重载货车车轮磨耗与动力学性能演变

基于多体动力学软件SIMPACK建立了考虑车轮磨耗过程的车辆动力学模型, 编制了自动实现轮轨迭代计算程序, 并将车辆动力学模型、轮轨接触模型、轮轨磨耗模型、轮轨外形更新及运行工况统一组织在动力学软件中。采用内嵌SIMPACK软件的子程序进行动力学计算和磨耗过程的工况和数据组织, 采用FASTSim算法进行车辆动力学计算, 采用Contact算法进行磨耗计算, 并构成在线自动磨耗计算循环, 无需外部程序的协同仿真和数据交互。基于C80B型敞车在大秦线的运行环境, 研究了车轮磨耗和车辆动力学性能在车辆运用过程中的演变。研究结果表明: 车轮踏面磨耗深度和车轮全断面磨耗面积均与运行里程呈近似线性关系, 每1.0×10~5 km的车轮磨耗深度和磨耗面积分别约为1.68mm和100.63mm2;随着车辆运行里程的增加, 车轮磨耗与车辆动力学性能也随之恶化, 车辆运行2.5×10~5 km后, 车辆横向运行平稳性从新车工况下的优级下降为良级, 脱轨系数、轮重减载率与曲线通过轮轴横向力等车辆运行安全性指标均较新车状态增大50%以上。     

基于半赫兹接触的车轮磨耗计算

为了分析轮轨接触模型对车轮磨耗计算的影响,基于半赫兹接触、赫兹接触和Kalker完全理论程序CONTACT分别计算轮轨接触应力和接触斑形状,并在Kalker简化理论基础上求解半赫兹接触的蠕滑力;基于Archard磨耗模型,计算车轮磨耗深度在踏面上的分布.计算结果表明:由于半赫兹接触考虑了接触斑内曲率的变化,则接触斑形状和最大接触应力比赫兹接触更接近于CONTACT计算结果;在大自旋蠕滑工况下,应用半赫兹接触得到的横向蠕滑力与CONTACT计算结果有较大偏差,其余工况相差不超过18%;基于半赫兹接触的FASTSIM计算时间约为基于赫兹接触的6倍,是CONTACT计算时间的1/166;半赫兹接触时,考虑弹性滑动速度的车轮磨耗深度更接近于CONTACT计算结果.     

机车牵引工况下车轮磨耗研究

以某正在运行的C0-C0轴式电力机车为研究对象, 考虑了机车传动系统的影响, 基于Archard磨耗模型, 建立了电力机车的车轮磨耗计算模型, 研究了恒速与起动工况下车轮的磨耗, 根据某实际线路计算车轮磨耗, 并与实测数据进行对比, 研究了机车正常运行过程中出现的轮缘非正常磨耗。分析结果表明: 当车辆恒速运行2.6×10⁵ km, 牵引力由40kN增大到120kN和由120kN增大到200kN时, 磨耗分别增加了0.74、1.74mm, 因此, 随着牵引力增大磨耗急剧增加; 机车起动过程中增加牵引力可以获得更大的加速度, 随着牵引力增大, 蠕滑率明显增大, 因此, 增加牵引力可节约运行时间, 但同时会产生更大磨耗; 通过与车轮磨耗实测数据对比, 车轮磨耗计算模型较为准确, 在踏面处仿真计算结果与实测结果具有很好的一致性; 由于车轮磨耗计算模型未考虑材料的塑性流动与道岔的影响, 在轮缘处的仿真结果与实测结果有一定的差异; 降低二位轮对横动量和轨侧润滑能够大幅降低车轮磨耗, 当二位轮对横动量由15mm降低为10mm时, 二位轮对累积磨耗降低了15.4%;轨侧润滑后一~三位轮对最大累积磨耗分别降低了13.40%、21.32%、6.46%。     

高速列车车轮偏心磨耗的形成机理与发展规律

为了研究高速列车车轮偏心磨耗的形成机理,根据现场测试和多体动力学仿真结果,建立了高速列车车轮-钢轨系统有限元模型,采用瞬时动态仿真分析了车轮残余静不平衡对轮轨法向接触力的影响;对最高速度为250 km·h^-1动车组列车的运营速度进行现场测试,计算了列车匀速运行区间的平均速度;基于摩擦功周期性波动引起轮轨非均匀磨耗的观点,分析了车轮残余静不平衡量对轮轨接触力的影响,研究了车轮偏心磨耗的成因;通过改变轮轨有限元模型中车轮辐板上特定区域的材料密度来模拟残余静不平衡量,研究了偏心磨耗与残余静不平衡量大小的关系;通过重新编译有限元模型节点坐标来模拟偏心磨耗后车轮踏面的真实轮廓,研究了车轮偏心磨耗的发展规律。仿真结果表明：当高速列车以237 km·h^-1的速度匀速运行时,车轮残余静不平衡会引起轮轨系统发生约24 Hz的振动,导致轮轨法向接触力周期性变化,引起车轮踏面发生1阶非圆磨耗,即车轮偏心磨耗;随着磨耗的不断加深,轮轨系统约48、72 Hz的振动被激励,引起2、3阶车轮多边形磨耗;当磨耗后的车轮踏面最大径跳大于0.15 mm时,在0~150 Hz的频率范围内,72 Hz的振动强度最大,导致车轮3阶多边形磨耗迅速增加;降低车轮残余静不平衡量可减缓1阶非圆车轮的形成。     

高速动车组车轮踏面磨耗特征分析

为研究不同类型高速动车组车辆车轮踏面磨耗特征,探寻车轮发生磨耗后车辆运行性能的演变,以运行在武广客专上的CRH380A和CRH380B型动车组为研究对象,在线路数据统计的基础上,基于SIMPACK建立的高速动车组模型和编制的轮轨磨耗程序,对两类动车组车辆在一个镟修周期内的车轮磨耗特性及其对车辆运行性能的影响进行分析. 结果表明,该线路上运营的动车组车辆车轮磨耗特征主要表现为踏面凹槽磨耗,且CRH380A型动车组车轮踏面磨耗程度更为严重;在一个镟修周期内,由于车辆设计理念的差异,CRH380A型动车组车轮磨耗特征表现为磨耗范围较窄但磨耗深度较大,凹槽磨耗较为明显,而CRH380B型动车组则表现为磨耗范围较宽但磨耗深度较小,磨耗较为均匀;在运行2.5 × 105 km里程内,新轮状态下的CRH380A型动车组运行稳定性明显优于CRH380B型动车组,但在运营里程超过1.0 × 105 km后,由于受到车轮磨耗的影响,运行稳定性较CRH380B型动车组恶劣;同时,CRH380A型动车组车体最大振动加速度和平稳性指标分别为0.52 m/s2和2.26,均优于CRH380B型动车组的0.58 m/s2和2.38,但CRH380A型动车组脱轨系数和轮重减载率均为0.35,均大于CRH380B型动车组的0.14和0.28. 因此,在整个运行周期内,CRH380A型动车组车辆运行平稳性优于CRH380B型动车组,但运行安全性较CRH380B型动车组恶劣.      

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.      

车轮型面磨耗对车辆服役性能的影响

针对动车组的1节车辆, 利用WP-D 车轮外形测量仪定期实测每个车轮的外形与轮径, 得到5组车轮型面磨耗工况, 并结合所选车辆的结构参数和运行线路特点, 利用多体动力学软件进行了车辆动力学仿真,分析了车辆在不同磨耗工况下的动力学特性. 仿真结果表明: 为保证车辆400 km/h 以上的临界速度, 车轮等效锥度应不大于0.4; 磨耗车轮的型面下凹深度超过2 mm 时, 车辆运行安全性和曲线通过性能将显著下降, 在最恶劣工况时,平稳性指标增幅达54%, 轮轴横向力增大了100%.     

车轮非圆化磨耗问题研究进展

高速铁路在我国迅速的发展,显著改善了人民的出行方式和质量,大幅度缩短了出行周期,充分提高了工作效率.我国的高速铁路网已成为"国民经济建设高速发展的大动脉",但运营中的高速列车车轮因连续磨耗和定期的镟修,轮径不断缩小且在缩小的不同阶段发生不同程度的非圆化磨损现象,某些阶段还十分严重.列车车轮非圆化磨耗会使轮轨间作用力显著增大,导致铁路车辆和轨道产生强烈的振动和噪声,影响车辆的运行品质、旅客乘坐舒适度和车辆-轨道系统零部件的使用寿命,严重时将会威胁到行车安全.车轮各类非圆化磨耗类型,主要分为局部非圆化磨耗和全周非圆化磨耗,其中局部非圆化磨耗主要包括扁疤、剥离、脱层、塌陷等局部异常磨耗,全周非圆化磨耗主要为车轮多边形磨耗.近几年,在我国各类型高速动车组列车上均发现车轮多边形磨损,在车轮全寿命周期内的不同轮径情况下,多边形磨损的边数（波长）和发展速度不同,已经越来越受到行业内相关研究人员的重视.文章详细地综述了国内外对铁路车辆车轮非圆化磨耗的研究历史和现状,涉及到相关研究文献75篇,对车轮非圆化磨耗的研究主要分为3个方面:（1）车轮非圆化磨耗对车辆/轨道系统动力学行为、车辆噪声的影响研究,大量研究表明车轮非圆化幅值、波长、车速和轴重等因素对车辆/轨道系统动力学行为和车辆噪声均有显著的影响.（2）列车车轮非圆化磨耗发展规律研究和列车车轮多边形磨耗机理研究.车轮多边形磨耗产生的根源在于转向架系统的高频柔性共振,系统的共振频率、列车速度和车轮的周长在满足一定的条件下,车轮多边形磨耗发展速率较高,轮轨滚动接触界面严重的不平顺激励,将促使多边形磨损萌生和发展.到目前为止,对于车轮多边形磨耗发生和发展的机理,国内外仍众说纷纭,未达成共识,尚待开展进一步的研究工作.（3）列车车轮非圆化磨耗检测技术相关研究.最后,对该领域今后的研究方向进行了展望:发展车辆轨道刚柔耦合动力学模型再现车轮多边形演化过程,多边形形成的机理;通过改变运营方式来抑制多边形发展速率;研究车轮智能踏面修形器来消除或抑制车轮多边形的发展.      

我国重载货车转向架曲线性能对比仿真

为比较我国研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架和副构架径向转向架的低动力作用性能,基于车辆-轨道耦合动力学理论和两种转向架的具体结构,分别建立了车辆-轨道耦合动力学模型,应用车辆与线路最佳匹配设计方法,对两种转向架的曲线通过性能进行了仿真计算,并以轮对摇头角、轮轨横向力和轮轨磨耗功等参数与传统转向架进行了对比分析. 仿真结果表明:在曲线半径小于800 m 线路上,相对传统转向架,两种转向架能有效降低轮轨动力作用,且副构架径向转向架降低轮轨磨耗更具优势;但随曲线半径增大和受线路不平顺影响,径向转向架的径向作用会逐渐弱化;当曲线半径超过1 000 m后,两者的轮轨磨耗基本相当,即利用径向转向架来降低轮轨磨耗的效果不明显.      

车轮扁疤冲击分析

扁疤车轮给轨道以极大的冲击作用,致使钢轨及混凝土轨枕受到料想不 到的伤损。本文按动量原理导出了车轮扁疤对轨道的冲击算式,分析了 扁疤车抢甘轨道的影响,提出了防止对策。      

重载铁路车轮踏面擦伤时的轮轨动态相互作用特征

运用仿真分析手段, 考虑车轮踏面新、旧擦伤激扰, 研究了重载铁路轮轨相互作用力、轨道结构位移及振动加速度的时、频特征。研究结果表明: 在车轮踏面新擦伤作用下, 轮轨间将产生高频轮轨垂向力和低频轮轨垂向力, 钢轨、轨枕及道床将产生低频振动位移; 而对于车轮踏面旧擦伤, 轮轨间仅产生高频轮轨垂向力, 轨道结构部件的振动位移较小, 高频位移幅值略大于低频位移幅值; 在新、旧擦伤作用下, 钢轨垂向振动加速度的频率很高, 前者的道床振动加速度明显高于后者的值, 二者的轨枕振动加速度较接近。     

曲线工况下跨座式单轨走行轮侧偏刚度对轮胎磨损的影响

基于车辆轮胎磨损理论, 研究了走行轮侧偏刚度对走行轮侧偏力和导向轮、稳定轮径向力的影响, 分析了单轨车辆曲线运行时, 走行轮摩擦功随轮胎侧偏刚度的变化趋势。分析结果表明: 受导向轮、稳定轮径向力影响, 随着走行轮侧偏刚度增加, 走行轮侧偏力逐渐增大; 当走行轮侧偏刚度处于1¹20kN·rad^-1范围时, 走行轮侧偏力与侧偏角处于线性范围, 侧偏角呈现微量变化; 当侧偏刚度超过120kN·rad^-1时, 侧偏角迅速增大, 进入非线性区域。基于轮胎磨损指标, 随着走行轮侧偏刚度增加, 走行轮磨损量以1.2%的速率增加。走行轮侧偏刚度还将影响车辆曲线通过性, 过小的侧偏刚度不利于形成摇头力矩, 通过性能变差。在保证车辆良好通过性前提下, 尽量减小走行轮磨损, 其侧偏刚度设计值推荐为9.37kN·rad^-1。     

基于轴对称模型的货车车轮结构疲劳强度分析

为了分析铁路货车车轮的疲劳强度, 建立了车轮轴对称模型, 根据国际铁路联盟标准UIC510-5/2003规定的计算载荷和载荷工况, 计算了车轮的疲劳强度, 用Goodman曲线对疲劳强度进行了评定。计算结果表明: 在紧急制动的热载荷作用下, 车轮辐板区域在制动70s时产生最大von_Mises应力; 在紧急制动的热载荷与机械载荷联合作用下, 车轮辐板区域在制动43s时产生最大von_Mises应力; 在曲线紧急制动载荷工况的计算载荷作用下, 车轮辐板区域的von_Mises应力最大; 车轮辐板疲劳强度满足要求。     

重载轨道曲线几何参数对轮轨耦合动力特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据中国最近研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架及C_80E型通用敞车的实际结构和重载铁路曲线轨道结构特点及其技术规范要求,建立了曲线轨道的重载铁路货车-轨道耦合动力学模型;基于新型快速数值积分方法、Hertz非线性弹性接触理论和Shen-Hedrick-Elkins非线性轮轨蠕滑理论,应用计算机仿真计算了不同工况下重载货车曲线通过时的轮轨耦合动力特性,分析了曲线半径、缓和曲线长度和外轨超高等曲线几何参数对重载货车轮轨动力作用的影响。分析结果表明：曲线半径在400~800 m范围内变化时对轮轨动力影响极为明显,而当曲线半径大于800 m后其影响逐渐弱化,重载铁路曲线半径一般不应小于800 m;增加缓和曲线长度能在一定程度上降低重载货车轮轨动力作用,但其作用效果存在长度拐点,拐点前效果明显,拐点后影响甚微,且曲线半径和运行速度都会影响拐点的具体位置,建议根据拐点位置来确定不同曲线半径线路的最小缓和曲线长度;过大的欠超高或过超高均会加剧重载货车曲线通过时的轮轨动力作用,但在欠超高为-20~0 mm时重载货车的综合轮轨动力响应相对较小,即保持货车以适当的欠超高(-20~0 mm)通过曲线有利于降低轮轨动力和磨耗,这与中国铁路工程运输实际设置的欠超高取值范围一致。     

高速列车轮轨参数对车轮踏面磨耗的影响

建立了高速列车多体动力学仿真模型和车轮踏面磨耗计算模型, 通过动力学模拟计算了轮轨接触关系和接触力, 用FASTSIM重新计算轮轨接触斑内的滑动速度、轮轨切向力和摩擦功率的分布, 采用基于摩擦功的轮轨磨耗模型计算了车轮滚过一圈时踏面上一个接触斑的磨耗质量, 再通过累积得到运行一定距离后的踏面磨耗深度。采用数值仿真方法研究了不同车轮踏面外形、轮对内侧距、轨底坡和车速对踏面磨耗深度和磨耗分布的影响。计算结果表明: LMA和S1002踏面的磨耗分布比较均匀, LM踏面的磨耗深度最大, LM和XP55踏面的磨耗区域更靠近轮缘; 在LMA踏面标准轮轨匹配参数下, 轮对内侧距增加会增加磨耗, 磨耗深度随着轨底坡减小而增大; 高速列车车轮踏面磨耗与等效锥度密切相关, 较小的等效锥度会减小磨耗, 但等效锥度的选择需要兼顾动力学性能的其他方面。     

改善轮轨接触状态的车轮型面几何设计方法

改进了车轮型面设计方法, 给出了设计方法的解析数学表达式, 将轮对等效锥度与轮轨型面接触状态联系起来, 对设计实例进行了轮轨几何接触、非赫兹滚动接触和车辆动力学性能分析。研究结果表明: 轮轨接触点能够均匀分散分布; 由于接触斑面积增大约23%, 最大接触压力降低约21%, 使轮轨滚动接触应力降低了约20%;装备实例型面的车辆临界速度与LMA型面几乎相同, 由于轮对等效锥度略有提高使其曲线通过性能略好于后者。可见, 该方法可以改善轮轨接触状态, 有利于轮轨型面均匀磨耗及缓解轮轨滚动接触疲劳。     

车轮型面动态高速曲线通过性比较

为了有效选择高速车轮型面, 通过车辆轨道系统动力学仿真得到轮对高速通过曲线的运动状态, 利用运动状态参量进行三维轮轨接触几何特性与蠕滑率计算, 用Contact程序进行轮轨非赫兹滚动接触计算, 分析了LMa、S1002和XP55车轮型面高速曲线通过匹配特点。分析结果表明: LMa和XP55型面轮对运动参数曲线平滑, S1002型面出现大幅度波动, 并产生蛇行运动; 当轮对横移量为3. 0~3. 5 mm时, S1002型面轮轨接触点对产生约11 mm跳跃, 正好处于钢轨型面R300、R80 mm圆弧过渡区; S1002型面接触斑基本处于滑动状态, LMa型面接触应力最小, XP55型面接触应力最大。可见S1002型面与中国60 kg·m^-1钢轨不匹配, LMa型面匹配效果最理想, XP55型面匹配相对较好。     

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

结合车辆系统在随机轨道谱激励下的动力响应与疲劳强度理论, 以“中华之星”高速动力车轴为例, 建立了动车系统的非线性动力学模型, 仿真车辆在典型线路上的运行特性, 获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系, 进行轮轴的有限元分析, 得到车轴关键部位的应力时间历程, 对其进行统计分析后得到各危险点的应力谱。在此基础上, 运用局部应力应变法和累积损伤理论进行了车轴疲劳寿命估算和可靠性分析, 得到不同可靠度下的疲劳寿命。当可靠度为0.9时, 其疲劳寿命为16年。