铁路轨道工程长寿命安全保障战略探讨

我国轨道交通基础建设实现了跨越式发展,但针对轨道工程运营的安全管理与高效维护,仍存在许多复杂的难题亟待解决,突出表现为轨道结构实际服役周期难以达到设计寿命。因此,组织实施铁路轨道工程长寿命安全保障计划尤为迫切。本文首先回顾了我国铁路轨道工程领域取得的成绩,进一步介绍了国外一些发达国家在该领域的发展动态。相比发达国家,目前我国在轨道工程长寿命安全领域的研究还存在比较大的提升空间,具体表现在缺乏顶层设计,研究工作的系统性不足,深度与广度不够。最后就该计划的实施从理论研究、人才培养、智能化信息管理、性能提升与恢复等方面提出了若干建议。

实测轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗影响分析

轮轨蠕滑曲线会影响轮轨动态相互作用,进而影响钢轨磨耗,为研究实测轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗的影响,首先,基于最小二乘法获得适用于Polach模型和修改FASTSIM算法的参数,模拟40~400 km/h行车速度范围内的实测蠕滑曲线;随后,在SIMPACK软件中建立车辆系统动力学模型,并通过Polach模型测得实测蠕滑曲线;最后,采用Kik-Piotrowski模型和修改的FASTSIM算法进行轮轨非赫兹滚动接触计算,并结合USFD磨耗模型预测钢轨磨耗,对比了理想与实测蠕滑曲线条件下钢轨磨耗的差异.研究表明:理想蠕滑曲线条件下钢轨磨耗深度明显大于实测蠕滑曲线下的结果,随着车辆通过次数的增加,理想条件下钢轨磨耗分布范围更大,内外轨磨耗分布范围分别为实测蠕滑曲线的1.5倍和1.3倍;摩擦系数和磨耗率显著影响钢轨磨耗大小及磨耗分布情况,故在车辆动力学仿真和钢轨磨耗计算中有必要考虑实测轮轨蠕滑曲线;形成了确定实测蠕滑曲线参数的前处理程序,可服务于车辆动力学仿真和钢轨磨耗计算,可以有效指导现场进行钢轨打磨等养护维修工作.

考虑摇头角的非赫兹滚动接触算法对比研究

为研究轮对摇头角对轮轨接触行为的影响以及评估简化非赫兹轮轨接触算法的精度,选取EKP、MKP与MSHM共3种考虑摇头角的轮轨非赫兹简化算法分析轮轨法向与切向接触行为。以S1002CN车轮踏面和CHN60钢轨为研究对象,以精确理论CONTACT算法的结果为参考,对比各简化接触算法得到的接触斑形状、接触应力、切应力等微观接触结果的准确性。利用UM软件建立车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真分析得到轮轨运动参数,然后输入到接触算法计算轮轨接触解,基于统计学累积误差方法评估不同接触算法在实际车辆运行工况下的计算精度与稳定性。计算结果表明:摇头角使轮轨接触斑与接触应力呈三维非对称分布;对于法向接触,在大部分工况下,MKP算法相比EKP、MSHM算法精度较高,但接触斑内轮轨曲率变化较大时,如横移量为6 mm,MKP算法所得到的最大接触应力误差为47.2%,此时更适合采用MSHM算法,其误差为27%;对于切向问题,采用EKP+FaStrip、MKP+FaStrip算法比MSHM+FASTSIM算法得到的结果更准确;对于动力学结果,MKP+FaStrip算法比EKP+FaStrip、MSHM+FASTSIM算法得到的接触结果更加精确和稳定。

考虑材料温变特性的三维轮轨接触热分析

为研究材料温变特性对轮轨接触行为和摩擦温升的影响,提出了一种考虑材料温变特性的三维轮轨热力耦合模型,能够考虑纵、横向蠕滑率和自旋的影响,更为真实地模拟轮轨系统的服役状态.首先,研究了热力耦合建模方式对轮轨界面摩擦温升及接触应力的影响;随后,将该模型应用于地铁小半径曲线处车辆-轨道相互作用模拟.结果表明:当轮轨界面温度达到450℃时,轮轨接触应力显著降低,降幅可达20%;考虑热力耦合建模后,轮轨界面的预测温升明显低于不考虑热力耦合建模时的结果,在蠕滑率为0.16时,两者的差异可达51%;地铁车辆在小半径曲线线路上运行时轮轨摩擦温升因过大的蠕滑率与自旋会急剧增大到750℃,应考虑轮轨热力耦合建模以避免过高估计轮轨摩擦温升以及轮轨接触应力.

基于遗传算法的实测轮轨蠕滑曲线模拟

轮轨黏着-蠕滑特性直接影响着轮轨系统的工作性能和列车的运行安全。为在轮轨接触数值模型中合理地表征实测黏着-蠕滑曲线的影响,在KP模型和改进FASTSIM模型的基础上,提出了黏着-蠕滑特征参数初值计算方法,结合遗传算法设计参数拟合过程并选取合适的适应度函数,形成了一种获取描述轮轨黏着-蠕滑特性特征参数的通用方法,随后以160 km/h速度的实测蠕滑数据为例,分析对比了本文算法拟合蠕滑曲线的计算效率及与理想工况下局部接触结果的差异。研究表明:(1)本文提出的算法在拟合不同速度工况对应的实测黏着-蠕滑曲线时均具有较高的精度,提出的拟合特征参数取值范围提高了遗传算法收敛速度,与遍历法相比计算速度提高18.5倍;(2)考虑潮湿环境实测轮轨黏着-蠕滑曲线时,轮轨黏滑分布、切向接触应力较干态理想工况有显著差异,主要体现在接触斑最大切向接触应力减小、滑动区面积随蠕滑率增大的速度减缓等。本文算法满足车辆-轨道耦合动力学数值仿真要求,可更真实地模拟实际环境条件下的轮轨相互作用。

车轮踏面硌伤处的瞬态滚动接触应力分析

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，研究带有踏面硌伤的车轮在指定牵引或制动力条件下的瞬态滚动接触行为，分析不同速度、硌伤几何和材料塑性变形对踏面硌伤处滚动接触行为的影响。结果表明：在60-300 km／h速度范围内，车轮硌伤所激起的接触力随速度的增加而降低；初期硌伤可能存在的边缘“堆起”能大大增加接触应力的水平，或可导致滚动接触疲劳的萌生；对于具有尖锐边缘的硌伤，弹塑性等效应力水平仍可明显大于车轮材料的强度极限，即可发生持续的塑性变形，易于萌生疲劳；相对而言，对于具有钝边缘的硌伤，相应的接触应力水平要低得多，车轮偏于安全。

函数型摩擦系数对轮轨滚动接触行为的影响分析

为研究函数型摩擦系数对轮轨滚动接触行为的影响,建立三维轮轨高速滚动接触有限元模型,针对钢轨表面平顺和存在波磨两种工况,通过与库伦摩擦模型的结果对比,详细分析函数型摩擦系数对轮轨力、黏滑分布和接触区域滚动接触应力等接触行为的影响,为进一步研究轮轨材料的损伤机制提供依据。研究发现:(1)无论钢轨表面平顺还是存在波磨,函数型摩擦系数均不会影响法向接触解;(2)函数型摩擦系数会显著影响切向应力的分布,进而影响von Mises等效应力的幅值;(3)基于安定理论,非稳态滚动条件下,相比库伦型摩擦系数,函数型摩擦系数使轮轨表面材料更易遭受疲劳破坏。

40吨轴重下轨枕承轨槽接触应力分析

从轨道系统静态受力分析的角度出发,建立了考虑轨下胶垫弹性接触的三维轨道有限元模型,研究了40吨轴重作用下的轨道结构响应,重点分析了不同服役状态下轨枕承轨槽处的静态应力水平,为我国未来大轴重轨道结构设计提供数据支持。通过与经典轨道结构静态模型计算结果对比,验证了本文建立的轨道结构有限元模型的合理性。计算结果表明:(1)在40吨轴重车辆的作用下,我国现有的重型轨道结构满足运行要求,但是,路基顶面应力超过其承载能力;(2)随着横向轮轨力幅值的增加,轨下胶垫-承轨槽接触面的横向宽度逐渐减小,纵向长度不受影响,最大压应力显著增加且发生位置相应地向轨枕外端移动;(3)典型横向轮轨力水平下,轨下胶垫的刚度由80 MN/m增加到200 MN/m时,承轨槽压应力分布变化较明显,而当进一步增加到1 300 MN/m,其影响可以忽略;(4)不考虑动态系数变化影响的前提下,扣件松脱会降低承轨槽处的压应力水平,轨下胶垫-承轨槽接触面的形状因约束减少而变得更加不规则。

不同钢轨廓形下高速铁路轮轨型面匹配

为了分析不同钢轨廓形对我国高速铁路轮轨型面匹配的影响,针对高速铁路线路上使用的CHN60、60N和60D钢轨廓形,基于经典迹线法、三维非赫兹滚动接触理论及车辆-轨道耦合动力学,分别研究了不同钢轨廓形与高速车轮LMA型面匹配时的轮轨接触特性和车辆动力学性能.研究结果表明:不同钢轨廓形下,轮轨接触几何关系有较明显的差异;在不同轮对横移量下,CHN60钢轨的轮轨接触应力比另外两种钢轨廓形小;当轮对横移量为6 mm时,CHN60钢轨对应的轮轨接触状态最优,其接触斑面积最大,且接触应力分布较为均匀;不同钢轨廓形对车辆的临界速度及曲线通过能力影响较大,60D钢轨与LMA型面匹配时车辆的临界速度约为763 km/h,为三者中最高,但CHN60钢轨与LMa型面匹配时车辆的曲线通过性能最好,相应的轮轨横向力最大值3.584 k N,轮对横移量最大值3.35 mm,是三者中最小.

轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响分析

研究目的:目前关于轨底坡对轮轨接触行为影响的研究很多,但轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响的相关研究还未开展。为分析轨底坡对我国高速车轮与60N钢轨的轮轨接触行为影响,基于迹线法和三维非赫兹滚动接触理论,分别研究不同轨底坡下高速车轮LMa、XP55、S1002G与60N匹配时的静态轮轨接触特性,包括等效锥度、接触带宽、轮轨接触应力和表面疲劳因子等。研究结论:(1)在1/10的轨底坡下,三种高速车轮型面与60N钢轨接触时表面疲劳因子大于零的情况居多,说明1/10的轨底坡易导致轮轨表面裂纹的出现,不适用于高速轮轨匹配;(2)LMa型面的接触带宽随轨底坡的减小而增大,轮轨接触应力随轨底坡变化不大,轨底坡为1/20时轮轨型面匹配较优;(3)当轨底坡为1/30时,XP55型面的等效锥度最大,使其拥有较好的轮对对中性能和曲线通过能力,轨底坡为1/30时轮轨型面匹配最优;(4)轨底坡对S1002G的等效锥度影响不大,轨底坡为1/20时的接触带宽较小,横移超过4 mm后1/20轨底坡下的轮轨法向接触应力较小,综合来看轨底坡为1/20时S1002G轮轨型面匹配较优;(5)本研究成果可为我国高速铁路轨底坡的设置提供参考。

表面选区强化对钢轨波磨处轮轨滚动接触行为的影响

层流等离子体表面强化技术可大幅提高钢轨表面的硬度和耐磨性。为了揭示强化处理对轮轨滚动接触行为的影响,建立同时考虑钢轨表面选区强化和短波波磨的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,数值计算了车轮高速滚过一个波磨周期的轮轨力、接触斑黏滑分布和残余应力应变。对比发现:表面选区强化对轮轨力和接触斑黏滑分布的影响较小,不影响钢轨承载性能;对钢轨表面残余应力应变分布的影响明显,残余应力主要集中在屈服强度较高的强化斑内而残余应变主要集中在韧性较好的基体材料上,表面选区强化有效结合了强化斑和基体材料的力学性能,形成了一种强韧的良好匹配。结果可为现场生产服务提供一定的理论指导和应用参考。

钢轨短波长波磨处的高速滚动接触分析

通过对某高速线路上出现的钢轨波磨的现场测量,采用显式有限元法建立三维高速瞬态滚动接触模型,分析轮轨在波磨处的高速(300 km/h)滚动行为。利用实体单元划分具有真实几何的轮对与钢轨,轮轨间的法、切向瞬态滚动接触问题由面面接触算法于时域内求解,同时考虑车辆和轨道系统的主要部件。车轮在光滑钢轨上的滚动结果显示,该模型可以建立起轮轨间稳态滚动接触,为研究表面不平顺处的滚动接触奠定了基础。分析某高速线路的钢轨波磨的波长和波深对轮轨瞬态滚动接触的影响,讨论不同牵引系数条件下波磨处的瞬态滚动接触行为。结果表明:波磨引起的轮轨法、切向接触力均在波长为80 mm(现场观测到的主波长)时达到最大,即数值重现了上述高速线路的波磨主波长;接触力随波深的增大单调递增,但增长率逐渐减少;牵引系数越大,钢轨发生不均匀磨损或塑性变形的可能性越大,即波磨产生的可能性越大。

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。

40t轴重重载铁路扣件刚度研究

研究目的：针对大轴重重载铁路扣件刚度的合理取值问题,基于车辆-轨道耦合动力学理论,以美国五级轨道谱作为激励输入,分析扣件刚度对低频振动响应的影响;利用三维轮轨瞬态滚动接触显式有限元模型,分析钢轨波磨、焊接接头和车轮擦伤等短波长几何不平顺激励下扣件刚度对轨道高频动态响应的影响规律。研究结论：（1）大轴重重载铁路扣件刚度主要取决于钢轨位移和轨枕承载能力,钢轨位移决定了扣件刚度的下限,轨枕承载能力决定了扣件刚度的上限;（2）扣件刚度对于低频动态响应（小于50 Hz）的影响可以忽略;随着扣件刚度的增加,短波不平顺所激起的最大轮轨力呈现出逐渐变小的趋势,最大枕上压力和道床应力却逐渐变大,轮轨力和道床应力在扣件刚度大于200 MN/m以后减小幅度变缓,趋于稳定,相对于轮轨力和道床应力,枕上压力对扣件刚度的变化更为敏感;（3）综合考虑轮轨力、钢轨位移和轨枕承载能力,对于设计轴重40 t、最高行车速度90 km/h的重载有砟轨道结构,若钢轨的最大容许垂向位移为3.30 mm,最大容许枕上压力为150 kN,则最优扣件动态刚度范围为200-250 MN/m;若最大容许枕上压力为180 kN,则最优扣件动态刚度范围为200-600 MN/m;（4）本研究结果可供大轴重重载铁路轨道结构设计参考。

地铁线路轨距对轮轨接触行为的影响

为揭示地铁线路轨距对轮轨接触特性的影响,基于轮轨接触几何关系、Kalker三维非Hertz弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,利用我国地铁车辆常用的LM型面与CHN60钢轨,计算轨距对轮轨接触几何参数和力学特性的影响。研究结果表明:轨距加宽引起相同横移量下轮轨接触点偏向钢轨中心位置;轮轨接触滚动圆半径和接触角减小,增大了滚动圆半径和接触角剧增的横移量,导致轮缘不易产生贴靠;与标准轨距相比,轨距变窄引起轮轨接触斑横向分布变窄,纵向分布变宽,接触斑面积减小;轨距加宽至1437 mm后接触斑开始出现黏着区,加宽至1439 mm时接触斑内黏着区面积显著增大,其接触斑面积增大77%,减小轮轨的滑动行为;轨距在1433~1439 mm之间变化,轮轨接触斑内正应力和切应力显著降低,轮轨体内最大等效应力显著减小,且等效应力沿纵向分布范围变宽,沿深度方向影响范围增大,可避免等效应力的集中作用。轨距加宽有利于地铁线路轮轨关系的匹配,减轻轮轨间的磨耗和疲劳伤损。

考虑曲面接触斑的轮轨滚动接触行为分析

当轮缘与轨距角发生接触时,不满足弹性半空间假设,此时采用CONTACT会产生较大误差。对CONTACT中法向间隙、刚性蠕滑率和影响因子进行修改使其可以考虑轮轨曲面接触斑。以S1002CN车轮踏面和CHN60钢轨型面为例,分别采用曲面算法和CONTACT计算轮轨接触斑面积和接触应力等,并对结果进行对比分析。结果表明:当踏面与轨顶接触或轮缘与轨距角呈凸面接触时,2种算法得到的接触斑面积和接触应力差异甚微;然而,当轮缘与轨距角发生共形接触时,以横移量7.77 mm为例,CONTACT得到的接触斑面积比曲面算法小9.5%,最大法向应力和切向应力均比曲面算法大34%。相较于平面算法,曲面算法可以更精确计算轮缘与轨距角发生共形接触时的接触应力,从而用于轮轨磨耗和滚动接触疲劳的研究。

钢轨焊接接头不平顺演变条件下的轮轨接触分析

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺,严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响,首先,基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型,分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动态响应;随后,建立局部钢轨有限元模型,通过引入钢轨材料的循环本构模型,研究循环荷载作用下钢轨接头处的应力-应变响应。研究表明:(1)随着钢轨焊接接头几何不平顺的演变,轮轨接触力和接触应力逐渐增大,其变化率也随之提高;(2)考虑列车牵引工况时,在轮轨切向力的作用下,钢轨焊接接头处的材料响应在其几何不平顺演变过程中均处于棘轮效应状态,尤其是几何不平顺演变中后期,循环积累的应变显著增加,累积应变变化率由之前的22.4%增长到53.2%,即加快了钢轨的劣化;(3)若不考虑列车牵引或制动操作时的作用力,材料响应则为塑性安定。

三种非赫兹滚动接触模型的对比研究

在轮轨损伤计算中,为了提高轮轨滚动接触解的求解效率与精度,常采用简化的非赫兹滚动接触模型。然而,此类模型的精度及适用性仍未得到充分的验证。以我国高速铁路常见的两种标准车轮型面(LMA和S1002CN)与标准CHN60钢轨的匹配状态为例,采用三种典型的非赫兹滚动接触简化模型(KP、STRIPES和ANALYN)进行模拟,以CONTACT的结果作为参照,对比简化模型在预测具体轮轨接触斑形状、接触应力和黏滑分布等详细接触计算结果的准确性。采用统计的方法,使用UM动力学软件进行仿真输出接触参数,评估不同接触模型在实际车辆运行工况下的计算精度。计算结果表明:上述三种简化模型的计算精度在处理LMA-CHN60接触工况时最优。而S1002CN廓形存在明显的局部曲率突变,简化模型的计算精度在处理该种工况时较差。在三种模型中计算详细接触解时ANALYN模型精度最高;只计算接触参数时KP模型与ANALYN模型的结果差异不大,但KP模型的计算不依赖于局部曲率且效率更高。

考虑尖轨变截面廓形的轮轨接触与磨耗分析

为研究尖轨变截面对曲尖轨轮轨接触行为和磨耗分布的影响,提出了一种适用于道岔区的三维非对称接触几何算法,该算法可计算车轮与曲尖轨间的真实法向间隙.使用SIMPACK建立车辆-道岔多体动力学模型,获得仿真结果;利用考虑变截面的接触模型与英国谢菲尔大学提出的USFD磨耗模型计算曲尖轨磨耗.研究结果表明:1)以S1002CN车轮与12号道岔曲尖轨为例,轮对摇头角与尖轨变截面均会引起轮轨法向间隙沿接触斑纵向非对称分布,从而导致接触斑形状与应力沿接触斑纵向非对称分布;当摇头角为10 mrad,横移量为7.5 mm时,本文算法得到的接触斑面积比未考虑尖轨变截面和摇头角的简化算法所得结果大9.2%.2)以CRH3型车与12号曲尖轨道岔为研究对象,简化算法得到的最大磨耗深度为本文算法所得结果的0.75倍.

地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度动力分析

研究目的:为研究地铁曲线尖轨道岔的不可逾越速度,本文以地铁9号曲线尖轨道岔为例,基于轮轨接触几何算法和车辆-道岔系统耦合动力学仿真计算,在综合考虑车辆侧向过岔时的安全性及平稳性的基础上确定曲线尖轨道岔的不可逾越速度,以期为列车折返能力的提高和城际轨道交通道岔的设计提供技术支持与储备。研究结论:(1)在尖轨顶宽40 mm时标准LM车轮型面与轨道接触点分布已经过渡到尖轨上,而磨耗状态LM车轮型面与钢轨的接触点分布可能在基本轨上或者尖轨上,轮载过渡位置延后;(2)车辆过岔时主要以车体横向加速度为控制指标确定不可逾越速度,因此在地铁车辆运行过程中可对车辆横向加速度进行实时监测,作为车辆运行安全性和平稳性的监测指标;(3)标准LM车轮型面时地铁9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为50 km/h,磨耗状态LM车轮型面时9号曲线尖轨道岔的不可逾越速度为45 km/h;(4)通过提高地铁车辆ATP顶篷速度来提高ATO速度,可缩短发车时间间隔,提高列车运行速度和对运量的储备;(5)通过对地铁曲线尖轨道岔不可逾越速度的分析,可对地铁车辆运行安全性和平稳性进行监测,并针对列车行车间隔加密后可能引起折返能力不足的问题,为道岔提速研发提供理论支持。