轨面摩擦控制技术防治曲线钢轨侧面磨耗研究

曲线外轨侧面磨耗是困扰地铁建设和运营部门的难题。轨面摩擦控制技术可以在保证列车正常牵引和制动的前提下,修改轮轨摩擦(粘着)曲线,降低轮轨横向力,抑制外轨侧面磨耗。国产轨面摩擦控制设备的现场应用效果表明,轨面摩擦控制能够在不影响列车制动与牵引的前提下,有效地将轨面摩擦系数控制在0.35左右,外轨侧磨发展速度可降低50%。此创新技术的推广,可保障运营安全,减少运营单位维修养护工作量,提高钢轨服务年限。     

不同运行工况下高速轮轨稳态滚动接触蠕滑特性分析

以LMA型踏面车轮和CHN60钢轨为对象,基于有限元软件ABAQUS,采用mixed LagrangianEulerian法,分析全滑动制动、全滑动牵引、蠕滑制动以及蠕滑牵引4种工况下的高速列车轮轨稳态滚动接触蠕滑特性。结果表明:全滑动制动工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑制动工况下的6.5倍左右,全滑动牵引工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑牵引工况下的1.7倍左右;接触斑内的蠕滑力矢量在全滑动工况下均指向同一方向,制动时与运动方向相反,牵引时与运动方向相同,而在蠕滑工况下其存在自旋效应;全滑动工况下的纵向蠕滑率均大于蠕滑工况下的,而蠕滑工况下的横向蠕滑率均远大于全滑动工况下的;纵向蠕滑率在全滑动工况下的分布只有1个峰值区域,而在蠕滑工况下则存在2个峰值区,前一工况下的横向蠕滑率分布区域较散,数值相当小,最大仅为0.064%,而后一工况下的分布则相对集中,其最大值可达0.287%。     

直线电机轮轨交通系统牵引坡度及启/制动距离计算研究

直线电机轮轨交通是一种采用直线感应电机LIM牵引的新型城市轨道交通形式.在分析直线电机轮轨系统列车牵引和制动特性的基础上,从列车受力分析的角度,建立直线电机线路参数分析的模型;利用该模型,计算得到直线电机轮轨线路的安全牵引坡度及启/制动距离.     

盾构下穿施工对既有隧道管片接头力学性能影响机制研究

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6 m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

惰行和制动工况下重载列车曲线通过数值模拟

为了研究重载列车在惰行和制动工况下通过曲线时的轮轨接触特性,采用数值方法建立单自由度车辆和全自由度车辆混合的列车动力学模型,对比分析了惰行和制动工况下列车曲线通过时的运行安全性、车轮磨耗分布特征、轮轨滚动阻力特性影响。结果表明:考虑车钩负载效应和闸瓦贴靠车轮作用的列车模型在曲线制动工况下的轮轨横向力和脱轨系数指标均比惰行工况时略差,但轮重减载率指标几乎相当;由于制动时闸瓦压力增大了轮对的摇头约束,导致通过曲线时导向车轮磨耗功率的动态分布区域比惰行时更靠近轮缘处;制动工况下的牵引比率随曲线曲度线性变化的范围比惰行工况时大,且随着制动强度的增大,牵引比率也逐渐增大。     

地铁线路曲线段几何形位对轮轨接触状态的影响

采用Ansys软件建立了地铁线路小半径曲线区段的轮轨接触三维有限元模型,通过改变曲线半径、超高、轨底坡与轨距,分析曲线的几何形位对轮轨接触状态的影响。计算结果表明：在小半径曲线区段,车辆轮对轮缘容易与钢轨轨距角发生挤压,导致钢轨轨距角应力集中,加剧磨耗发展;随着曲线半径的增大,最大接触等效应力有所减小;超高设置应综合考虑曲线半径与行车速度,充分平衡列车通过小半径曲线时产生的离心力;随着轨底坡增大至1/20,轮轨配合更紧密,接触应力显著减小;适当加宽轨距可改善轮轨的匹配状态。     

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...     

车轮擦伤对高速轮轨接触行为的影响

在高速列车运行过程中,车轮踏面常因制动或空转打滑而造成局部擦伤。车轮擦伤将产生异常的轮轨冲击力,从而加剧车辆轨道结构的疲劳破坏。为调查车轮擦伤对高速轮轨接触行为的影响,建立考虑车轮擦伤的高速轮轨动力学模型,对新、旧两种车轮擦伤扁疤的几何形状及作用机理进行数值描述和动力学建模。基于动力学仿真计算,对新、旧车轮擦伤激扰下高速车辆的动力学响应进行详细调查,着重分析车轮擦伤对轮轨法向作用力及轮对垂向振动加速度的影响,并系统调查了车速、车轮擦伤扁疤深度及长度对高速轮轨冲击的影响,提出了高速车轮擦伤维修界限的计算方法。     

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。     

考虑非对称轨底坡的轮轨滚动接触应力分析

研究目的:针对我国地铁线路钢轨因施工误差导致的非对称轨底坡处易出现疲劳伤损现象,利用我国地铁车辆常用的LM型面与CHN60钢轨,基于轮轨接触几何关系和Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析非对称轨底坡对轮轨接触几何参数和轮轨接触力学特性的影响,揭示引起轮轨滚动接触疲劳的原因。研究结论:(1)随着轨底坡的减小,轮轨接触点对分布趋向于轨距角一侧,接触点对分布范围变窄,且轮轨接触斑面积减小,滑动区增大;(2)横移量小于4 mm时,右轨侧1/30、1/40、1/50三种轨底坡下的最大法向接触应力相差不大,但均明显高于轨底坡为1/20的值;在5～8 mm横移量范围内时,相同横移量下轮轨接触应力随着轨底坡的减小而增大;(3)同一横移量下轮轨体内最大等效应力值随着轨底坡的减小而增大,右轨侧轨底坡从1/20减小至1/50时最大等效应力均增加了60%左右,且等效应力沿纵向分布范围变窄,沿深度方向影响范围变小,等效应力作用趋于集中;(4)轨底坡的减小引起轮轨表层接触应力增大及轮轨体内等效应力增加,可能引起轮轨材料从表层到深度领域内的疲劳破坏,缩短轮轨的使用寿命;(5)本研究成果可为我国地铁线路检测、维修及轨底坡设置等提供参考。     

75kg/m钢轨接头预留轨缝与接头热应力场分析

近期某干线铁路区间钢轨接头联结零件出现大量损坏的情况,为进一步探究故障原因,以线路普通接头为研究对象,以十余年轨温数据为基础,计算铺轨作业时预留轨缝、钢轨伸缩量,并且分析其在日常环境下的温度场分布及温度效应。依据轨道真实结构建立75 kg/m钢轨接头联结零件有限元温度场模型,分析不同工况下温度云图,并总结其分布规律。研究发现:该地区15 a内,各月预留轨缝平均值相差不大;对于普通钢轨接头,在螺栓中部、钢轨扣压部分、鱼尾板螺栓孔位置产生应力集中;受螺栓预紧力影响,钢轨接头应力集中点最大点在螺栓中部,且受预紧力影响较大;接头联结螺栓预紧力对钢轨温度应力影响比扣件更为明显;这些研究成果为今后养护维修工作提供理论支持。     

复杂轨面接触条件下轮轨动态相互作用研究

表面接触状态对轮轨摩擦系数和黏着特性影响显著。基于车辆—轨道耦合动力学理论,建立了考虑轮轨防空转控制的重载列车—轨道耦合动力学模型。利用该数值模型分析了接触状态对轮轨动态相互作用的影响,系统地对比研究了不同防空转控制策略对轮轨黏着性能的影响。分析结果表明：轨面接触状态和防空转控制阈值对轮轨法向相互作用及黏着特性影响显著;相比于定阈值的PID轮轨防空转控制,当采用最优转矩控制策略时牵引效率更高。     

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。     

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。     

廓形打磨对小半径曲线钢轨受力状态的影响

为了研究钢轨廓形打磨对小半径曲线轮轨关系和作用力的影响,对成渝铁路钢轨打磨前后的轮轨接触关系开展分析,对车辆轮轨作用力进行现场测试。测试结果表明:钢轨廓形打磨后,货运列车和客运列车通过小半径曲线时的轮轨垂向力均值降低幅度分别达到13.8%和8.4%,轮轨横向力均值降低幅度分别达到19.7%和33.5%,脱轨系数均值降低幅度最大分别达到16.0%和7.4%,轮重减载率均值降低幅度最大分别达到23.1%和27.3%;钢轨打磨后的轨面状态得到有效改善,轮轨接触分布更为合理。钢轨廓形打磨可有效提升列车曲线通过性能,对于轮轨关系和钢轨受力状态的改善具有重要意义。     

小比例环形轮轨接触试验台可行性仿真研究

针对由轮轨接触饱和蠕滑率引起的高频振动造成钢轨损伤问题，提出了一种小比例环形轮轨接触试验台动态模拟方法。其采用环形轨道模拟轮轨持续接触运行工况，结合转向架与受电弓组成的试验车辆模拟轮轨接触振动耦合作用，通过两套牵引系统模拟轮轨接触运行中的纵向接触蠕滑、加速及制动等工况。通过计算确定了环形钢轨的最小曲线半径为7.00 m,经SIMPACK软件仿真分析获得的最大脱轨系数为0.668,符合安全运行要求。     

列车与可动心轨道岔的耦合振动及仿真分析研究

在考虑道岔各部件受力特点及轮轨接触几何关系变化规律的基础上，建立了列车与可动心轨道岔系统的向与横向耦合振动分析模型，并编制了仿真程序，用于分析尖轨及心轨的振动、轮载的分配规律、列车的蛇行运动与运行安全性，钢轨的动应力等。仿真结果与动测试验及国外研究成果有较好的吻合性，可用于指导道岔结构设计与养护维修。     

考虑胶轮电车-轨道耦合效应的导轨梁受力分析

为研究胶轮有轨电车系统中导轨梁和螺栓的受力及布置，基于LS-DYNA有限元软件，建立胶轮有轨电车和导轨梁三维有限元模型，分析车辆行驶速度、刹车初速度和螺栓间距对导轨梁和锚固螺栓受力的影响。研究表明，车辆行驶速度对导轨梁Mises应力峰值影响不大，对螺栓纵向剪力峰值有较大影响；导轨梁Mises应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随车辆刹车初速度增加而增加；导轨梁Mises应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随螺栓间距呈阶梯式增长，在螺栓间距为3.0～4.5 m区间内变化幅度较大。设计时，螺栓间距取值需综合考虑经济性与安全性，建议取3 m;实际运营中，应控制车辆行驶速度在80 km/h左右，并尽可能避免车辆高速紧急刹车制动。     

铁道科学研究院2005年科技成果简介(续四)

31 机车车辆车轮剥离原因分析及改进对策的研究 在大量现场统计分析的基础上，结合实际运用的特点，对典型样品进行车轮剥离的失效分析，指出机车车辆车轮剥离有4种类型：制动剥离、接触疲劳剥离、局部擦伤剥离、局部接触疲劳剥离。在同一失效车轮上可能存在上述剥离类型的1种或几种。制动剥离一般发生在踏面闸瓦制动的车轮上，是车轮踏面热机械损伤的主要表现形式，研究表明，它主要以制动热裂纹和马氏体碎裂2种形式出现。接触疲劳剥离指的是在轮轨接触应力作用下导致轮轨接触面表层金属塑性变形及疲劳裂纹萌生和发展的破坏方式。