重载铁路钢轨磨耗演变过程的数值模拟

建立重载铁路钢轨磨耗演变的数值仿真模型。基于UM软件建立货车-轨道耦合动力模型,对减振楔块、心盘等细部构件精细建模,采用多点-面接触模型模拟部件间各种接触摩擦,并充分考虑部件间隙。基于Hertz理论及FASTSIM算法进行轮轨接触计算;基于Specht材料磨损模型进行钢轨磨耗计算,根据磨损程度采用不同磨耗系数。针对各种车型和通过速度,开展多工况计算并设置权重因子,模拟线路实际行车条件。为提高数值计算稳定性,基于累积磨耗深度更新钢轨型面;基于磨耗演变模型研究重载铁路不同地段钢轨磨耗的发展规律。结果表明:曲线地段钢轨磨耗比直线地段严重;曲线外轨侧磨明显,内轨磨耗相对较轻,主要分布在轨头中部,外轨磨耗大于内轨;圆曲线地段外轨磨耗强于缓和曲线地段,而内轨磨耗弱于缓和曲线地段;直线地段左右钢轨磨耗相差不大,均主要分布在轨头中部。     

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2.64×10⁵次,内轨裂纹萌生寿命约为4.86×10⁵次,与现场观测较为符合。     

动车所小半径曲线钢轨磨耗及减磨措施研究

为分析曲线半径、轨距加宽和轮轨摩擦系数对钢轨磨耗的影响,在某动车所的环Ⅰ线(半径275m)和环Ⅱ线(半径280m)开展了为期一年半的钢轨磨耗跟踪实验,并建立CRH5型动车组的动力学仿真模型。研究结果表明:(1)环Ⅰ线钢轨侧磨严重且磨耗不均匀,钢轨使用寿命约一年半;(2)适当增大曲线半径可显著减小钢轨侧磨,半径300m曲线的钢轨侧磨较半径250m曲线钢轨侧磨减小约65%;(3)动车组在动车所内一般空载且运行速度较低,适当增大轨距可以减小钢轨侧磨;(4)采取轨侧润滑措施可使钢轨侧磨减小40%~70%,提升小半径曲线钢轨使用寿命。     

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。     

地铁小半径曲线钢轨磨耗影响因素研究

地铁线路中普遍存在半径小于600m的曲线,小半径曲线钢轨磨耗严重,不仅影响运行安全,而且增大养护维修工作量和运营成本。为改善地铁小半径曲线钢轨磨耗,应用多体动力学软件Simpack建立地铁B型车拖车的动力学仿真模型,分析曲线半径、超高、轨底坡和轨距对钢轨磨耗的影响。研究结果表明:适当增大曲线半径、设置一定的欠超高、内外轨轨底坡分别设置为1/20和1/40以及适当的轨距正偏差,均能在一定程度上减缓地铁小半径曲线钢轨磨耗,可使得钢轨磨耗降低20%～40%,延长钢轨使用寿命,降低养护维修成本,提高经济效益。     

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。     

某普速铁路曲线钢轨纵向剥离掉块成因分析

针对某条普速铁路下行曲线上股钢轨服役初期出现纵向剥离掉块问题,现场观测3个半径为400 m的曲线钢轨,测量钢轨表面状态及磨耗情况,分析曲线上股钢轨的接触状态及受力,讨论伤损原因。结果表明,形成曲线上股钢轨纵向剥离掉块伤损的原因是轨距角鱼鳞纹和轨面纵向裂纹边界区域接触应力较大且分布集中。该线路下行曲线上股钢轨出现的早期接触疲劳伤损,和钢轨磨耗速率、润滑时机、曲线超高、列车通过速度等因素相关。     

高速铁路钢轨型面变化的跟踪观测及仿真分析

对沪宁城际铁路某曲线段设立跟踪试验观测段,研究其钢轨型面的发展变化规律.观测数据统计分析表明,钢轨型面状态保养良好,且型面变化较缓慢,一年的平均最大磨耗量仅为0.34mm;内外轨磨耗区域主要集中在轨顶中心附近,外轨磨耗量略大于内轨.此外,利用所测钢轨型面数据,完成了轮轨接触状态的仿真分析,与现场观测基本吻合,从而验证了理论分析方法的可靠性,为深化高速铁路钢轨型面变化分析及其养修对策的制定提供了可资借鉴的理论依据.     

曲线上车辆脱轨和钢轨磨耗的原因

通过对曲线区段列车安全通过和降低轮对轮缘与钢轨磨耗问题的研究,提出将外轨超高降低和把钢轨润滑从外轨改为内轨顶面两点措施,从而减轻了轮缘与轨头的侧向磨耗,提高了车辆运行的安全性。     

高速铁路钢轨型面变化观测及分析

对沪宁城际铁路上行K190₊₆₆₄-K191₊₃₈₀曲线跟踪观测,研究其钢轨型面的变化规律。观测数据统计分析表明,其一年的平均最大磨耗量仅为0.34mm,内外轨磨耗区域主要集中在轨顶中心附近,外轨磨耗量略大于内轨。根据所测钢轨型面数据,结合现场观测情况,验证理论分析方法的可靠性,为深化高速铁路钢轨型面变化分析及其养修对策的制定提供可资借鉴的理论依据。     

车轮多边形对曲线钢轨波磨的影响研究

为了研究车轮多边形对地铁高弹性扣件曲线地段普遍出现的钢轨波磨的影响,用多体动力学软件UM建立车辆-轨道耦合模型,在小半径曲线段进行仿真。通过改变车轮多边形的阶数,分析轮轨蠕滑特性的变化趋势,然后运用钢轨表面磨耗计算模型对波磨的产生与发展进行研究。结果表明：随着车轮多边形阶数的增大,内轨蠕滑率减小,外轨蠕滑率增大,蠕滑力变化不大且出现不同程度饱和,其中内轨更倾向发生波磨;同时,在频谱图上波磨特征频率峰值总是出现在车轮多边形的通过频率处;随着运行次数的增加,波磨特征频率峰值逐渐增大,且增长速率逐渐减缓。     

地铁曲线钢轨波浪型磨耗的测量分析

研究了钢轨波浪型磨耗(简为"波磨")的测量方法.根据该方法研制了测量仪器.应用测量仪器对某地铁曲线钢轨波磨进行了测量及分析.钢轨波磨属于短波型波磨,出现在半径小于500m的曲线内轨轨顶,也出现在道岔曲线的内轨上.该测量结果为进一步的钢轨波磨成因研究提供了关键信息.     

地铁曲线段钢轨非对称性廓形研究

提出多弧段钢轨廓形拟合方法:以圆弧半径以及圆弧相切点横坐标为设计变量,以轮轨接触点横向分布密度函数、轮轴横向力最小为目标函数,采用统计方法设定参数边界条件,建立非对称性钢轨廓形设计模型,并运用遗传算法对该模型进行求解,得到地铁曲线段外轨非对称性钢轨廓形.建立车辆系统动力学及轮轨接触力学模型,对设计的非对称钢轨廓形进行动力学性能评价以及磨耗分析.结果 表明,与采用TB60型面钢轨廓形相比,非对称性钢轨廓形基本不影响车辆动力学性能;同时,非对称性钢轨廓形改善了轮轨接触关系;钢轨顶面横坐标为0-25 mm区间内的轮轨接触斑分布密度为86.18％,非对称性廓形钢轨较TB60型面增加了35.21％;在通过车次分别为5.0×105次和1.0×106次的条件下,非对称性廓形钢轨的磨耗深度最大位置较TB60型面向轨顶中心移动5 mm,降低了钢轨的非正常磨耗.     

朔黄重载铁路钢轨服役寿命研究北大核心

基于钢轨磨耗、钢轨重伤、换轨修理、线路运营等数据,分析曲线段外轨侧面磨耗和直线段(包括大半径曲线段)钢轨重伤量随累计通过总质量的发展规律并建立预测模型,提出朔黄重载铁路钢轨换轨周期建议值。结果显示:对于半径R≤800 m的曲线段,侧面磨耗是钢轨服役寿命的决定因素;对于直线段和R> 800 m的曲线段,钢轨寿命由钢轨重伤量决定。本文建立的预测模型能够有效预测钢轨磨耗、钢轨重伤量的发展规律。对于R≤400 m的曲线段,换轨周期(服役寿命)建议不超过通过总质量700 Mt;对于400 m 800 m的曲线段,换轨周期建议不超过通过总质量2 000 Mt。     

我国典型高速铁路轮轨型面变化规律及匹配特性

为系统掌握我国高速铁路轮轨型面变化及匹配特性,在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条典型高速铁路上,选择172个钢轨型面测点和6列动车组的384个车轮,进行为期2 a的现场测试。基于实测数据,应用数理统计方法分析钢轨和车轮的磨耗特性,并使用实测钢轨型面进行1个镟轮周期内的轮轨匹配等效锥度分析。结果表明:高速铁路曲线半径大于2 495 m时,直线和曲线钢轨磨耗速率基本相当;对于年通过总重小于11 Mt的线路,钢轨垂直磨耗不足0.01 mm;曲线半径小于800 m的钢轨磨耗速率明显增大;哈大线、兰新线和丹大线的动车组车轮踏面磨耗较大,踏面平均磨耗速率约为0.05～0.06 mm·(万km)~(-1),而京沪线、武广线和贵广线约为0.03～0.035 mm·(万km)~(-1);车轮磨耗范围较小时,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大而增大,车轮磨耗范围较宽时,轮轨接触点分布均匀,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大没有明显的增大趋势。     

曲线上钢轨横向位移影响因素分析

为研究曲线上钢轨横向位移的影响因素,建立了包括钢轨、轨下垫层、扣件的有限元模型,分析了在有、无列车荷载的作用下钢轨的横向位移随曲线半径、升温幅值的变化规律,及钢轨在受温度力这种分布力作用时扣件参数对钢轨横向位移的影响。结果表明在升温幅值较大的小半径曲线上,温度力会使钢轨产生较大的横向位移;扣件对钢轨横向位移的影响与钢轨所受的荷载有关,适当增加弹条的扣压刚度可减少温度力引起的钢轨横向位移。     

小半径曲线钢轨非正常侧磨分析及防治措施

本文通过对京广线铺设60kg/m钢轨地段的24个小半径曲线上股钢轨侧面磨耗的八年实际观测数据的分析，找出了牵引动力型式与钢轨侧磨率之间的关系，并通过半径为646m的小半径曲线上两年多的钢轨侧磨试验及观测，揭示了曲线钢轨轨头侧磨的规律，发现了同一曲线、同一根钢轨磨耗的不均匀性，指出曲线钢轨非正常侧磨的主要原因是内燃机车三轴转向架造成的。阐明了中间轮对对钢轨侧磨的影响，且呼吁机务部门关心此事。文中叙连了为减步钢轨侧面磨耗从工务养护上采取的若干措施及取得效果，并提出下一步拟采取的设置欠超离、调整轨底坡、涂油、采用全长淬火轨及非对称打磨钢轨断面等五条措施。     

重载铁路钢轨润滑及摩擦控制研究

钢轨润滑以及轨顶摩擦控制是重载铁路减轻钢轨侧磨以及伤损的有效措施之一。本文对比分析不同摩擦系数条件下,机车的曲线通过性能。分析结果表明,曲线外股钢轨轨距角处的润滑,有利于减小轮轨磨耗,与此同时,减小了机车的蠕滑导向力矩,从而增大了导向轮轮对冲角,轮轨横向力亦呈现增大趋势;曲线内轨轨顶摩擦系数适当减小对减小轮轨横向力起到积极作用。轮轨纵向蠕滑系数的增大,可明显提高轮对导向力矩,有利于轮对趋于径向位置,并减小横向力和轮对冲角,使得机车的曲线通过性能得到显著改善。     

列车及轨道参数对曲线钢轨波磨影响及防治措施研究

针对地铁曲线段出现的钢轨波磨问题,利用车轨动力学模型研究了转向架一系横向及纵向刚度、轮轨摩擦系数、曲线半径、超高、轨距、轨道横向及垂向支撑刚度等参数对曲线轮轨磨耗的影响,结果表明:(1)适当减小转向架一系纵向刚度可显著降低曲线段轮轨磨耗;(2)轨面摩擦系数由0.5降低至0.3,轮轨磨耗指数可降低约25%;(3)轮轨磨耗随曲线半径的减小呈指数式增长;(4)线路超高、轨距对轮轨磨耗影响较小,进而提出曲线钢轨波磨的防、治措施建议:(1)适当降低轮轨间摩擦系数、提高钢轨硬度、加宽曲线段轨距和开展曲线轨道磨耗信息化管理等措施,可缓解既有线曲线钢轨波磨;(2)优化车辆一系横向及纵向刚度、增大线路曲线半径、避免小半径"S"形曲线、设置曲线欠超高、降低轮轨间摩擦系数等措施,可对新建线路曲线钢轨波磨进行预防。     

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。