Study on Match Relationship between Rail and Wheel

The match relationship between rail and wheel was studied by investigating the behavior of the contact fatigue wear in rail/wheel systems.The hardnesses of samples were close or equal to that of the real rail and wheel.Meanwhile the probe of study went further into the condition match and the material match based on the hardness match.The experimental results show that the wear rate depends on the hardness ratio(H/H)between rail and wheel,and the safe value of H/Hequals 1.00-11.20.The fatigue life of materials relies on the operating conditions except hardness.The selected experimental conditions satisfy the condition match except Rheat-treated out-line.The factor H/Sis the main element effecting wears in rail steel and wheel steel.The nature of the hardness match is the microstructure match under specified operating conditions.

基于实测轮轨廓形匹配的服役动车组等效锥度修正方法研究

轮轨匹配等效锥度对于保障动车组的运行安全性和舒适性至关重要。在车轮旋修体制由计划性预防修向视情旋修优化过程中,要充分考虑等效锥度等关键影响因素的运用标准及对应的执行策略问题。针对部分车型正向设计提出的基于服役状态下实测轮轨廓形匹配等效锥度的要求,文中研究提出了一种服役状态下动车组等效锥度运用标准的修正方法。通过构建有效的服役轮廓数据库,并与标准轮轨廓形匹配的等效锥度进行对比计算,可得到不同轮廓所对应的修正值累积概率分布曲线,在此基础上结合现场需求,通过分步实施对现有检测手段得到的等效锥度结果予以修正,结合相关运用标准决策车轮旋修。此方法为车轮视情旋修运用标准的落地提供了可靠的方法和数据支撑。

运营期普速铁路曲线区段异常晃车影响因素研究

为分析某运营期普速铁路160 km/h速度等级曲线区段的异常晃车问题,对晃车区段的轮轨廓形进行测量,分析了晃车区段的实测车体加速度与轨道几何不平顺数据的时频特征,进一步建立了车辆-有砟轨道耦合动力学仿真模型,采用试验研究和仿真计算相结合的方式研究了轮轨匹配特性和欠过超高状态对曲线区段车辆横向稳定性的影响。结果表明:异常晃车曲线区段车体横向加速度较大,存在明显周期性振动,车体横向加速度振动空间频率为0.024 m^(-1),对应波长为42 m;晃车曲线区段内外股钢轨廓形对称性差,外股钢轨轨顶面和轨距角处磨耗更严重,与实测车轮廓形匹配时轮轨接触点在轨顶面上更为集中;与采用LM&CHN60廓形相比,采用实测轮轨廓形通过曲线时的轮对横移量更大,轮对和转向架周期性振动更明显,周期性振动空间频率为0.024 m^(-1),与异常晃车频率相同;运行速度为60 km/h时的轮轴横向力显著增加,运行速度为160 km/h时的脱轨系数和轮重减载率显著增加;在曲线半径为5000 m,超高为25 mm条件下,车辆以60 km/h和160 km/h的运行速度通过曲线时分别属于严重过超高和欠超高状态,车体横向加速度振动频率与转向架蛇行运动和车轮蛇行运动频率接近,显著影响了车辆通过曲线时的动力响应;运行速度为120 km/h时曲线区段车辆动力响应整体较小,由此可见适当的欠超高有助于提升车辆曲线通过能力;由于曲线参数的限制,建议优先采用降速通过的方式减小车辆通过该段曲线时的车辆动力响应,同时通过改善轮轨匹配关系进一步提升车辆曲线通过能力。

踏面匹配与初始裂纹形态交互作用下车轮多轴疲劳裂纹扩展特性

地铁车辆车轮裂纹常萌生于车轮踏面及亚表面,亚表面裂纹是影响车轮寿命的关键因素之一。借助有限元仿真方法,在轮轨接触三维模型亚表面处插入初始裂纹,研究了不同轮轨匹配形式、不同初始裂纹形态对亚表面疲劳裂纹扩展特性的影响。结果显示,车轮亚表面3 mm处接触应力数值最大,在锥形、LM型、LMA型三种踏面类型中,采用LM型踏面时车轮亚表面等效应力最大,最容易发生疲劳破坏;裂纹扩展均呈现出多轴疲劳裂纹扩展特性,锥形踏面工况下裂纹的扩展速率高于其余两种踏面类型下的裂纹扩展速率;不同初始裂纹角度中,45°初始裂纹角度是最危险的角度;初始裂纹深度对裂纹的扩展路径基本无影响。本研究结果对车轮亚表面埋藏裂纹缺陷评判及剩余寿命预测有一定的工程及理论指导意义。

基于数字图像相关法的轮轨力测量研究

针对应变计式轮轨力测量方法的不足,研究一种基于数字图像相关法的非接触式轮轨力测量方法。通过受力分析以及有限元计算,确定钢轨表面非接触测点区域位置。根据轨旁检测的特点设计测量系统的整体方案并分析了其测量原理,对相机进行了分析选型,以实现轮轨力作用下钢轨表面测点区域变形散斑图像的高质量采集。基于数字图像相关法对所采集的变形散斑图像进行分析,采用1阶形函数描述钢轨的变形,并使用零均值归一化差值平方和函数作为相似度的度量指标;为了提高系统的测量分辨精度,在整像素匹配算法的基础上,通过对位移初值进行迭代计算进一步得到亚像素级位移,并使用最小二乘法拟合位移场结果得到相应的应变场。在实验室设计并搭建了具有移动加载功能的轮轨力测量试验系统;通过静态标定试验准确建立了反映钢轨应变和轮轨垂向力大小数学关系的线性标定曲线,并分析讨论了相机工作距离和光照强度等因素对轮轨力测量的影响;在移动载荷作用下进行了轮轨力动态测量试验,与接触式应变计法测量结果进行比较,非接触式数字图像相关法在跨中位置的最大轮轨力测量误差不超过0.3%。动静态测量试验结果表明,数字图像相关法能够实现轮轨力的精确测量,是一种有效的非接触式轮轨力测量方法。

基于动力车晃车的等效锥度边界研究

动力集中动车组在运营过程中出现了动力车车体晃车现象,导致车辆降速,影响运营秩序。为分析动力车晃车原因,开展了动力车线路试验并研究晃车机理,利用实测数据验证仿真模型,仿真分析了晃车的等效锥度边界条件。线路试验显示轮轨匹配等效锥度过小激发了动力车的晃车现象,车体横向平稳性达到3.1。动力车的车体蛇行模态阻尼比偏小,当运行速度大于140 km/h时,等效锥度过小将激发车体蛇行导致车体晃车,晃车频率在0.8~1.2 Hz左右;将实测车轮踏面输入至动力学模型进行仿真,得到了晃车等效锥度边界为0.043,该限值可用于评估车轮旋修与钢轨打磨质量。

现代有轨电车轮轨导向尺寸匹配分析

现代有轨电车大多使用槽型钢轨,轮轨间隙与轮背间隙受轨距和轮对内侧距等因素的影响。参考德国BOStrab规范,以上海松江有轨电车为例,进行现代有轨电车轮轨导向尺寸匹配分析,并对轨距及轮对内侧距提出优化建议。

高速铁路轮轨匹配存在问题及对策

对我国高速铁路因轮轨匹配问题而导致轮轨接触位置不良、动车组构架横向加速度超限报警、动车组异常抖动、钢轨波磨、道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹等的具体成因进行研究,并主要从轮轨接触关系、等效锥度、轮轨匹配、钢轨打磨、道岔直尖轨处理等方面提出对应的解决方案。结果表明:车轮型面与60钢轨廓形不匹配导致了轮轨接触位置不良,采用60N钢轨可使轮轨的接触位置居中;按设计的钢轨廓形或60N钢轨廓形进行钢轨打磨,可以有效降低轮轨的等效锥度,从而抑制动车组异常抖动和构架横向加速度超限;采用GMC96—B型和GMC96—X型钢轨打磨车打磨产生的钢轨周期性磨痕波深较大时,容易发展成钢轨波磨,而采用大机打磨可有效治理钢轨波磨;道岔直尖轨非工作边因未倒棱且长期承受应力集中作用是造成其产生疲劳裂纹的根本原因,可采用倒圆和组合断面轨面修型处理,有效控制直尖轨非工作边的疲劳伤损。

60N钢轨的廓型设计及试验研究

针对我国铁路多种型面的车轮在线路上混跑的实际情况,为改善轮轨接触关系,以60 kg＆#183;m-1钢、轨（简称60钢轨）为原形,按照尽量少改动原形钢轨几何尺寸的原则,以直线线路钢轨上的轮轨接触光带居中、曲线线路上车轮轮缘贴靠钢轨时形成共形接触为预期目标,以减少轮轨接触应力、改善车辆动力学性能为目的,研究设计具有新轨头廓型的60N钢轨.仿真结果表明：60N钢轨与LM,S1002CN和LMA型面车轮接触时的接触点基本在轨头踏面中心区域;60N钢轨的最大接触应力和最大Mises等效应力与60钢轨相比,分别降低约19 ％和13％;当轮对横移量在8mm以内时,无论是与新车轮接触、还是与失稳磨耗车轮接触,60N钢轨的等效锥度基本在0.10～0.15范围内,从而有效改善了轮轨接触关系.铺设60N钢轨的试验结果表明：可以减少甚至避免钢轨在轨距角部位出现飞边、剥离掉块和疲劳核伤,产生的轮轨接触光带在25～30 mm范围内,与仿真计算结果吻合;无需进行钢轨预打磨廓型设计,大幅度减少了钢轨打磨工作量,同时也降低了打磨钢轨的难度.建议尽快在高速铁路上推广使用60N钢轨,并将其轨头廓型优化成果推广应用以形成统一的钢轨轨头廓型.

基于轮轨匹配的车辆横向稳定性分析

为使车辆横向稳定仿真分析更好地体现其特殊的自激振动意义,提出一种基于轮轨匹配的横向稳定性分析新方法。与轮对几何接触相比,自由轮对接触过程(接触几何/力学)可以得到更加精确的匹配计算结果。结合地铁车辆实例,运用临界速度线性分析方法给出车辆临界速度随等效锥度的变化曲线。若轮轨匹配合理,临界速度的线性结果与非线性仿真验证相吻合。临界速度的非线性影响主要取决于轮轨匹配,当轮对蛇行稳定极限环很小时其非线性影响不可忽视。除轮轨匹配外,利用临界速度线性分析方法给出轮对质量、一系悬架纵向和横向刚度、横向减振器阻尼3个参数对临界速度的敏感影响,并提出地铁车辆在既有线路提速的优化方案。

高速车辆横向稳定性的非线性影响因素研究

为了研究高速转向架非线性因素对横向稳定性的影响和评价4种车轮踏面的动力学性能,根据CRH5型动车组转向架的构造特点,建立了高速转向架非线性模型。与ALSTOM公司所采用的模型相比,高速转向架非线性模型充分考虑了一系定位机构所形成的轮对纵向非线性约束刚度,因而两者的临界速度分析结果基本一致,但轮轨力计算存在差距。相对而言,高速转向架非线性模型更好地体现了轮轴横向力与纵向蠕滑力间的相互制衡关系,有利于非线性稳态曲线通过性能分析。动态仿真数据分析表明:LMA型车轮踏面可以满足300 km/h^350 km/h高速轮轨技术要求,而XP55型踏面则可以满足250 km/h^300 km/h速度的要求;LM型踏面的主要问题是等效锥度比较大,从而造成轮轨横向力也比较大,S1002型踏面对轮轨存在比较严重的有害磨耗问题。

高速铁路轮轨硬度匹配试验研究

针对我国高速铁路出现车轮磨耗相对较大的问题,对国内外高速铁路轮轨硬度匹配关系的研究及应用现状进行分析,并在实验室进行3种硬度车轮与3种硬度钢轨的对磨试验,对比分析硬度不同的车轮与钢轨对磨时的轮轨磨损、变形和接触疲劳伤损等。结果表明:适当提高车轮的硬度即提高轮轨硬度比以减轻车轮磨耗较大的问题已成为国际上通行的做法;9组轮轨磨损试验中,轮轨硬度比为0.95∶1~1.15∶1时轮轨总磨耗量较小,轮轨硬度比大于1∶1时,轮轨变形和表面接触疲劳伤损较轻,轮轨硬度比为1.15∶1时轮轨总磨耗量最小,且接触疲劳伤损也最轻;随着车轮硬度的提高,不但车轮的磨耗减小,而且其抗变形能力也显著增加。建议动车组车轮与U71MnG钢轨的硬度比控制在1∶1以上,以解决我国高速铁路车轮磨耗较大的问题。

基于3种典型踏面的高速转向架稳定性研究

在分析高速轮轨匹配特征的基础上,以350 km.h-1速度等级的CRH3动车组作为研究对象,应用线性稳定性分析方法绘制高速轮轨空间的稳定安全裕度3维图。线性稳定性计算表明:等效锥度越大,转向架蛇行振动固有频率越高,因而必须不断增强抗蛇行减振器的串联刚度。非线性稳定性仿真计算表明:抗蛇行减振器需要利用其动态液压刚度的非线性形成宽频带吸能特性,以满足衰减蛇行振动、控制蛇行振幅和权衡准静态曲线通过性能等要求。仿真计算得出的动车转向架横向加速度值与实际测试的加速度值相吻合。根据曲线踏面磨耗情况确定了CRH3动车组选用3个典型车轮踏面(XP55,S1002CN和LMA)可以达到的最高商业运营速度。

高速铁路钢轨打磨偏差对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路存在的两种典型的钢轨打磨偏差,建立了我国某型动车组车辆多体动力学模型,仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。结果表明:当轨肩过度打磨时,轮轨接触点位置会偏向于踏面外端和轨头部分,导致等效锥度变小,容易诱发一次蛇行(即"晃车")现象,在一次蛇行对应的速度区间,车辆横向加速度增大,平稳性更差;而当轨头过度打磨时,轮轨接触点位置会集中在踏面喉根圆部分和轨肩部分,引起等效锥度异常增大,引发车辆二次蛇行失稳,容易触发动车组构架横向加速度"报警"。因此,为了提高动车组稳定性,改善运营品质,在钢轨打磨过程中,应该严格控制打磨精度,以标准廓形为目标廓形。

轮轨关系中的硬度匹配研究

为提高轮轨综合使用寿命,研究轮轨的合理硬度匹配。针对国内外普遍使用的轮轨材料,归纳分析轮轨硬度匹配的典型的实验室研究结果、轮轨硬度匹配的现状和存在的问题,并结合国内轮轨使用情况,阐述轮轨硬度、加工硬化对轮轨使用寿命的影响以及轮轨材料的最新发展,初步提出不同运输条件下轮轨硬度匹配的建议。重载铁路:在半径>1 200 m的曲线以及直线段上铺设轨面硬度>280 HB的轧态钢轨;在半径为1200 m以下的曲线段上铺设使用H370热处理钢轨;应积极研发使用轨面硬度>370 HB的钢轨、以及轮辋表面硬度>320 HB的重载铁路用车轮。客运专线铁路:铺设轨面硬度>260 HB的轧态钢轨,采用轮辋表面硬度>260 HB的ER8等级的或轮辋表面硬度>248HB的ER7等级的车轮。对引进的时速200 km及以上动车组在我国的使用情况进行跟踪研究,以进一步研究轮轨关系中硬度的合理匹配问题。

轮轨磨耗状态下悬挂参数失效对车辆动力学性能影响

为了研究悬挂参数失效对车辆系统动力学性能的影响,建立高速车辆系统动力学模型和悬挂参数失效模型,针对新轮轨、磨耗后轮轨进行轮轨接触几何关系和动力学仿真计算,分析当悬挂参数正常工作和失效时,车辆动力学性能的变化。结果表明:与新轮轨相比,轮轨磨耗状态下的等效锥度、滚动圆半径差和左右轮轨接触角度差变大;轮轨磨耗造成蛇行失稳临界速度下降,运行平稳性和曲线通过能力变差;悬挂系统失效方式不同,对车辆系统动力学的性能和车体的动态响应影响程度不同;车辆的悬挂参数优化应考虑轮轨磨耗的影响。

三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了U71Mn、PD3、PG4三种钢轨与AAR-B车轮材料匹配时的滚动磨损与损伤性能.结果表明:不同钢轨材料的微观组织结构明显不同,钢轨硬度对轮轨滚动摩擦系数基本无影响;随钢轨硬度增加,钢轨磨损率减小,车轮磨损率增大,轮轨系统总磨损率先减小后增大.随试验时间增加,不同钢轨试样的硬化率趋于一致,车轮试样硬化率随钢轨试样硬度的增加而变大,轨轮硬度比随试验时间增加趋于相同.钢轨材料对轮轨试样表面损伤形貌有一定影响,随钢轨硬度增加轮轨表面犁沟现象明显,钢轨试样表面剥落损伤减轻且塑性变形层变薄,出现了明显的疲劳裂纹损伤,钢轨硬度增加导致车轮试样表面剥落加重且塑性变形层变厚;轮轨试样表层出现明显的白层现象,且车轮试样的白层更厚.

轮轨材料硬度匹配性能试验研究

利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71Mn热轧钢轨的硬度匹配性能,分析了不同硬度车轮与U71Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为.结果表明:车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响;随车轮硬度增加,车轮磨损量呈下降趋势,钢轨磨损量表现为线性增加,轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势,轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小.车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响,车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主,随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤,对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制.

钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究

为解决动车组车辆在运行中出现的晃车及加速度异常情况,对磨耗后钢轨型面进行打磨,并通过仿真分析以及跟踪测量对打磨效果进行评估。分析结果表明,打磨后轮轨接触点对分布较打磨前更窄,分布于滚动圆附近,轮对发生横移时滚动圆半径变化较小,但由于其较小的接触面积导致接触应力较大,易产生较大的垂磨;打磨后钢轨匹配时由于等效锥度较小,对车辆运行稳定性及车体振动起到改善作用;打磨后钢轨的磨耗位置居中,磨耗面积小但垂直磨耗大,在运行一段时间后,轮轨接触光带会缓慢增大。因此,钢轨打磨缓解了车辆运行过程中构架横向加速度异常的情况,虽其滚动圆处垂磨较大,但其总磨耗量较打磨前小,且降低了对钢轨的损伤,有利于延长钢轨的寿命。

最佳轮轨匹配评价5原则

为了更好地研究轨道车辆动力学性能,在四种典型踏面(S1002、S1002G、XP55和LMA)轮轨匹配特性对比分析基础上,提出了最佳轮轨匹配评价5原则.与锥形踏面相比,曲线型面踏面赋予了轮轨匹配新的内涵,如等效锥度是反映轮轨横向力对运行质量影响的等效平均参数.在充分考虑了轮背距、轨底坡和轮径等轮轨参数影响的条件下,四种踏面的轮轨匹配表明,LMA和XP55可以满足高速车辆的稳定性和轮轨低动力作用的要求,但是,在踏面磨耗方面尚存在不足:LMA的轮缘根部以单一曲率圆弧作为过渡段且存在接触综合曲率"突变",有可能形成集中磨耗;而XP55在小半径R≤500 m曲线通过时牵引系数较高,有可能造成车轮打滑和轮缘接触.由于在轨道窗口内具有锥形踏面匹配特征,因而S1002被看作磨耗敏感型踏面.S1002G的改进设计意图是在轮背距1 353 mm和轨底坡1∶20的轮轨条件下进一步提高原S1002踏面的轮轨对中性能和导向性能,但需要利用抗蛇形减振器进一步提高其横向稳定性.根据国外轻轨车辆的运营经验,基于轮轨磨耗研究的"通用"轮轨型面方法是非常值得借鉴和研究的.