小半径曲线内轨波磨外轨无波磨原因的研究

目的研究铁路小半径曲线线路内轨有波磨而外轨无波磨的原因。方法根据轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了由车轮、钢轨和轨枕组成的轮轨系统摩擦自激振动模型。在模型中,车轮与钢轨接触几何关系使用车辆通过R=350 m曲线时的SIMPACK车辆动力学仿真计算获得的数值,钢轨与轨枕、轨枕与道床之间的连接用弹簧和阻尼单元组来模拟。应用复特征值方法对该模型发生摩擦自激振动的趋势进行了数值分析。结果小半径曲线内轨和车轮的接触角较小,在饱和蠕滑力(即摩擦力)作用下容易发生摩擦自激振动,因而容易出现波磨;外轨和车轮因为接触角较大,在饱和蠕滑力作用下不容易发生摩擦自激振动,因而极少出现波磨。数值预测结果与波磨发生的实际情况一致。结论轮轨蠕滑力饱和以及轮轨接触角是引起小半径曲线内外轨波磨差异的两个主要因素,其中轮轨蠕滑力饱和(即轮轨滑动)是决定性因素,如果轮轨蠕滑力不饱和,则轮轨系统就不会发生摩擦自激振动,因而就不会出现波磨。     

抑制钢轨波磨的梯形轨道结构的多参数拟合与优化

目的研究地铁车辆结构一系悬挂及轨道结构支承刚度和阻尼对梯形轨道小半径曲线钢轨波磨的影响规律,并提出抑制相应区段钢轨波磨的多参数拟合优化方法。方法基于轮轨系统的摩擦自激振动理论,构建梯形轨道小半径曲线段上带有一系悬挂轮轨系统的有限元模型。然后通过复特征值分析,研究地铁梯形轨道小半径曲线段轮轨系统的摩擦自激振动特性。最后开展地铁车辆结构一系悬挂及轨道结构支承刚度和阻尼的参数化分析,采用最小二乘法,对影响不稳定振动的关键参数进行多参数拟合。根据该拟合方程,采用遗传算法进行关键参数的优化匹配。结果在曲线半径为350 m的梯形轨道上,轮轨间因存在饱和蠕滑力,引起摩擦自激振动,在439.02 Hz时,产生了不稳定振动,从而导致了钢轨波磨的产生。影响轮轨间不稳定振动的关键因素为扣件的垂向刚度、横纵向刚度、垂向阻尼和减振材料的垂向刚度。结论当扣件的垂向刚度为36 MN/m、扣件的横纵向刚度1.68 MN/m、扣件的垂向阻尼为2.9 kNs/m、减振材料垂向刚度为5.57 MN/m时,可有效抑制梯形轨道小半径曲线段上钢轨波磨的发生。     

轴盘制动对高速列车车轮多边形磨耗的影响

目的 研究高速列车轴盘制动引起车轮多边形磨耗的形成机理,并提出相应的抑制措施.方法 基于摩擦自激振动引起车轮多边形磨耗的观点,建立高速列车拖车轮对-轴盘制动-轨道系统的有限元模型.采用复特征值法,分析制动工况下制动盘和制动片摩擦激励的振动.根据等效阻尼比判断摩擦自激振动的不稳定性,等效阻尼比越小,则不稳定振动发生趋势越...     

扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响

目的 研究扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响,获得抑制钢轨波磨的有效措施。方法 建立小半径曲线DTVI2扣件的轮轨系统有限元模型,对扣件系统进行实体化建模,考虑轨下垫板之间的接触情况,同时模拟扣件系统中弹条预紧作用。采用复特征值分析和瞬时动态分析研究轮轨系统的摩擦自激振动特性,并将预测结果与现场测试结果对比,揭示该区段钢轨波磨产生的原因。最后开展轨下垫板材料属性以及扣件结构参数的影响分析,获得其对钢轨波磨的影响。结果 轮轨间饱和蠕滑力引起轮轨系统发生频率为500 Hz的不稳定振动,会导致波长为30 mm的钢轨波磨。轨下垫板杨氏模量在10~50 MPa区间,等效阻尼比先从‒0.015 2减小到‒0.016 9又增大到‒0.014 2;阻尼系数在0~0.000 1区间内,等效阻尼比从‒0.016 9增大到‒0.010 2;轨下垫板泊松比的变化没有引起系统等效阻尼比发生明显的变化;扣件间距在575~675 mm区间内,等效阻尼比从‒0.016 3降低到‒0.019 0;等效阻尼比随着弹条预紧力的增大而增大。结论 选取合适的轨下垫板杨氏模量可以减轻由轮轨摩擦自激振动导致的钢轨波磨;提高阻尼系数对轮轨系统的自激振动具有较强的抑制作用;而轨下垫板的泊松比对钢轨波磨的影响较小;适当减小扣件间距可以略微降低钢轨波磨的产生趋势;增大弹簧预紧力可以抑制由轮轨系统摩擦自激振动导致的钢轨波磨。     

山地城市地铁制动/轨道结构参数对钢轨波磨的影响

目的 山地城市地铁相较于平原城市地铁具有爬坡大且曲线多的复杂线路特点,其钢轨波磨问题更加严重。探究山地城市地铁制动区间钢轨波磨的形成机理,提出相应钢轨波磨的控制方法。方法 首先,结合现场调研建立了轮对-轨道-制动系统的有限元模型。然后,采用复特征值分析法研究了轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动特性,进而对制动闸片的表面织构及扣件参数进行参数化分析。最后,基于最小二乘法,采用2种拟合方程对扣件参数进行多参数拟合,并采用遗传算法与粒子群算法确定抑制钢轨波磨扣件参数的最优解。结果 发现轮对-轨道-制动系统存在2个不稳定振动频率,分别为653.73 Hz与584.76 Hz,其中653.73 Hz的复特征值实部较大,为46.53。对比不同表面织构,采用正六边形织构表面闸片的轮对-轨道-制动系统复特征值实部最小,为19.46。对比扣件参数优化前后,采用优化后的扣件参数的轮对-轨道-制动系统复特征值实部较小,为0.49。结论 轮轨子系统与制动子系统的摩擦耦合作用导致轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动,是诱导山地城市地铁制动区间钢轨波磨产生的重要因素。当采用正六边形表面织构闸片或设置扣件参数中垂向刚度为36.2 MN/m,垂向阻尼为2 800 N.s/m,横向刚度为25 MN/m,横向阻尼为2 000 N.s/m时能有效抑制钢轨波磨的产生。     

车轮辐板阻尼涂层对钢轨波磨的影响

目的研究车轮辐板涂敷有阻尼性能的涂层对小半径曲线钢轨波磨的影响,并根据试验结果提出减缓或抑制钢轨波磨的建议。方法基于摩擦自激振动导致钢轨波磨机理,利用ABAQUS有限元仿真软件,建立轮对、钢轨、轨枕、车轮辐板涂层有限元模型,模拟曲线半径为300 m的工况,采用ABAQUS中内置的复特征值分析方法,分析轮轨系统在小曲线半径工况下的稳定性。结果在曲线半径为300 m的工况下,轮轨间因存在饱和蠕滑力引起自激振动,于频率f=502.32 Hz时产生不稳定振动,从而引起钢轨波磨。通过在车轮辐板内侧和双侧涂敷有阻尼涂层,可有效增强轮轨系统的稳定性,减缓钢轨波磨的发生趋势。只在车轮辐板外侧添加涂层会增加钢轨波磨的发生概率。车轮辐板双侧和内侧涂层模型中,涂层厚度的增加会提高系统稳定性;外侧涂层模型中,涂层厚度的增加会降低系统的稳定性。涂层的阻尼系数对钢轨波磨有较大影响,提高涂层阻尼系数可有效减缓钢轨波磨发生趋势。结论在地铁小半径曲线上,通过在车轮辐板内侧涂敷有阻尼涂层,可有利于减缓钢轨波磨现象,当涂层阻尼系数增大至1.5e–3时,可有效抑制钢轨波磨。     

山地城市地铁牵引与制动工况下钢轨波磨成因对比研究

目的 探究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。方法 基于摩擦自激振动理论,结合山地城市地铁长大坡道区段现场调研,分别构建上坡牵引和下坡制动工况下车辆−轨道系统的动力学模型,对比研究长大坡道区段牵引与制动工况下车辆−轨道系统的动力学特性。分别构建对应区段的轮对−钢轨−牵引系统和轮对−钢轨−制动系统的有限元模型,并采用复特征值法对比研究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。采用最小二乘法和粒子群算法提出抑制长大坡道区段钢轨波磨的车辆−轨道参数的最优解。结果 在轮对−钢轨−牵引系统中存在不稳定振动频率369.93 Hz,其复特征值实部为19.36。在轮对−钢轨−制动系统中存在不稳定振动频率443.92 Hz,其复特征值实部为4.970 5。结论 在牵引摩擦副与轮轨摩擦副的共同作用下产生的摩擦自激振动,在制动摩擦副与轮轨摩擦副的共同作用下产生的摩擦自激振动,分别是长大坡道牵引与制动区段钢轨波磨的主要诱因,且牵引区段发生的可能性高于制动区段。在制动工况下设置制动压力为5 kN,在牵引工况下设置牵引运行速度为80 km/h,并结合优化后的扣件参数,能有效抑制长大坡道区段钢轨波磨。     

高速动车组车轮偏磨影响因素与限值研究

目的 高速动车组在运营过程中的轮轨磨耗严重威胁着运营安全和运营经济性,车轮偏磨对车辆的运行性能具有重要影响。探究高速动车组车轮发生偏磨的原因,从而提出对应的抑制措施。方法 通过实测数据,统计分析动车组偏磨问题和演化规律,并对不同车轮偏磨下的轮轨静态接触参数进行分析;建立高速动车组车辆模型和Jendel车轮磨耗模型,分析偏磨产生的机理和影响因素,主要从4个方面进行探究,包括左右轮表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形的不对称性;通过建立轮对刚柔耦合模型,对不同车速下的车轮偏磨限值进行研究。结果 磨耗里程为200 000 km,当硬度差为0、5H、10H时,右侧车轮的磨耗深度分别为0.954、0.966、0.973 mm。当右侧转臂节点刚度减小为5 MN时,右侧车轮的磨耗深度减小了5%。当左右钢轨廓形不对称时,左侧车轮的磨耗比右侧的磨耗增大了15.8%。当速度为300、350、400 km/h时,轮径差限值分别为2.4、2.1、1.7 mm。结论 左右车轮的表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形不对称性是引起车轮偏磨的主要诱因,在服役过程中需对影响车轮偏磨的车辆和线路参...     

复合载荷作用下轮轨接触特性有限元分析

侧风及弯道情况下的横向力对轮轨接触特性产生重要影响,从而影响轮轨的使用寿命。同时考虑轮轨所受的垂向力和横向力,建立轮轨接触有限元模型。轮轨的材料本构模型选择弹塑性,采用罚函数法模拟车轮和轨道之间的接触关系。对不同垂向力及横向力作用的轮轨接触进行有限元仿真,分析轮轨接触部位的接触变形、等效应力以及塑性应变等随垂向力和横向力的变化规律。结果表明：轮轨最大接触压力、接触斑面积、最大Mises等效应力和最大Mises等效塑性应变都随垂向力近似呈线性增加,但垂向力主要影响接触斑面积和最大Mises等效塑性应变;轮轨Mises等效塑性应变最大值随横向力的增加近似呈线性增长,且塑性变形主要集中在钢轨的接触部位。     

车轮多边形幅值对侧向通过道岔区振动传递特性的影响

道岔区的动力学性能是决定行车速度和安全的主要因素之一,而车轮多边形磨耗会显著影响轮轨相互作用力及转向架关键部位的振动特性。以18号可动心轨道岔作为研究对象,建立车辆-道岔耦合动力学模型。分析列车侧向过道岔区的实测振动数据,并分析不同多边形幅值车轮对车体各部位振动传递的影响。结果表明:列车通过道岔心轨区段时,增加多边形幅值对各关键部位减振效果影响较大;多边形幅值为0.14 mm时,动力学响应幅度较大,横向力接近侧向通过道岔的限值;脱轨系数最大值发生位置随多边形幅值增加而变化;一系悬挂不能有效降低多边形车轮引起的振动,二系悬挂可以消除一部分的振动能量,但在心轨区段,横向减振效果仍不理想。     

科隆蛋扣件区段双重钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制效果研究

目的 研究科隆蛋区段双重钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制效果。方法 首先,结合现场建立轮对-钢轨-吸振器系统的有限元模型。然后,基于摩擦自激振动理论,采用复特征值法与瞬时动态法对单重和双重钢轨吸振器的抑制效果进行对比。进而,采用谐响应分析探究双重钢轨吸振器对钢轨波磨抑制效果提高的原理。最后,对双重钢轨吸振器的关键连接参数进行参数化分析,基于最小二乘法对其进行多参数拟合求最优解。结果 轮轨系统有3个不稳定振动频率228.57、480.97、1181.60Hz,单重钢轨吸振器对其的抑制效果分别达到了15.20%、100%、20.19%,双重钢轨吸振器对其的抑制效果达到了15.20%、100%、100%。双重钢轨吸振器调谐频率分别为183.64、473.62 Hz。对比参数优化前后,经过优化连接参数后的轮对-钢轨-吸振器系统的复特征值实部较小,为33.683。结论 双重钢轨吸振器因其2个调谐频率能更好地抑制轮轨系统的多个不稳定振动频率,从而对钢轨波磨的抑制效果更好。减小连接刚度和增大连接阻尼能提高其对钢轨波磨的抑制效果。当双重钢轨吸振器的下质量块垂向刚度为22.7×10⁷N/...     

铁道车辆轮轨接触疲劳的影响因素

随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高,使得高速铁路的轨道必然比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性,为保证轨道结构的这些要求,轨道各部件的力学性能、使用性能和组成为结构的整体性能都比普通轨道部件高,但在高速铁路轨道上仍然存在很多问题。目前,轮轨接触疲劳是最常见的轮轨问题,国内外许多学者对此做了研究。导致机车车辆轮轨接触疲劳的因素有很多,指出了当下一些常见的轮轨接触疲劳损伤形式,同时对滚动接触疲劳的影响因素进行了简要分析。为了研究疲劳损伤产生、发展的机理和影响因素,通过查阅大量资料,了解了各种常见损伤的产生和发展机理,并总结了在该领域的研究方向与热点,同时指出了当下高速铁路建设中存在的技术难题。结合轮轨接触疲劳的失效形式和磨损的特点,从材料对踏面的影响、高速与重载对轮轨接触疲劳的影响、润滑剂对轮轨裂纹增长的影响等方面,进一步提出预防和减缓钢轨接触疲劳损伤的具体措施。     

基于 ANSYS 的车轮材料特性对轮轨接触应力的影响

目的随着我国铁路运输朝着高速、重载、低能耗的方向高速发展,高速列车轮轨承受的载荷显著增加,研究车轮材料特性(弹性模量、泊松比)对CRH3型动车组轮轨接触应力的影响,对保证列车安全性、可靠性及舒适性有重要的现实意义和应用价值。方法采用S1002型磨耗踏面轮对和60 kg/m的标准钢轨,首先对轮轨接触的模型做基本的假设,其次对模型参数、单元选择、网格划分等计算过程进行说明,最后应用弹塑性理论及有限元软件ANSYS分析轮轨接触应力。结果车轮材料弹性模量E分别为124,165,206,247,288 GPa的情况下,轮轨接触对应的最大Mises应力依次为315.451,370.458,435.498,500.274,554.604 MPa,最大接触压力依次为669.264,802.328,920.832,1033.87,1135.19MPa;在车轮材料泊松比分别为0.18,0.24,0.30,0.36,0.42的情况下,轮轨接触对应的最大Mises应力依次为468.035,450.601,435.498,422.587,415.412 MPa,最大接触压力依次为903.068,911.168,920.832,936.339,961.234 MPa。结论车轮材料的弹性模量对轮轨接触应力有显著的影响,最大Mises应力和最大接触应力的变化与弹性模量的变化呈正比关系;泊松比对轮轨接触应力也有一定的影响。