地铁曲线段非对称轨底坡对轮轨匹配特性的影响

基于轮轨接触几何关系和轮轨非赫兹滚动接触理论,分析地铁曲线段存在的非对称轨底坡对不同车轮型面下轮轨接触几何特性和接触力学特性的影响;采用SIMPACK软件,建立某B型地铁车辆动力学模型,基于USFD磨耗函数建立车轮磨耗预测模型,研究非对称轨底坡对3种车轮型面下车辆曲线通过性能和车轮磨耗的影响.结果 表明:外轨轨底坡固定...     

磨耗状态下机车车轮与曲线钢轨的接触分析

利用轮轨型面测量仪现场实测SS4型机车JM3磨耗型车轮踏面和干线铁路曲线段不同位置的钢轨型面。选取典型轮轨型面,建立三维弹塑性接触有限元模型,利用有限元软件Marc计算两种车轮在不同位置处与钢轨的接触状态。分析结果表明:同一段曲线上不同曲率钢轨的磨耗量和磨耗区域有较大差异;在相同外载荷条件下,与标准车轮相比,磨耗车轮与实测钢轨的接触斑面积较大,轮轨型面匹配较好,接触状况得到改善;针对线路上大量磨耗状态车轮,曲线钢轨型面应以磨耗状态车轮型面为参考对象进行设计,而不是标准车轮型面。     

100%低地板现代有轨电车车轮踏面优化

基于接触角曲线反推法,对佛山南海100%低地板有轨电车的车轮踏面进行了优化。与原型踏面相比,优化后的踏面提高了独立轮对复位能力,改善了轮轨接触状态,减小了轮轨接触应力。仿真计算表明,优化后的踏面改善了车辆的动力学性能,踏面磨耗状态优于原型踏面。     

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。     

基于蠕滑机理的重载货车车轮磨耗研究

在多体动力学分析软件包SIMPACK中建立重载货车动力学模型,基于轮轨蠕滑机理在MATLAB软件中编制车轮踏面磨耗仿真程序WWS.根据车轮磨耗仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正.研究车辆非理想状态对车轮磨耗的影响,分析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性.通过钢轨表面滚动接触疲劳损伤特征的研究,对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合关系进行数值模拟.主要研究内容和结论如下.     

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。     

客车车轮型面的多目标优化设计模型研究

分别以与轮轨磨耗指数、临界速度和轮轨横向力相关的3个函数为目标函数,以圆弧型车轮型面的圆弧半径和圆心坐标为设计变量,以Nadal脱轨系数最大值不超过GB 5599—85标准规定的1.0、轮轨最大接触应力不超过车轮材料剪切强度3倍和车轮滚动接触疲劳因子小于0的要求为约束条件,给出了铁路客车车轮型面的多目标优化模型。以欧洲ERRI 200 km.h-1标准客车为例,利用铁道车辆动力学仿真软件ADAMS.2005/Rail建立铁路客车动力学模型,并用给出的型面优化模型对其LMa车轮型面进行多目标优化设计,结果表明,踏面型面优化后的车辆临界速度提高约50%,车辆通过曲线时的轮轨磨耗指数下降约12%。     

重载货车车轮踏面优化研究

对近期开发的基于法向间隙的车轮踏面优化方法进行改进,根据三维非赫兹滚动接触理论对轮轨间隙求解范围进行计算,使所求解的轮轨间隙具有实际的物理意义.针对我国重载货车车轮圆周磨耗严重的问题,对现有重载货车车轮踏面进行优化.利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后车轮踏面的静态接触性能及动态接触性能进行分析.结果表明:优化后轮轨界面之间可达到较好的匹配,且合理选择踏面不同区域的权数可同时保证车辆直线运行与曲线通过时的轮轨接触应力较小,从而达到有效降低轮轨磨耗的目的.     

国外有轨电车小半径曲线轮轨动力学及减磨优化分析

结合埃塞俄比亚有轨电车项目,基于低地板有轨电车结构特性和轮轨关系建立对应的非线性嵌入式轨道车线耦合动力学模型,计算不同曲线半径、轮轨摩擦系数、车辆轮重、车辆通过速度等参数对钢轨磨耗的影响规律。结果表明:车辆通过总重和通过速度与轮轨动态响应及磨耗呈正相关,随着通过总重和速度的增大,轮轨磨耗显著增加;随着摩擦系数增大,横向力减小但磨耗增大;适当增大曲线半径能够有效改善轮轨接触状态,优化列车通过曲线的性能。     

车轮型面磨耗诱发高速铁路轮轨接触几何参数时变的规律

将轨道系统视为无质量的黏弹性力元,运用多体动力学软件UM建立CRH2型高速列车单个车体的车辆—轨道耦合动力学模型,并结合轮轨非椭圆滚动接触模型和车轮型面磨耗演变模型,以车轮最大磨耗深度为0.1mm作为车轮型面更新的条件,通过动力学仿真研究轨道系统振动、车辆悬挂力元非线性和轮轨接触几何非线性特性等影响下滚动圆半径差、等效锥度、接触角和接触点分布等轮轨接触几何参数的时变规律。结果表明:通过不同运营里程下车轮型面磨耗和名义滚动圆半径处磨耗仿真与实测的对比结果,验证了模型的准确性;随着运营时间的推移和运营里程的增加,车轮型面磨耗会对轮轨接触几何参数产生明显的影响:其中,等效锥度、滚动圆半径差和接触角在运营里程从0逐渐增加到10万km的过程中变化明显,而从10万km逐渐增加到20万km时变化渐缓,然后在从20万km逐渐增加到25万km的过程中车轮型面磨耗又进一步加剧,等效锥度、滚动圆半径差和接触角的变化幅度又急剧增加,轮轨接触点分布则随着运营里程的增加由一点接触逐渐向两点接触演变,车辆的动力学性能也随之下降。     

我国主型12号道岔动力学特性分析

对我国主型12号道岔进行动力学测试发现,空车通过道岔侧向时脱轨系数超过限值要求。为此实测钢轨型面,对其轮轨接触特征进行分析,发现磨耗后的道岔下股钢轨轨顶呈明显扁平状,轮轨接触点向车轮踏面外侧转移,使得轮径差减小;上股钢轨轨肩磨耗明显,形成两点接触,减小了导向力矩;双重因素作用下降低了道岔侧向通过性能。优化轮轨关系是改善道岔区动力学性能的有效途径,结合道岔区实际运营状态,提出一种适用于道岔区的钢轨打磨廓形,优化了道岔区轮轨接触参数。动力学计算结果表明:钢轨打磨廓形可有效改善轮轨相互作用特性,明显降低车辆通过道岔侧向时的动力学指标,提高道岔区安全运营裕量。     

轮轨黏着状态对曲线区段轮轨动态相互作用的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了考虑不同轮轨黏着状态的地铁车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轮轨界面黏着状态和曲线半径对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：车辆通过曲线区段时，轮轨界面黏着状态对轮对运动姿态和轮轨系统动态相互作用的影响显著；轮轨界面存在低黏着接触状态会削弱轮对导向能力，致使脱轨系数增大，尤其当外侧轮轨界面存在低黏着接触状态时影响更大；通过润滑适当减小内侧轮轨摩擦因数，同时保持较大外侧轮轨摩擦因数可有效减小脱轨系数，提高车辆横向运行安全性；内外侧轮轨磨耗指数主要由所在侧轮轨黏着状态决定，且随曲线半径增大而减小。     

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。     

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。     

考虑车轮扁疤的轮轨磨耗演化及其对车线桥系统的影响分析

基于车辆-轨道-桥梁相互作用理论和Archard材料磨损原理,建立高速车辆-轨道-箱梁桥耦合系统动力学模型,计算M2维护周期内含扁疤车轮轮轨磨耗深度分布,探讨含扁疤的轮轨磨耗演化对轮轨接触特性及车辆-轨道-桥梁系统动力学性能的影响.研究结果表明:随磨耗深度增大,含扁疤的磨损轮轨匹配时轮对横移引起的接触角、半径差变化越大;在踏面不发生二次擦伤时,初始微小扁疤随磨耗里程增大,其长度增大深度几乎不变,对车线桥耦合系统冲击作用减弱;含扁疤的磨损轮轨磨耗演化主要影响轮轨横向力;桥梁结构对磨损轮轨的磨耗演化较为敏感,建议以桥梁垂向振动加速度监测轮轨磨损状态.     

曲线磨耗状态下轮轨弹塑性接触有限元分析

基于现场实测的承载铁路小半径曲线段正常磨耗范围内典型轮轨型面.应用有限元分析软件AN-SYS建立轮轨三维接触有限元模型.模型考虑了车轮与钢轨的实际几何形状和边界条件,轮轨材料本构模型采用双线性随动强化弹塑性材料模型,计算分析曲线段不同磨耗程度车轮与钢轨的接触状态.计算结果表明:在相同载倚条件下,随着75 kg·m-1钢轨侧磨量的增加,轮轨接触斑面积呈增大趋势,钢轨最大Mises等效应力逐渐降低,轮轨踏面廓形逐渐相互匹配,接触状态得到改善;在钢轨侧磨量从0 mm增加剑5 mm过程中,轮轨接触状态变化较大,钢轨处于剧烈磨耗阶段,容易出现疲劳裂纹、剥离掉块等接触疲劳伤损,钢轨侧磨量超过5mm后,轮轨接触状态变化趋于平缓,钢轨处于稳定磨耗阶段.     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

车轮磨耗仿真中踏面更新策略研究

基于车辆系统动力学仿真和Braghin踏面磨耗模型计算车轮踏面上的磨耗深度分布,并采用小波滤波、滑动平均和傅里叶变换平滑3种方法对踏面磨耗深度曲线进行平滑。结果表明,小波滤波的平滑效果优于滑动平均和傅里叶变换平滑方法;更新磨耗深度越大,对磨耗行为和轮轨几何接触关系影响越大。因此,建议在最大磨耗深度达到0.1 mm时对仿真计算用的车轮型面进行更新。     

XP55-28经济型镟修踏面外形设计及动力学性能验证

对于CRH5型动车组所采用的XP55型车轮踏面外形,在经过120万km以上的运营后检修时,如按原型踏面外形镟修,不仅镟修量较大,且减少车轮使用寿命。本文通过对上千个在不同线路运行120万km后的车轮进行外形测量,对其轮缘斜面磨耗、轮缘厚度、轮缘高度、等效锥度等数据进行统计分析,设计了XP55-28经济型镟修踏面;利用多体动力学软件SIMPACK建立CRH5型动车组模型,分别从轮轨接触几何关系、车辆系统蛇行运动稳定性、车辆直线轨道运行平稳性、车辆曲线通过安全性等方面对采用XP55-28经济型镟修踏面的车辆与采用XP55型踏面的车辆进行对比。结果表明:二者轮轨接触几何关系相同,各项动力学性能指标均满足运营要求。