轨底坡耦合轮径差对地铁车辆动力学性能及轮轨接触特性的影响

为了研究轨底坡耦合轮径差对于地铁车辆动力学性能及轮轨接触特性的影响规律,设置了3种轨底坡工况(1/20、1/30和1/40)和5种轮径差工况,通过建立地铁车辆动力学仿真模型和轮轨接触三维弹性有限元模型,分析轨底坡耦合轮径差对地铁车辆直线平稳性和曲线通过性能的影响。结果表明:直线路段车辆平稳性指标受到轮径差变化的影响大于轨底坡变化的影响,轮轨等效应力和接触应力会随着轮径差的增加而增大;曲线路段的各个动力学指标会随着轮径差的增加而增大;综合考虑动力学指标和轮轨接触特性,直线路段下尽量减少使用1/20轨底坡;曲线路段下,可以选择1/30轨底坡,减少轮径差对车辆的影响。

不同曲线半径下轨底坡与轮径差最佳匹配研究

为了研究不同曲线半径下地铁车辆动力学性能最优的轨底坡与轮径差最佳匹配,运用SIMPACK软件建立了地铁车辆动力学仿真模型,设置9种轨底坡工况和5种轮径差工况,以轮轨横向力、轮对横移量、脱轨系数、轮重减载率和轮轨磨耗指数作为车辆动力学性能的评价指标,以4种不同C型曲线半径作为研究对象,分析45种轨底坡和轮径差耦合工况下各指标的变化规律。采用熵权法对各指标进行加权求和处理,得到不同工况下的车辆动力学性能综合得分,最终分析得出车辆在不同半径曲线下轨底坡和轮径差的最佳匹配。研究结果表明:在300,400,500,600 m这4种曲线半径下,外轨轨底坡、内轨轨底坡和轮径差最优匹配方案分别为(1/20,1/40,+1),(1/20,1/40,+1),(1/30,1/30,-1),(1/40,1/30,-1)。

钢轨轨底裂纹扩展影响因素分析

【目的】为分析钢轨材质、残余应力、温度应力在钢轨使用中的内外因对轨底裂纹扩展的影响开展研究。【方法】基于断裂力学理论结合轨底伤损实测,建立钢轨轨底裂纹扩展模型,对轨底伤损扩展失效时的临界裂纹尺寸、裂纹平均扩展速率、剩余寿命等指标进行量化分析。【结果】结果表明:钢轨材料断裂韧性与轨底初始伤损扩展的剩余寿命存在正相关关系,U95Cr H材质钢轨的轨底裂纹扩展剩余寿命小于U78CrV H材质小于U75V H材质;以某线路实际使用的钢轨材质U78CrV H为例,轨底残余应力由0增加至300 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸增长约2.5%,剩余寿命下降约6%;残余应力为200 MPa时,温度应力由0增加至200 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸变化不大,在1%内。【结论】研究结果可为轨底裂纹扩展研究和养护维修提供参考。

钢轨轨底上表面缝隙腐蚀研究现状

在潮湿的环境中,铁路系统中的轨底上表面和绝缘轨距块之间容易发生缝隙腐蚀,这种现象导致轨底逐渐变薄,造成严重的安全隐患。目前缝隙腐蚀研究主要涉及螺栓螺母、边缘板等异形结构,而对轨底上表面与绝缘轨距块之间的缝隙腐蚀的研究报道较少。对轨底上表面的缝隙腐蚀现象进行深入分析,探讨了现阶段轨底上表面缝隙腐蚀的产生和机械辅助缝隙腐蚀机制、相关的检测技术和方法以及防护措施的研究现状。

基于相控阵超声的线路带夹板焊缝轨底检测研究

为解决带夹板焊缝线路探伤检测效率较低的问题,提出了一种基于相控阵超声的线路带夹板焊缝轨底检测方法,通过将相控阵探头放置于轨底下表面来避免夹板的拆装,同时利用相控阵探头多角度扫查来减少轨底焊缝扫查工序,从而提高检测效率。首先利用仿真研究该方法对轨底缺陷的检测覆盖性,然后针对轨底焊缝检测特点设计相控阵探头,将探头放置于轨底下表面来完成轨底焊缝检测,随后基于设计的钢轨缺陷试块进行试验测试。结果表明:该探头可实现对轨底焊缝位置7个缺陷的全覆盖检测,且检测信噪比均大于17dB。

轨底坡对轮轨接触行为及动力响应的影响的分析

轨底坡的大小直接影响轮轨接触点的位置和轮轨力的作用方向及大小,适当地调整内外轨的轨底坡可改善轮轨之间的接触状况,使轮轨接触点发生变化而有利于轮对通过曲线。基于Simpack仿真软件,建立车辆系统动力学模型,设计不同曲线通过条件,分析了内外轨轨底坡相同和不同的情况下对轮轨接触行为及动力响应的影响。

道岔尖轨轨底缺陷的磁致伸缩导波监测实验研究

道岔尖轨在线监测是轨道智慧运维的工程技术难题之一。该文利用开发的磁致伸缩超声导波监测系统,对道岔尖轨开展了轨底缺陷监测实验。首先,分析了温度对导波监测信号特征的影响,波包能量值、传播时间均与温度呈近似正相关;其次,对比研究了基于标定方程和参考基准的两种温度补偿方法,其中参考基准法对信号的补偿效果更佳;最后,利用温度补偿后的特征波包能量值实现了缺陷尺寸逐步扩大过程的有效监测,且波包能量值随缺陷深度的变化规律可以用抛物线方程进行近似描述。上述研究结果表明磁致伸缩超声导波技术可以应用于道岔尖轨轨底缺陷的监测及定量评估。

地铁轨底坡超差对钢轨磨耗的影响及调整设计

针对地铁短枕式整体道床曲线段出现的钢轨伤损、轨底坡超差、钢轨异常波磨、车内噪声超标等问题,从调整轨道几何形位、恢复轮轨正常接触状态角度出发,开展轨底坡调整设计研究,制定线路线型优化精调改造方案。首先,开展曲线段短枕式整体道床轨底坡超差测试,结果表明超差率超过95%。其次,通过建立车辆-轨道动力学模型,分析轨底坡对轮轨接触关系及对钢轨磨耗的影响,根据线路轨底坡超差分布情况,开展轨底坡调整和高密度聚乙烯轨下调坡垫板设计研究。最后,通过“调参数、保稳定”方法增大曲线范围扣件横向刚度,并调正轨底坡,轮轨接触及轨道横向刚度显著改善。轨底坡调整前后,钢轨、道床、隧道壁振动加速度均有所下降,光带趋中改善,钢轨横向位移峰值特征值降低20.51%,隧道壁振级降低4.8 dB,车内噪声在630 Hz主频段降低9.52 dB(A),等效声压级降低6.74 dB(A)。

高速道岔钢轨轨底材质疲劳性能试验研究

针对高速铁路道岔钢轨轨底萌生疲劳裂纹而导致轨件断裂的问题,以高速道岔R350HT钢轨为对象,从轨底中部硬度最低的位置取样,分别开展轨底材质拉伸试验、疲劳极限试验、疲劳裂纹扩展试验以及断裂韧性试验,为阐明高速道岔轨底疲劳伤损机理及轨件服役寿命预测提供依据。结果表明:采用升降法得到道岔R350HT钢轨轨底材质的疲劳极限为447.1 MPa,所有试样均失效于表面裂纹萌生;轨底材质裂纹扩展速率为da/d N=1.89×10^(-10)ΔK^(4.18);室温(25℃)和低温(-10℃)环境下测试得到的断裂韧性接近,轨底材质在-10℃没有呈现低温脆性特征。

基于模态曲率理论的轨底隐蔽性伤损识别装置及方法研究

针对钢轨轨底隐蔽性伤损(发展初期难以检出)威胁行车安全的问题,基于模态曲率理论提出了轨底隐蔽性伤损识别方法。基于此方法设计出一种轨底隐蔽性伤损识别装置,解决了传统模态测试方法的锤击精度和锤击点密度无法满足伤损识别要求的问题,经对比试验分析:该装置将识别误差降低了2个数量级;采用该装置对预制10 mm轨底裂纹的钢轨进行伤损识别试验,获取模态曲率参数,实现隐蔽性伤损的有效识别;探究多种基于模态曲率理论的伤损识别方法对轨底隐蔽性伤损的识别效果,以振型曲线的峰值与本底噪声绝对值的最大值的比定义“信噪比”。结果表明:模态曲率差法“信噪比”最高,为14.32 dB,且通过振型曲线能够明确判定出伤损位置,相较于其他方法,模态曲率差法具有更适合表征钢轨轨底隐蔽性伤损的特性。

固定闪光焊接头轨底焊缝轻伤发展规律研究

针对固定闪光焊接头轨底焊缝轻伤问题,通过实物疲劳、试样疲劳、现场跟踪探伤等试验方法对轨底轻伤发展规律进行了研究。结果表明:轨底存在轻伤的固定闪光焊接头,可以通过实物疲劳试验的要求;轨底轻伤严重程度与微裂纹引发疲劳裂纹萌生没有明确的对应关系,但是控制伤损严重程度可以降低微裂纹扩展成为疲劳裂纹的概率;U71Mn材质轻伤接头的焊缝区疲劳寿命与软化区相当,U78CrV材质轻伤接头的焊缝区疲劳寿命略低于软化区,表明闪光焊接头存在轻伤的情况并未导致整个接头疲劳性能出现明显的下降;高速、客货混运、重载铁路上的轨底轻伤接头均未发现有轨底微裂纹疲劳扩展的情况;此外,近年来对我国铁路全路固定闪光焊接头断轨的统计分析也表明,没有轨底微裂纹引发断轨的情况。

道岔钢轨轨底缺陷的导波检测技术研究

为检测道岔钢轨轨底缺陷而开发的导波检测系统由工控机、信号发生模块、功率放大模块、线状道岔钢轨导波传感器、信号放大模块和数据采集模块组成。其中,作为关键部件的线状道岔钢轨导波传感器是按磁致伸缩原理设计的,它由线圈、磁致伸缩材料和耦合剂构成,并布置在道岔钢轨的轨腰和轨底处。与点状道岔钢轨导波传感器相比,线状道岔钢轨导波传感器克服了道岔尖轨变截面结构对导波传播的影响,实现了截面质点整体波动;采用ABAQUS/Explicit有限元方法确定道岔钢轨轨底检测的导波频率为64kHz。采用研制的道岔钢轨轨底缺陷导波检测系统对实际道岔钢轨轨底缺陷检测的结果表明:该检测系统能够检测道岔基本轨轨底占截面面积1%及以上、道岔尖轨轨底占截面面积5%及以上的缺陷或裂纹,并且不受列车通行的影响,具有在线检测的能力。

轨底坡对轮轨滚动接触行为的影响

为了探讨轨底坡与轮轨滚动接触行为的内在联系,针对高速客运专线轮轨接触状况,即轮对踏面为LMA和钢轨为国产CN60,利用改进的三维接触几何程序、Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论及其CONTACT数值程序,分析比较轨底坡对轮轨接触几何参数、接触斑形状、接触斑滑动量、摩擦功、接触应力等的影响。通过分析计算可得,轨底坡对轮轨滚动接触行为有很大影响。尤其当轮对相对轨道横移在6mm～9mm范围内变化时,随着轨底坡从1/20到1/40的逐渐减小,轮对左右轮滚动半径差和等效锥度增大,这说明在1/40轨底坡下,轮对恢复对中的能力更好,更有利于曲线通过。1/40轨底坡对应的最大正压力、等效应力等较小,其对应的摩擦功较大。1/20轨底坡的情况刚好相反。综合考虑各种因素,对于LMA-CN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20轨底坡的接触状态更好。数值结果为轨底坡的设计提供重要的参考依据。

钢轨轨底坡对LM和LM_A两种轮对接触行为的影响

为揭示轨底坡与两种踏面的轮轨滚动接触行为之间内在联系,利用改进数值算法分析不同轨底坡下,LM踏面和LM_A踏面车轮沿中国钢轨60 kg/m(CHN60)上滚动接触时的接触几何参数、轮轨接触点处的刚性蠕滑率的变化情况,再根据Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论,详细地分析两种轮对滚动接触斑上的正压力和切向力分布。利用弹性力学中Bossinesq=Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况。分析计算中,考虑两种车轮半径420 mm和460 mm。计算结果表明,1/20轨底坡下LM踏面车轮对应的接触应力等参量远小于1/40轨底坡下的情况,LM_A踏面轮对的情况刚好相反。由此可知,对于LM-CHN60轮轨接触副,1/20轨底坡较1/40的好;对于LM_A-CHN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20的好。车轮半径对LM-CHN60和LM_A-CHN60的滚动接触行为的影响不大。数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据。

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。

不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的静态接触分析

为研究我国地铁车辆常用的LM、S1002和DIN5573型面与60kg/m（CHN60）钢轨在不同轨底坡下的轮轨匹配关系,利用轮轨接触几何关系和轮轨非赫兹滚动接触理论,分析轨底坡对轮轨接触几何参数和轮轨接触力学特性的影响,从静力学分析的角度提出地铁车轮型面的最优轨底坡匹配.计算结果表明：1/20轨底坡下LM型面最大接触压力、等效应力和剪切应力等参数远小于现行的1/40轨底坡,直线段最优轨底坡为1/20,曲线段采用1/40轨底坡利于车辆的曲线通过,降低轮轨磨耗;S1002型面最大接触压力、等效应力和剪切应力等参数随轨底坡的减小而减小,轨底坡为1/40时轮轨型面匹配较优;DIN5573型面在轨底坡小于1/25时轨底坡对轮轨接触特性的影响较小,轨底坡在1/40-1/30范围内轮轨型面匹配较优.

轨底坡对曲线线路钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响

考虑轮轨蠕滑接触关系,以及普通货车两轴转向架的导向轮对和非导向轮对分别作用在曲线两股钢轨轨头上的应力、应变,建立基于临界平面法的钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测模型,研究不同轨底坡对曲线线路钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明：在各种轨底坡下外轨疲劳裂纹均主要由导向轮引起,而内轨疲劳裂纹在轨底坡为1∶40-1∶25时主要由导向轮引起,在轨底坡为1∶20-1∶10时主要由非导向轮引起;线路曲线半径越小,导向轮作用下的内外轨疲劳裂纹萌生越早,反之则非导向轮作用下的内轨疲劳裂纹萌生越早;磨耗型新轮与75kg·m^-1新轨接触时,在曲线半径≤1000m条件下采用1∶20的轨底坡,在曲线半径〉1000m条件下采用1∶40的轨底坡,可以延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命;选取不同的轨底坡,可以改变轮轨接触斑的位置、面积和黏着—滑动区的分布及蠕滑力,进而影响到钢轨疲劳裂纹萌生寿命,但改变轮轨接触斑位置的范围有限,不同轨底坡时接触斑移动距离在外轨上小于10.2mm,在内轨上小于3.0mm。

不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的动力学分析

为了研究我国地铁车辆车轮踏面常用的LM、S1002和DIN5573型面与60 kg/m（CHN60）钢轨在不同轨底坡下的动力学性能,建立了某B型地铁车辆动力学模型,详细分析了该车辆采用3种不同车轮型面时轨底坡对车辆运动稳定性、曲线通过性能以及车轮磨耗和滚动接触疲劳的影响,从动力学分析的角度提出地铁车轮型面的最优轨底坡匹配.计算结果表明,轨底坡对LM型面的运动稳定性影响较小,采用现行的1/40轨底坡时车辆具有相对较优的曲线通过性能,有利于减缓车轮的磨耗和滚动接触疲劳.轨底坡对S1002型面的临界速度影响较大,轨底坡由1/30增大至1/25时临界速度出现明显突变,由228 km/h降至171 km/h,轨底坡小于1/30后车辆的综合动力学性能相对较优.DIN5573型面在轨底坡小于1/30时具有相对较优的动力学性能,轨底坡在1/40~1/30范围内轮轨型面匹配较优.

城市轨道交通工程钢轨轨底坡取值的探讨

钢轨的轨底坡是城市轨道交通工程轨道系统的重要参数之一,通过对国内外众多铁路及城轨交通系统钢轨轨底坡取值情况的调研以及不同轨顶动态磨耗“光带”的分析,并结合国铁有关部门的研究和试验,提出对我国城轨交通工程轨底坡取值的建议。

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。