重载列车车辆轮轨作用研究

通过对不同轴重、不同踏面外形和不同钢轨的轮轨接触最大应力的计算,得出轮轨接触应力随轴重、踏面和钢轨的变化情况。分析比较理论计算和试验结果,验证理论研究方法的正确性。研究表明:轮轨接触应力随着轴重的提高而增加;在运用初期轮轨磨耗量随运行里程增加急剧上升;随着轮轨间的进一步磨合,轮轨接触应力和磨耗量将稳定在一定水平;轴重从21 t提高到23 t,轮轨磨耗量增加80%左右;轴重从21 t提高到25 t,轮轨磨耗量增加150%左右;提高钢轨的重量等级,可以在增加车辆轴重的同时有效地降低轮轨接触应力及减少轮轨磨耗。     

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。     

改善轮轨接触状态的重载车轮型面优化研究

基于轮轨接触几何关系,以轮径差函数为设计目标,对重载线路75kg/m钢轨型面进行逆向求解,优化出满足轮径差函数的重载车轮型面;对优化前后重载车轮踏面的静态接触、动力学性能和基于磨耗数的车轮损伤函数进行了对比。结果表明:优化后重载车轮踏面与75kg/m钢轨匹配时,轮轨间接触点分布更加合理,接触斑最大正压力有所降低,具有更好的曲线通过性能;优化后的车轮踏面在高低轨呈现出更小的损伤值,可有效降低轮轨磨耗与裂纹损伤。     

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。     

钢轨踏面斜裂纹伤损原因及对策的研究

广深准高速铁路全长139km。对准高速区段和非准高速区段曲线上钢轨进行探伤检查,发现在44个曲线,37km长的范围内存在踏面斜裂纹,斜裂纹主要发生在上下行上股钢轨,斜裂纹呈成段、非连续、跳跃式分布。踏面斜裂纹及断口的宏观形貌和理化检验与分析表明,踏面斜裂纹伤损属于滚动接触疲劳裂纹伤损类型。研究认为:钢轨性能、线路状况、车辆性能及运行速度、车轮踏面形状等是产生斜裂纹的主要原因。提高钢轨的接触疲劳强度,在曲线上使用微合金淬火钢轨,研究和改善轮轨接触方式,加强轨道的养护维修,合理地进行预防性打磨和校正性打磨是解决钢轨踏面斜裂纹伤损的主要措施。     

高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究

为研究高速铁路CHN60N钢轨廓形与不同车轮踏面(LMA、S1002CN和XP55)的匹配性能,从轮轨接触几何关系角度分析轮轨接触点、等效锥度和轮轨接触蠕滑率随轮对横移的变化情况,并基于轮轨非赫兹滚动接触理论分析轮轨滚动接触面积和最大法向接触应力分布情况,利用车辆-轨道耦合动力学模型分析车辆运行平稳性、曲线通过能力及轮轨接触点动态分布情况。研究表明:XP55车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能最优;由于曲线通过性能与其他两种型面相差较大,LMA车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能次之;S1002CN踏面与CHN60N钢轨匹配时,由于车辆直线运行舒适性最差,滚动接触时表面疲劳因子明显大于其他两种车轮型面,易导致轮轨表面产生疲劳伤损,综合匹配性能最差。     

考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析

以LM型踏面车轮和60kg·m-1钢轨为例,采用双线性塑性模型和平面应变热力耦合单元实现轮轨的热弹塑性耦合,传热过程中考虑轮轨接触斑处的非稳态热传导以及轮轨与周围环境间的热对流和热辐射,建立轮轨滑动接触二维热弹塑性有限元模型,分析轮轨接触斑间全滑动时不同相对滑动速度下,与温度变化相关的变摩擦系数对轮轨接触表面温度和等效应力的影响,并与取0.334的常摩擦系数时进行对比。结果表明:钢轨在轮轨接触斑附近的摩擦温升主要分布在其接触表面大约1.8mm的深度范围内,而车轮的主要分布在其接触表面大约2.5mm的深度范围内,采用变摩擦系数得到的轮轨摩擦温升要比采用常摩擦系数时低57%左右;轮轨接触斑附近钢轨和车轮的最大等效应力出现在车轮和钢轨的次表面上,采用变摩擦系数时得到的车轮和钢轨等效应力的影响范围比采用常摩擦系数时略小;轮轨间相对滑动速度对车轮接触表面的温度和等效应力影响不明显,但对钢轨接触表面温度和等效应力的影响明显,相对滑动速度越大,钢轨接触表面的温度也越高。     

60 kg/m钢轨和60N钢轨轮轨接触几何关系对比分析

为揭示我国新研究设计的60N钢轨的轮轨接触几何关系,运用常用的迹线法,以LM型和LMA型车轮踏面为例,对60 kg/m钢轨(简称60钢轨)和60N钢轨轮轨接触几何关系及其对轨底坡和轮对摇头的适应性进行详细研究。结果表明:相比60钢轨,60N钢轨与LM型和LMA型踏面匹配时,轮轨接触点在钢轨上位于钢轨中心位置附近,同时不会在钢轨轨距角附近出现轮轨接触,且在发生轮缘接触前,60N钢轨相比60钢轨对应的等效锥度随着轮对横移量变化很小,说明60N钢轨有效的改善了轮轨接触几何关系;同60钢轨,60N钢轨对于LM型车轮踏面,当轨底坡为1/20时匹配更佳,对于LMA型车轮踏面,当轨底坡为1/40时匹配更佳,而摇头角对60钢轨和60N钢轨的影响基本一致。     

基于载荷因子和牵引系数的钢轨踏面隐伤形成机理及预测研究

基于安定曲线,确定载荷因子和牵引系数是钢轨踏面隐伤形成的重要影响因素.采用有限元分析软件ABAQUS建立钢轨的有限元模型,并以广深线车辆—轨道耦合动力学计算得到的轮轨接触力及接触斑为该模型的输入,对钢轨踏面特别是轮轨接触部位及其附近区域的应力场进行仿真.结果表明:V型裂纹在轨头内部的扩展使得裂纹所在区域在轮轨力的作用下产生凹陷,形成钢轨踏面隐伤;载荷因子为2～3、牵引系数≥0.36是钢轨踏面形成隐伤的线路工况条件.应用该条件对我国典型线路是否可能产生钢轨踏面隐伤进行预测,广深线、浙赣线满足钢轨踏面萌生隐伤的条件,而大秦线则不可能产生隐伤,这与实测结果一致,表明基于载荷因子和牵引系数的钢轨踏面隐伤预测方法是可行的.     

重载列车紧急制动过程车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命预测

基于Abaqus软件,建立闸瓦-车轮-轨道三维有限元模型,设置车轮钢材料的接触属性和材料属性,对重载列车紧急制动过程进行热力耦合仿真;基于损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析重载列车整个紧急制动过程中车轮踏面瞬态温度分布、径向和切向应力分布以及弹性和塑性应变分布,并通过计算车轮踏面损伤参量判断疲劳裂纹萌生位置,预测不同轴重和不同闸瓦压力对车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:重载列车紧急制动时,车轮踏面上制动温度越高则相应热应力、热应变也越大,尤其当踏面最高温度超过100℃时,热负荷对裂纹萌生的影响更加显著;车轮踏面上裂纹萌生更多的是由剪应力和剪应变引起,轮轨接触斑内是最先萌生裂纹的区域;轴重为30 t、闸瓦压力为21 kN、初速度为100 km·h~(-1)时损伤参量最大为3.801 1,最大循环制动次数仅有236次。     

高速轮轨接触几何关系的比较分析

高速轮轨接触几何关系研究涉及诸多因素。选择中国车轮踏面LMA与钢轨CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP-ARC与钢轨JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002与钢轨UIS60,比较这3种轮轨关系的几何参数差异,编制了轮轨接触几何的数值分析软件,计算不同轮对内侧距情况下的轮轨接触几何关系,比较在轮对内侧距为1353和1360mm情况下,轮对横移时的滚动圆接触半径差和接触角差的数值计算结果,探讨适应于我国高速车轮踏面形状和轮对内侧距,为高速轮轨关系的深入研究提供基础。     

高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治

针对某高速铁路动车组车体抖动问题,采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形,研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响,研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。同时,采用实际线路及动车组车辆参数,基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。研究结果表明:该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内,体现为垂向和横向的综合异常振动;随车轮踏面磨耗增加,实测车体振动加速度逐渐增大,轮轨接触关系逐渐恶化,与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显;钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大,有效改善轮轨接触关系。车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度,有效整治高速铁路动车组车体抖动。     

轮对内侧距对机车车辆动力学性能影响的试验研究

在分析国内外轮对内侧距方面已有研究结果的基础上,在不改变车轮踏面形状、轨距和钢轨轨头形状的情况下,进行单纯改变车辆轮对内侧距的滚动台试验研究,分析等效锥度对轮轨接触几何关系的影响,得出以下结论。①在保持轮轨接触几何关系相同的情况下,增加轮对内侧距有利于改善轮轨关系和机车车辆动力学性能。②在车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状等保持不变的情况下,单纯改变轮对内侧距,必然会导致轮轨接触关系的变化,从而影响机车车辆的动力学性能;对于我国目前采用的车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状而言,轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm,将导致轮轨接触等效锥度的增加,从而降低车辆的运动稳定性临界速度。③轮对内侧距的选取与车轮踏面形状的选择密切相关,在改变轮对内侧距以后,必须根据轮轨接触几何关系的变化重新对其进行综合优化,确定合适的车轮轮缘踏面外形。     

地铁车辆轮轨型面匹配及其对接触应力的影响

为了改善地铁车轮出现的异常磨耗问题,对上海地铁3号线车辆车轮踏面DIN5573出现的磨耗进行测试,获得2种磨耗车轮踏面。在SIMPACK软件中建立了地铁车辆动力学仿真模型,计算得到未磨耗、凹形磨耗、沟槽状磨耗3种车轮踏面与TB60,60N钢轨型面匹配时轮对横移量,将其输入到用ABAQUS软件建立的轮轨三维弹塑性有限元模型,分析不同轮轨型面匹配对接触应力的影响。结果表明:3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨接触点均匀分布在轨顶和车轮踏面中部,等效锥度基本稳定;在半径350 m的曲线上,与TB60钢轨型面匹配相比,3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨最大接触应力最多减小384.9 MPa,钢轨、车轮最大Mises应力最大减幅分别为40%,35%。城市轨道交通小半径曲线地段较多,采用60N钢轨型面可以明显降低曲线外股的接触应力,减少轮缘磨耗和钢轨侧磨,从而降低钢轨疲劳伤损。     

广州地铁1号线车轮与钢轨滚动接触特性分析

以广州地铁1号线车轮和钢轨为例,运用有限元软件建立三维轮轨滚动接触有限元模型,对不同牵引力和不同横移量的轮轨滚动接触特性进行计算分析.结果表明牵引力改变轮轨接触Mises应力的分布;随着牵引力的增大,接触斑纵向摩擦力分量明显增大,接触斑后部最先出现蠕滑区,牵引力越大接触斑黏着区越小,蠕滑区越大;在横移为-5～5 mm范围内,接触斑分布在车轮踏面倾斜角为1∶46的斜面上,从这个角度看,该踏面与CHN60钢轨匹配并没有完全发挥磨耗型踏面增大接触面积、减小接触应力的作用.     

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。     

有轨电车轮轨型面匹配问题的研究

利用轮轨型面测量仪测量大量即将磨耗到限的车轮踏面和钢轨轨头型面(简称旧轮和旧轨型面),从中选取具有一般性的型面建立三维有限元模型,分别研究了新旧车轮与新旧钢轨配合接触问题。通过几种轮轨接触模型的计算,总结了不同模型的接触斑面积、形状、位置,以及接触力分布和等效应力的变化规律,并分析了旧轮和旧轨被挤压出飞边的原因。结果表明:新轮-旧轨接触模型的接触斑面积较小,等效应力较大,接触位置在轨顶的两侧,说明磨耗到限旧轮踏面被镟修成标准轮踏面形状的不合理性。旧轮-旧轨配合,与其他模型相比接触斑面积最大,轮轨匹配相对较好,因此,适应旧轨轨头型面的车轮踏面形状设计对于减缓轮轨磨耗具有重要的意义。     

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。     

基于轮轨磨耗对30t轴重货车车轮踏面优化研究

通过对30t轴重铁路货车的仿真,对比分析车轮采用LM磨耗型踏面与75kg/m、60kg/m两种钢轨匹配后各磨耗评定指标,得出LM型踏面与75kg/m重型钢轨匹配时存在一定不适应的结论。为了满足我国大轴重铁路货车技术的发展需求,从减少轮轨磨耗考虑,设计出两种与75kg/m重型钢轨匹配性能更优的车轮踏面。基于FASTSIM算法和Archard磨耗模型,对30t轴重货车车轮磨耗进行仿真计算,并对比分析优化前后车轮踏面磨耗状态及相关指标。研究结果表明:两种优化型踏面与75kg/m钢轨匹配下的车轮磨耗程度均比LM型踏面车轮磨耗要小,而且随着运行里程的增加,这种趋势更加明显。     

不同牵引工况高速铁路轮轨型面匹配研究

为了系统分析新型钢轨廓形与动车组车轮型面匹配情况,将LMA、S1002CN、XP55车轮型面分别与60D、60N钢轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮对-钢轨三维弹塑性接触有限元模型,分析不同牵引工况下轮轨之间的Mises应力、接触状态和纵向接触切应力。得出结果:当动车组车轮型面与2种钢轨型面在对中位置匹配时,60N钢轨的Mises应力更小且更趋近钢轨轨顶中心;施加牵引力后,车轮中最大Mises应力中心点对于钢轨发生纵向偏移,且偏移量随牵引力的降低而减小,但轮轨间的最大Mises应力值几乎不随牵引力而变化;60N钢轨的接触斑面积较大,粘着区相对较大;当列车启动并开始运行后,60N钢轨的最大纵向接触切应力小于60D钢轨的应力值。综上所述,60N钢轨型面可以改善轮轨接触时的相互作用,延长钢轨的使用寿命。