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。     

钢轨打磨对小半径曲线车辆动力学特性分析

选取某线路2条磨损较为严重的500m半径曲线钢轨(曲线A及曲线B)作为研究对象,进行针对性打磨方案设计,并采用多体动力学软件UM建立车辆-轨道多体系统动力学模型,研究分析钢轨打磨对小半径曲线车辆动力学特性影响。结果表明:打磨后钢轨廓形得到改善,轨面波磨及掉块得到较好整治,曲线A及曲线B钢轨质量指数TQI均有显著下降,最大值分别下降32.40%、23.49%;打磨后曲线A及曲线B等效锥度显著降低,当横移量为0～10mm内,等效锥度均在0.15以下;曲线A及曲线B左右股与车轮接触区域相对打磨前更加均匀,3点接触得到较好处理;打磨后1～8位车轮与曲线A及曲线B钢轨廓形接触时接触斑内纵/横向蠕滑率最大值、磨耗功最大值、轮重减载率最大值均有显著降低,轮轨接触关系、轮轨磨耗及车辆运行安全性得到较好的改善;同时,车辆通过曲线A及曲线B时车体垂向/横向加速度频率及幅值降低,横向/垂向加速度最大值分别减小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%,车辆运行稳定性得到提升。     

钢轨打磨对重载铁路小半径曲线钢轨波磨的影响

针对朔黄铁路半径400 m曲线区段的钢轨波磨问题实施了个性化钢轨廓形打磨,基于C80货车和曲线线路参数建立了车辆-轨道耦合动力学模型,仿真研究了钢轨打磨前后各项车辆动力学性能、曲线通过能力,给出了波长200～500 mm时打磨前后波深安全限值。结果表明：钢轨打磨很难彻底消除波长300 mm以上的波磨,但可以大幅降低轮轨力、轮轨蠕滑力、车体和侧架振动加速度等动力学指标;钢轨打磨后曲线上股轮轨接触形式由轨顶和轨侧两点接触变为贴合式接触,且上下股轮径差增大,车辆通过能力和安全性提升,钢轨磨耗指数显著降低,相较打磨前波深安全限值提升约0.2 mm。     

波磨对轮轨系统动力特性的影响分析

针对某地铁曲线路段钢轨波磨频发的问题,现场测量了20处钢轨的波磨,并以该实测的波磨作为激励,利用车辆—轨道耦合动力学模型,研究波磨对轮轨系统动力特性的影响规律。结果表明:该地铁波磨的纵向长度为1.5~3.0m,最大波深为0.2~0.4mm,波长范围在140~200mm,接近或者达到钢轨打磨限值,但是轮轨系统响应并未超限;波磨波深与轮轨垂向力、轮对垂向加速度和钢轨垂向加速度都没有明显的对应关系;波深时变率与钢轨垂向加速度没有明显的对应关系,但与轮轨垂向力和轮对垂向加速度都有较明显的线性对应关系,波磨波深变化快的位置,即波深时变率的峰谷值附近,都对应着轮轨垂向力和轮对垂向加速度的极值。由于波深时变率与轮轨垂向力和轮对垂向加速度之间有明显、一致的线性对应关系,基于波磨波深时变率的钢轨打磨标准比基于波深的打磨标准更加直观和合理。     

重载货车作用下固定辙叉心轨磨耗分析

针对大秦铁路75kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉心轨处的磨耗问题,基于Kalker简化理论,建立车辆-道岔系统动力学模型。分析比较重载C80型货车侧向通过道岔辙叉区时,不同车轮和道岔型面匹配下的轮轨蠕滑力、轮轨接触斑面积、车轮滚动圆半径与车轮磨耗功率间的关系以及轮轨型面匹配程度和变化规律。结果表明:当车辆从翼轨行进到心轨时,其标准车轮滚动圆半径的突变值在4~5mm之间,相对于标准车轮,磨耗车轮的值降低了50%,对心轨的垂向冲击较小;轮对由翼轨过渡到心轨时,其左右磨耗车轮的滚动圆半径差值小于标准车轮,磨耗车轮的纵向蠕滑力相对标准车轮减低了45%~63%;磨耗功率大小与车轮滚动圆半径以及轮轨型面匹配程度有关。     

地铁曲线段钢轨廓形打磨效果动力仿真及实测分析

根据地铁曲线地段钢轨打磨前后实测廓形建立了实参数动力学模型并进行仿真计算,结合现场实测数据,对打磨效果进行了量化分析。研究表明,钢轨打磨后车体横向和垂向振动加速度有效值相对打磨前分别降低了7%、2%,从而提高了曲线地段地铁车辆运行的平稳性;钢轨廓形打磨可以使脱轨系数降低5%～30%,横向蠕滑力减小5%～40%,磨耗指数降低10%～50%,从而提高了车辆运行的安全性,降低了钢轨表面病害发生率和磨耗速率。通过打磨后现场观测发现,打磨区段钢轨垂磨速率相对非打磨区段降低了30%～40%,表明钢轨廓形打磨可以有效降低钢轨磨耗速率。     

基于轮轨法向间隙的道岔钢轨廓形优化方法

针对道岔转辙器区钢轨容易出现磨耗和滚动接触疲劳的问题,根据轮轨接触理论,以轮轨法向间隙最小为目标对道岔区钢轨廓形进行优化,获得了钢轨打磨的目标廓形。优化结果表明:优化后的轮轨界面之间有较好的共形特征,能有效降低轮轨接触应力,从而降低轮轨磨耗和滚动接触疲劳损伤,且优化后的轮轨接触点分布更加均匀。     

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。     

地铁车辆频繁启停工况加速钢轨滚动接触疲劳损伤行为

列车启停过程中轮轨接触应力复杂交变,近站点附近车辆频繁启停运行工况加速了钢轨滚动接触疲劳损伤。为深入了解地铁车辆频繁启停工况下的钢轨滚动接触疲劳损伤特性,利用轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台(JD-DRCF/M)开展频繁启停工况下轮轨滚动接触疲劳试验。对比研究4种不同加/减速度工况下(0,400,800和1 200 r/min²)轮轨滚动接触界面黏着、钢轨磨耗和疲劳裂纹行为。研究结果表明：在干态环境中,加速工况显著降低了轮轨界面的黏着系数,其中：800 r/min²加速度下降幅最为明显;而进入水介质环境后,黏着系数出现瞬时极低值、加速度工况下的黏着系数降幅程度差异显著。加速度工况未引起钢轨的过高磨耗,但其对钢轨磨损形貌、表面粗糙度等的影响均较为显著,过高的加速度极易诱发钢轨以剥层机制失效并伴随表面粗糙度的大幅提升。钢轨磨耗与轮轨界面的剪切作用密切相关,加速度的存在往往不同程度地加剧了近表层钢轨材料的塑性变形和疲劳裂纹的萌生与扩展,使得裂纹扩展角、裂纹长度与数量均有不同程度地增加。因此,有必要开展实验条件下钢轨试样滚动接触损伤与实际现场钢轨损伤间的...     

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。     

CHN60轨与59R2槽型轨对现代有轨电车轮轨匹配性能的影响分析

为研究CHN60钢轨型面、59R2钢轨型面与现代有轨电车不同磨耗车轮型面的匹配性能,对国内一现代有轨电车车轮型面进行现场测量,将运行不同里程后磨耗车轮型面分别与CHN60钢轨型面、59R2槽型轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮轨弹塑性接触有限元模型,对有轨电车轮轨接触的Mises应力、接触状态进行了研究。研究结果表明:新车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力相差不大;随着运行里程的增加,磨耗车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力先增加后减少;有轨电车磨耗车轮与59R2槽型轨匹配的接触斑面积大,最大等效应力小,且形状更接近于椭圆形,轮轨匹配性能较好。     

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。     

空间耦合振动下车轮谐波磨耗对车辆运行安全的影响

车轮谐波磨耗造成的轮轨间高频接触振动和冲击,是高速列车运行不可忽略的问题,会对列车运行安全性造成重大影响。阐述了车轮谐波磨耗形式,建立了包含柔性钢轨及路基的列车-轨道-路基耦合系统动力学仿真模型。根据实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗、波深为0.1 mm和0.3 mm的6种典型谐波磨耗进行了轮轨横向振动加速度分析,并研究了轮重减载率、脱轨系数和轮轨横向力3个安全性指标。依托相应铁路行业标准对研究结果进行对比,结果表明:最大轮轨横向振动加速度在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时达到峰值;最大轮轨横向力在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时接近国标限定值;最大轮重减载率在6阶0.3 mm和11阶0.3 mm时超过安全限值;最大脱轨系数在不同形态谐波磨耗下均在安全限度范围内,不会发生脱轨现象。     

40t轴重下曲线半径与轮轨磨耗及疲劳损伤的关系

轮轨磨耗及滚动接触疲劳损伤是影响大轴重列车运行安全的重要因素,本文基于多体动力学软件UM建立了40 t轴重重载货车动力学模型,从轮轨磨耗、疲劳损伤2个角度,研究曲线半径对40 t轴重货车通过曲线时动力性能的影响,给出最小曲线半径的建议取值。研究结果表明:货车在曲线上运行时,轮轨磨耗和疲劳损伤均在小半径曲线上更严重;与400 m曲线半径相比,曲线半径800 m时轮轨磨耗降低68%,轮轨间出现轮缘接触的频次得到有效控制;曲线半径1 200 m时轮轨磨耗和疲劳损伤分别降低80%,58%,滚动圆外侧10~30 mm内基本不再出现疲劳损伤。建议最小曲线半径一般情况下取1 200 m,困难情况下取800 m。     

动车组车轮多边形磨耗形成与发展过程仿真研究

针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,基于车辆-轨道耦合动力学模型、轮轨接触模型、Archard磨耗模型和循环迭代模型,建立车轮多边形磨耗长期磨损迭代模型;模拟我国某型高速动车组20阶车轮多边形的发展过程,结果与实际情况吻合,证实模型的准确性.基于长期磨损迭代模型,研究车辆运行速度、轮轨模态振动特性和轨道参数对车轮多...     

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。     

基于轮轨蠕滑最小化的钢轨打磨研究

根据对轮轨蠕滑形成机理的研究,指出轮轨接触的滚动半径差是影响轮轨蠕滑的重要参数;利用车辆动力学软件NUCARS和选用不同钢轨廓形,仿真计算滚动半径差对轮轨关系的影响,据此提出应通过钢轨打磨,消除或减弱轮轨蠕滑,从而实现轮轨关系的改善,达到延长钢轨使用寿命的目的.理论计算和现场钢轨打磨试验表明,在大秦重载铁路实施钢轨打磨后,滚动半径差减小,钢轨的廓面形状与车轮形成贴合型接触,降低了轮轨蠕滑力和横向力以及轮轨滚动阻力,改善了轮轴转向特性,使钢轨的平均侧磨减少了将近50％,钢轨的通过总重从9×108 t增加到15×108 t以上.     

高速铁路钢轨廓形打磨质量评估方法及应用

在借鉴国外钢轨廓形打磨质量指数(GQI)的基础上,结合《高速铁路钢轨打磨管理办法》中的廓形验收标准,提出基于钢轨廓形打磨质量指数和廓形偏差曲线的评估方法。首先根据砂轮打磨角度对钢轨廓形打磨区域进行划分,通过德尔菲法确定各个区域的廓形权重系数,然后根据钢轨廓形与目标廓形的偏差,提出GQI值计算公式,最后辅以廓形偏差曲线,评估钢轨廓形打磨质量;并进行现场应用分析。结果表明:采用的评估方法不仅可对钢轨打磨质量进行评估,而且可对钢轨廓形状态是否会导致动车组异常振动进行预测,进而给出合理的钢轨打磨建议;提出的GQI计算公式既能评判钢轨打磨廓形是否达到要求,又能量化打磨廓形与目标廓形吻合程度;GQI值大于70且变化范围较小,可有效减轻或消除动车组构架报警、晃车等异常振动。     

CRH2010A综合检测车测力车轮与钢轨滚动接触弹塑性分析

运用非线性有限元分析软件ABAQUS,考虑通过直线、曲线线路和道岔3种工况,建立CRH2010A综合检测车的测力车轮与钢轨的三维滚动接触有限元模型,进行不同工况下测力车轮与钢轨的滚动接触特性及车轮辐板和轴毂的受力分析。结果表明:测力车轮的滚动接触特性与动车车轮相似;通过直线线路且轮对横移量为8mm时,产生轮缘效应,车轮磨损加剧;通过曲线线路时,左侧车轮与钢轨出现两点接触中心区;通过道岔时,左侧车轮与长心轨均发生塑性变形,车轮和钢轨的磨耗加剧;轴毂的过盈连接对轮轨接触特性的影响,远小于其对轴毂连接区域和辐板加工区域应力的影响;在这3种工况下测力车轮均满足静强度要求。