨周期的轮轨力、接触斑黏滑分布和残余应力应变。对比发现:表面选区强化对轮轨力和接触斑黏滑分布的影响较小,不影响钢轨承载性能;对钢轨表面残余应力应变分布的影响明显,残余应力主要集中在屈服强度较高的强化斑内而残余应变主要集中在韧性较好的基体材料上,表面选区强化有效结合了强化斑和基体材料的力学性能,形成了一种强韧的良好匹配。结果可为现场生产服务提供一定的理论指导和应用参考。     

简谐激励下轮轨非稳态滚动接触的蠕滑力特性

轮轨非稳态滚动接触是指接触斑内的质点在滚动接触过程中,接触斑的外形和其他参数产生快速变化的过程,这时运动波长L与接触斑纵轴半径a处于同一数量级。本文使用Kalker三维滚动接触理论计算轮轨蠕滑率、法向力、钢轨轨面接触几何简谐激励时的非稳态蠕滑力,并与由稳态滚动接触理论计算的结果进行比较。其结果表明:在小蠕滑状态下,非稳态滚动接触的蠕滑力随L/a(简称波长比)的增长而产生明显的幅值衰减和相位滞后。在蠕滑率和钢轨轨面接触几何简谐激励时,非稳态蠕滑力的变化规律可用波长比L/a的传递函数描述,而法向力情况却不能。对于短波波磨等非稳态滚动接触行为,应使用非稳态滚动接触理论进行分析。     

轴重等工况对轮轨接触疲劳的影响

采用有限元分析软件对钢轨表面存在微裂纹的轮轨接触问题进行研究,依次考虑轴重、裂纹长度和车轮踏面形状对轮轨接触的影响,得到不同裂纹位置的应力强度因子。结果表明,磨耗型车轮踏面的应力强度因子比锥形车轮踏面小得多;轴重或裂纹长度的改变对钢轨的应力强度因子和微裂纹的扩展也有着显著影响;且在同一类型载荷作用下,随着轴重的增加,钢轨的疲劳寿命大幅下降。     

钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究

高速铁路钢轨轨头非对称打磨有效地减缓了钢轨疲劳斜裂纹的形成与发展.利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT分析了钢轨轨头非对称打磨对轮轨接触斑行为的影响.结果表明,打磨后轮轨磨耗数有所增加,有利于预防钢轨疲劳裂纹的形成.     

钢轨波磨对车辆-轨道系统动力特性的影响

针对钢轨波磨对高速列车构架稳定性及轮轨接触力的影响问题,通过构建多体动力学仿真模型,以实测钢轨波磨为轨道激励,研究某型高速动车组以不同速度级通过波磨区段时车辆稳定性及轮轨接触动力特性和不同波深、波长、波深时变率对车辆系统振动响应的规律.研究结果表明:钢轨波磨磨深越大、车速越高、波深时变率越大则车辆构架稳定性越低,轮轨接...     

高速铁路轮轨匹配存在问题及对策

对我国高速铁路因轮轨匹配问题而导致轮轨接触位置不良、动车组构架横向加速度超限报警、动车组异常抖动、钢轨波磨、道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹等的具体成因进行研究,并主要从轮轨接触关系、等效锥度、轮轨匹配、钢轨打磨、道岔直尖轨处理等方面提出对应的解决方案。结果表明:车轮型面与60钢轨廓形不匹配导致了轮轨接触位置不良,采用60N钢轨可使轮轨的接触位置居中;按设计的钢轨廓形或60N钢轨廓形进行钢轨打磨,可以有效降低轮轨的等效锥度,从而抑制动车组异常抖动和构架横向加速度超限;采用GMC96—B型和GMC96—X型钢轨打磨车打磨产生的钢轨周期性磨痕波深较大时,容易发展成钢轨波磨,而采用大机打磨可有效治理钢轨波磨;道岔直尖轨非工作边因未倒棱且长期承受应力集中作用是造成其产生疲劳裂纹的根本原因,可采用倒圆和组合断面轨面修型处理,有效控制直尖轨非工作边的疲劳伤损。     

重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生影响因素

基于临界平面理论的钢轨疲劳裂纹萌生预测模型,建立轮轨三维瞬态滚动接触有限元模型;模拟重载铁路的轮轨接触状态;分析不同轨底坡(分别为1∶40,1∶30,1∶20,1∶10)和不同摩擦系数(分别为0.25,0.30,0.35,0.40,0.50)对轮轨接触状态和钢轨疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:轨底坡为1∶40时,采用以上钢轨预测模型得到的钢轨疲劳裂纹萌生位置与现场观测结果基本吻合;轨底坡对轮轨接触斑的位置及应力状态影响较大,LM型踏面车轮与75 kg·m-1钢轨在轨底坡为1∶20时更为匹配;随着轨底坡增大,钢轨疲劳裂纹萌生时的通过总重先增大后减小,轨底坡为1∶20时达到最大;随着摩擦系数增大,钢轨疲劳裂纹越容易萌生。     

轮轨接触位置对钢轨斜裂纹扩展行为影响的仿真

采用ANSYS软件，仿真研究不同线路条件下轮轨接触位置变化对钢轨踏面斜裂纹扩展行为的影响。分析表明：轮轨接触位置沿纵向仅在距离钢轨踏面斜裂纹左右各1／4跨距范围内对斜裂纹扩展有突出影响，其余位置影响很小，可以忽略。在直线线路，当轮轨接触位置位于轨顶面中央时，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅲ型的复合型方式扩展为主，扩展缓慢；偏离轨顶面中央5mm，钢轨踏面斜裂纹则以Ⅰ-Ⅱ型的复合型方式扩展为主，在踏面以下4mm内可能发生水平转向，5．8～12mm内容易发生横向转向。在800m曲线线路外股，当轮轨接触位置偏离轨顶面中央16．5mm时，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型的复合型方式扩展为主，而且比直线线路扩展迅速；在踏面以下2．1～4．8mm内，斜裂纹可能发生水平转向，而一旦扩展至更深位置时很可能会保持初始角度扩展下去。     

高速铁路三维轮轨瞬态滚动接触-冲击模型参数研究

为进一步研究车辆轨道接触特性和钢轨损伤,采用显式有限元法建立适用于三维轮轨瞬态滚动接触分析的有限元模型,将轮轨间黏着系数、牵引系数、列车速度等考虑在内,研究不同模型参数对轮轨瞬态滚动接触计算的影响.通过详细对比分析扣件系统、钢轨长度、轨道板及参数对轮轨瞬态接触解的影响,并结合车轮模态分析结果,引入不同波长的轨面几何不平...     

重载铁路固定辙叉区轮轨瞬态滚动接触行为分析

固定辙叉有害空间造成的轨线不连续及结构不平顺大幅加剧车辆与辙叉间的动态相互作用,进而引起道岔伤损劣化加剧及服役寿命缩短。以重载铁路12号固定辙叉为研究对象,基于显式积分算法,建立考虑材料弹塑性及轮轨真实几何廓形的车轮-辙叉三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究不同运营速度下车轮不同方向通过时车轮与固定辙叉动态相互作用及轮轨接触行为,详细分析轮载过渡区内辙叉钢轨应力、应变大小及分布规律,结合材料安定图及疲劳指数对轮轨接触疲劳伤损特性进行分析,得到了钢轨滚动接触疲劳伤损易发区域为心轨断面顶宽20～30 mm,与现场固定辙叉疲劳裂纹发生位置基本一致。所建立的模型及研究结论能够为固定辙叉结构优化及疲劳寿命预测提供理论支撑。     

钢轨打磨对重载铁路小半径曲线钢轨波磨的影响

针对朔黄铁路半径400 m曲线区段的钢轨波磨问题实施了个性化钢轨廓形打磨,基于C80货车和曲线线路参数建立了车辆-轨道耦合动力学模型,仿真研究了钢轨打磨前后各项车辆动力学性能、曲线通过能力,给出了波长200～500 mm时打磨前后波深安全限值。结果表明：钢轨打磨很难彻底消除波长300 mm以上的波磨,但可以大幅降低轮轨力、轮轨蠕滑力、车体和侧架振动加速度等动力学指标;钢轨打磨后曲线上股轮轨接触形式由轨顶和轨侧两点接触变为贴合式接触,且上下股轮径差增大,车辆通过能力和安全性提升,钢轨磨耗指数显著降低,相较打磨前波深安全限值提升约0.2 mm。     

短裂纹产生/扩展与磨耗耦合情况下的钢轨损伤评估

介绍了研究钢轨轨头短裂纹产生/扩展和磨耗耦合分析的数值模拟程序。采用通用多体动力学分析软件,对单节车辆曲线通过进行仿真,分析轮重、轮轨横向力和轮轨接触位置等参数,然后将仿真结果输入到轮轨滚动接触有限元计算软件中,探讨了对曲线半径和钢轨钢种的影响。     

随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

以现场实测轮轨力为样本,利用参数假设检验方法,确定轮轨力幅值和频率特征,进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。建立轨道结构的多跨连续梁模型,分析群载作用下钢轨受力情况,确定最大弯曲应力所在位置;利用子模型技术,取最大弯曲应力所处的一跨钢轨为研究对象,建立子模型,分析不同幅值下轮轨接触斑内局部应力情况。根据临界平面法思想,建立随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型。结合具体实例分析表明:在一定速度范围内,轮轨力符合正态分布;根据随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,预测U75V钢轨通过约560万吨总重时轨面萌生裂纹,与现场观察结果吻合。     

基于SVM的地铁钢轨短波波磨特征识别

地铁钢轨短波波磨现象严重影响列车运行安全,更快速、准确地对钢轨波磨进行检测,有利于及时指导钢轨打磨,从而避免或减少由钢轨波磨引发的一系列问题。文章以轮轨噪声作为检测信号,提出了一种基于支持向量机（SVM）的地铁钢轨短波波磨特征识别框架;结合轮轨噪声和短波波磨类别特点,采用时域-频域特征提取方法,以最大化支持向量机分类精度为依据,实现对特征的有效提取和选择;较为全面地考虑现实中的各类钢轨短波波磨类型,实现对短波波磨的正确分类。分类测试结果表明,基于轮轨噪声和支持向量机的地铁钢轨短波波磨特征识别方法能够有效地对波磨波长和幅值进行正确分类,其中波长分类平均精度达到97.32%,幅值分类平均精度达到97.99%.     

轨底坡对重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响

合理的轨底坡参数可以优化轮轨间的接触状态,降低钢轨萌生裂纹的概率。为研究轨底坡参数对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响,基于弹塑性接触理论,建立三维瞬态轮轨接触有限元模型,模拟不同轨底坡参数下(1:10,1:20,1:30,1:40,1:50和1:60)重载铁路轮轨间接触状态。根据Jiang-Sehitoglu损伤参量理论以及临界平面理论分析不同的轨底坡参数对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。研究结果表明：直线线路中,CHN75型钢轨采用1:20这一轨底坡参数时,轮轨间接触面积最大,钢轨表面的接触应力最小,轮轨间匹配程度最好,钢轨可通过轮对的极限次数最大;CHN60型钢轨采用1:40这一轨底坡参数时,轮轨间匹配程度最好,钢轨疲劳裂纹萌生寿命最大。对于重载铁路而言,2种类型钢轨均选用较为适配的轨底参数时,CHN75型钢轨与车轮的匹配程度优于CHN60型钢轨,疲劳裂纹萌生寿命也明显大于CHN60型钢轨。曲线线路中,轮对偏移量小于等于6 mm情况下,内外轨均选用1:20的轨底坡时,钢轨表面接触应力最小,轮轨间匹配状态最好,钢轨可通过轮对的极限次数最大,而当轮对偏移量达到9 mm时,选用1:30(外轨)、1...     

地铁车辆频繁启停工况加速钢轨滚动接触疲劳损伤行为

列车启停过程中轮轨接触应力复杂交变,近站点附近车辆频繁启停运行工况加速了钢轨滚动接触疲劳损伤。为深入了解地铁车辆频繁启停工况下的钢轨滚动接触疲劳损伤特性,利用轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台(JD-DRCF/M)开展频繁启停工况下轮轨滚动接触疲劳试验。对比研究4种不同加/减速度工况下(0,400,800和1 200 r/min²)轮轨滚动接触界面黏着、钢轨磨耗和疲劳裂纹行为。研究结果表明：在干态环境中,加速工况显著降低了轮轨界面的黏着系数,其中：800 r/min²加速度下降幅最为明显;而进入水介质环境后,黏着系数出现瞬时极低值、加速度工况下的黏着系数降幅程度差异显著。加速度工况未引起钢轨的过高磨耗,但其对钢轨磨损形貌、表面粗糙度等的影响均较为显著,过高的加速度极易诱发钢轨以剥层机制失效并伴随表面粗糙度的大幅提升。钢轨磨耗与轮轨界面的剪切作用密切相关,加速度的存在往往不同程度地加剧了近表层钢轨材料的塑性变形和疲劳裂纹的萌生与扩展,使得裂纹扩展角、裂纹长度与数量均有不同程度地增加。因此,有必要开展实验条件下钢轨试样滚动接触损伤与实际现场钢轨损伤间的...     

小半径曲线钢轨侧磨减缓措施及其对滚动接触疲劳影响研究

为了减缓高速铁路小半径曲线钢轨侧磨严重的问题,运用多体动力学理论建立车辆系统动力学模型,采用KikPiotrowski模型模拟轮轨接触。基于车辆-轨道耦合动力学模型、Archard材料磨损模型、Hertz垂向理论和Fastrip切向接触理论并利用MATLAB编制钢轨磨耗预测程序,从曲线半径、轮缘润滑及轮轨材料合理选取3种措施分析其对钢轨磨耗的影响,并分析曲线半径和轮缘润滑对钢轨滚动接触疲劳的影响。研究结果表明：1)曲线半径适当增大对减缓小半径曲线中外轨侧磨具有显著作用。2)采取轮缘润滑措施后,能够明显减缓高速铁路小半径曲线外轨侧磨现象。实际运营中,在外轨的轨距角附近或车轮轮缘侧适当涂油润滑,可以减缓钢轨侧磨现象。3)适当增大轮轨材料硬度对外轨侧磨有明显改善作用,但是较大的轮轨材料硬度会加剧钢轨疲劳损伤,实际运营中应考虑兼顾钢轨疲劳损伤来寻求合理轮轨材料硬度。4)增加曲线半径及考虑轮缘润滑后,可使轮轨间最大等效接触应力显著减小。研究可为高速铁路小半径曲线钢轨疲劳损伤及提高其使用寿命提供理论依据。     

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响,通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型,分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头(包括轨距角)的应力-应变响应,定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响,并比较导向轮和非导向轮对FP的影响。仿真结果表明,考虑轮轨蠕滑的情况下,钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态,疲劳参量FP主要是由剪应力-应变部分作用产生,对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式;FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°~140°夹角,在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°~50°夹角;导向轮作用下的FPmax要远远大于非导向轮作用下的FPmax。     

曲线磨耗状态下轮轨弹塑性接触有限元分析

基于现场实测的承载铁路小半径曲线段正常磨耗范围内典型轮轨型面.应用有限元分析软件AN-SYS建立轮轨三维接触有限元模型.模型考虑了车轮与钢轨的实际几何形状和边界条件,轮轨材料本构模型采用双线性随动强化弹塑性材料模型,计算分析曲线段不同磨耗程度车轮与钢轨的接触状态.计算结果表明:在相同载倚条件下,随着75 kg·m-1钢轨侧磨量的增加,轮轨接触斑面积呈增大趋势,钢轨最大Mises等效应力逐渐降低,轮轨踏面廓形逐渐相互匹配,接触状态得到改善;在钢轨侧磨量从0 mm增加剑5 mm过程中,轮轨接触状态变化较大,钢轨处于剧烈磨耗阶段,容易出现疲劳裂纹、剥离掉块等接触疲劳伤损,钢轨侧磨量超过5mm后,轮轨接触状态变化趋于平缓,钢轨处于稳定磨耗阶段.