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。     

小半径曲线钢轨型面优化对车辆动力学性能的影响研究

钢轨磨耗和滚动接触疲劳等病害会缩短钢轨使用寿命,增加铁路养护成本,甚至会威胁行车安全。为探究钢轨型面优化对车辆动力学性能的影响,建立机车、客车、货车3种车辆动力学模型,对国内某段小半径曲线钢轨型面进行优化设计,基于最小距离搜索法程序比较其轮轨接触关系,运用Simpack软件分析车辆动力学性能的变化。计算结果表明,钢轨型面进行优化后曲线上股接触范围由47 mm减小至28 mm,同时在轨距角处的接触概率明显减少,从而使钢轨侧磨明显减轻,钢轨型面优化后曲线下股轮轨接触点都集中在轨顶,避免钢轨出现满光带现象;钢轨型面优化后,外轨横向力降低3.3%～21.1%,轮轴横向力降低6.9%～21.9%,但轮轨垂向力的变化不明显;钢轨型面优化能减小机车车辆轮重减载率、脱轨系数和磨耗功率,有利于提高列车运行安全性。     

曲线区钢轨双打磨廓形设计方法

为探究货运线路中曲线区段磨耗钢轨的打磨方法对钢轨的服役寿命及列车运行安全的直接影响,针对曲线区段钢轨打磨廓形设计方法开展研究。设计多段圆弧和半径等多参变量的平滑设计方法,构建钢轨廓形描述模型,结合车辆-轨道耦合动力学及轮轨接触分析,设计不同权重系数,建立缓和曲线及恒定半径曲线段的磨耗钢轨打磨廓形的多目标函数,采用优化算法求解并进行对比分析。研究结果表明：与传统单一打磨廓形相比,设计廓形对缓和曲线段和恒定半径曲线段,钢轨材料去除量分别降低了39.02%和20.47%;动力学性能显著提升。在缓和曲线段和恒定半径曲线段的交接处,轮对横移量最高降低了89.45%,过渡更加平缓。轮轨接触几何分布均匀,改善了车辆入弯前后的运行性能和曲线通过性能。轮轨接触斑面积增加,且随轮对横移量变化平缓,最大Mises应力和最大法向接触应力相对于优化前均有明显改善。采用双打磨廓形设计能够有效延长曲线区段钢轨使用寿命。     

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。     

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。     

地铁小半径曲线钢轨型面打磨技术及评价＊

为了解决地铁小半径曲线钢轨非正常磨耗问题、延长曲线段钢轨使用寿命、保障列车运行的安全性和稳定性,通过实测分析小半径曲线钢轨型面数据的磨耗特点及其接触变化,设计出适用于小半径曲线轨道的钢轨打磨型面(Opt-60型面).建立地铁B型车动力学模型和轮轨接触有限元模型,分别对不同打磨型面在整个维护周期内的钢轨性能进行仿真计算.计算结果表明:相对于CN60打磨型面,Opt-60型面的打磨量减小了 44.2％,打磨深度减小了 0.646 mm;在维护周期内Opt-60型面的轮轨横向力和脱轨系数都有明显改善,安全系数有所提升,且横向平稳系数与垂向平稳性系数均得到提高;在一定列车通过量下,Opt-60型面的轮轨接触面积比CN60打磨型面的轮轨接触面积大14.63％～27.13％,接触应力减小19.27％～27.97％.计算结果已明显表明,Opt-60型面能有效减缓钢轨磨耗、抑制钢轨疲劳,还能提高列车运行的安全性和平稳性,优化了列车的动力学性能.     

钢轨磨耗演变预测模型研究

建立一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨磨耗演化预测模型,利用车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动态相互作用;基于Kalker非Hertz滚动接触理论进行轮轨滚动接触分析;选用Braghin磨耗模型计算材料磨耗;使用局部加权回归散点平滑法对计算的钢轨型面进行平滑处理。运用该模型计算分析CRH3型动车组以300km/h速度在Ⅰ型板式无砟轨道直线段运行时钢轨磨耗的演变形态。结果表明:钢轨光带沿轨道纵向几乎是平直的,光带宽度约为20mm;随着通过车辆数目的逐渐增加,钢轨的磨耗速率先减小后增大;钢轨磨耗后,轮轨接触点在钢轨上的分布集中于磨耗区边缘的两个狭窄区域;在线路初始运营阶段,钢轨磨耗对轮轨横向力的影响大于其对轮轨垂向力的影响。     

普速铁路钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生研究和检验

以普速铁路京九线不同曲线半径为研究对象,建立车辆-轨道动力学模型、磨耗和裂纹萌生预测模型;计算60N廓形在不同曲线半径条件下的轮轨接触状态,预测了不同曲线条件下磨耗发展率、裂纹萌生位置与寿命,并与京九线现场观测结果进行对比验证.研究结果表明:随着疲劳损伤的累积,不同曲线半径下钢轨的阶段磨耗发展率呈下降的趋势,其中曲线半径小(600 m)的磨耗发展率降低最快,随着曲线半径的增大,平均磨耗发展率降低趋势减缓;不同曲线半径下钢轨裂纹萌生位置均在钢轨表面以下1~3 mm处,横向位置在距离轨顶中心15~20 mm范围内,曲线半径600 m外轨裂纹萌生寿命大约为2.64×10^5次,内轨裂纹萌生寿命约为4.86×10^5次,与现场观测较为符合.     

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。     

普速铁路繁忙干线钢轨服役现状的调查分析

针对普速铁路繁忙干线,测试了累计通过总质量800～1100 Mt线路钢轨的硬度、廓形、磨耗和锈蚀深度、焊接接头平直度,调研了钢轨使用和伤损情况.结果表明:钢轨踏面中心硬化率不大于7％;打磨后钢轨实测廓形与60N标准廓形在轮轨接触区域竖向偏差不大于0.2 mm;钢轨垂直磨耗在3.0～5.7 mm,轨底角边缘厚度在8.35...