重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响

介绍了国内外重载铁路发展现状和运用情况.详细论述了重载铁路在运营过程中轮轨典型的磨耗情况,主要有车轮轮缘磨耗、车轮踏面凹坑磨耗、车轮椭圆磨耗、车轮偏心磨耗、钢轨轨角侧磨、钢轨波浪形磨损以及轮轨擦伤.关于重载铁路轮轨磨损的研究主要分两个方面:轮轨的力学行为和基于轮轨行为对轮轨磨耗的机理、发展规律、主要影响因素和降磨措施.讨论了轮轨磨耗对轮轨接触载荷、车辆和轨道动力学行为、运行安全和稳定性的影响.提出了轮轨磨耗状态下重载列车脱轨安全问题的研究方法与技术路线,以期通过数值仿真计算,研究轮轨磨耗状态下重载列车脱轨机理和关键影响因素及其规律.

铁路曲线上轮轨磨耗影响参数的仿真研究

运用SIMPACK虚拟样机技术,从线路设计及养护维修的角度出发,对铁路曲线上车辆速度、轨底坡、曲线超高及钢轨涂油对轮轨磨耗的影响进行仿真计算和分析。分析结果表明:为降低轮轨磨耗及保证行车安全,车辆速度以比线路条件决定的最高行车速度略低为宜;曲线超高过低或过高均会增大轮轨磨耗,由于小半径曲线上设置的超高一般偏大,故而适当降低小半径曲线的超高对于降低轮轨磨耗是有利的;轨底坡的适当增大可使得轮轨磨耗有一定降低,但效果不明显,且轨底坡过大会加剧轮轨磨耗;对钢轨进行适当的涂油可有效降低轮轨磨耗,但应进行严格控制,涂油太多对于降低轮轨磨耗反而不利。

高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响研究

为研究高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响,选取修正的Elkins磨耗指数方法计算轮轨间的磨耗指数,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真的方法,将轮对、转向架构架和车体逐步进行弹性化处理,建立全弹性的车辆系统动力学模型,基于此模型进行数值计算,从时域、有效值、最大值3个方面,结合速度因素,分析摩擦系数、轮对内侧距和轨底坡对轮轨磨耗的影响。结果表明,在相同速度下,摩擦系数越小,轮轨磨耗越严重,随着摩擦系数的增大,轮轨磨耗趋于平稳;随着轮对内侧距的增大,磨耗指数整体呈增大趋势,但轮对内侧距对轮轨磨耗的影响较小;当轨底坡的值取为1/40～1/20时,轮轨磨耗较小;在相同轮轨接触几何参数下,列车运行速度的提高加剧了轮轨间的磨耗。

弹性阻尼耦合轮对曲线通过性能及轮轨磨耗分析

耦合轮对是一种有别于传统轮对和独立旋转车轮的新型轮轨导向系统,其动力学性能也与二者存在差异。本文建立弹性阻尼耦合轮对(EDCW)车辆的动力学模型,对其曲线通过性能及轮轨磨耗进行分析,并给出耦合度的最佳取值范围。结果表明:导向轮对轮轨作用力与磨耗随耦合度的增加而减小,跟随轮对轮轨作用力随耦合度的增加而增大。当选用恰当的耦合度时,弹性阻尼耦合轮对(EDCW)的应用能够有效减小轮轨作用力和磨耗的最大值,从而改善转向架的曲线通过性能。

基于三维动态有限元模型的轮轨磨耗数值分析

提出基于三维动态有限元模型的轮轨形面磨耗的数值预测方法,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,对轮轨滚动接触过程中的磨耗问题进行数值仿真研究。分析中,轮、轨材料采用双线性的弹塑性本构模型,联合使用有限元隐式(静态)和显式(瞬态)求解方法模拟轮轨瞬态滚动接触过程;采用基于微面积的Archards磨耗模型的积分形式,对轮轨材料的滚动磨损进行计算;用基于三次样条插值函数的曲线光滑技术,对磨耗过程的磨损量分布进行光滑化处理,再根据光滑化后的磨损分布来更新轮轨形面;用Laplace网格光滑技术对车轮踏面和轨轮轨头内部的有限元网格进行光滑化处理。以以往轮轨试验为实例对数值分析模型和方法进行了验证,试验结果与数值分析结果具有良好的一致性。

新材质车轮钢对重载货车轮轨磨耗的影响

车轮材质是影响重载货车轮轨磨耗的因素之一。本文在SIMPACK动力学软件中建立新一代27t轴重C80E通用敞车的动力学模型,并应用CONTACT轮轨接触模型、Archard磨耗模型,对我国新研制CL70重载货车车轮钢对轮轨磨耗的影响进行研究。结果表明:CL70钢车轮与现有CL60钢车轮轮轨磨耗的分布基本一致。直线运行时,新材质车轮车轮磨耗深度和磨耗面积可分别降低27.87%和28.74%,钢轨的上述指标仅分别增大3.44%和2.11%。通过半径为600m曲线时,采用CL70钢外侧车轮磨耗深度和面积可减少约61.86%和55.19%,外轨磨耗深度和面积仅增加约5.63%和2.48%。在大秦线运用时,车轮磨耗深度和磨耗面积的计算结果降低29.33%和31.87%,与大秦线新材质车轮试验结果数值较吻合。新材质钢车轮轮轨磨耗综合经济效益显著。

基于轮轨磨耗对30t轴重货车车轮踏面优化研究

通过对30t轴重铁路货车的仿真,对比分析车轮采用LM磨耗型踏面与75kg/m、60kg/m两种钢轨匹配后各磨耗评定指标,得出LM型踏面与75kg/m重型钢轨匹配时存在一定不适应的结论。为了满足我国大轴重铁路货车技术的发展需求,从减少轮轨磨耗考虑,设计出两种与75kg/m重型钢轨匹配性能更优的车轮踏面。基于FASTSIM算法和Archard磨耗模型,对30t轴重货车车轮磨耗进行仿真计算,并对比分析优化前后车轮踏面磨耗状态及相关指标。研究结果表明:两种优化型踏面与75kg/m钢轨匹配下的车轮磨耗程度均比LM型踏面车轮磨耗要小,而且随着运行里程的增加,这种趋势更加明显。

轮轨摩擦控制对重载货车轮轨磨耗的影响

基于轮轨摩擦控制原理,以C80B型运煤专用敞车为对象,采用SIMPACK动力学软件建立车辆动力学模型,并将车辆动力学模型及LM型车轮与60型钢轨的轮轨接触模型和磨耗模型耦合,采用多点轮轨接触算法,分别计算和分析曲线和直线线路工况下干燥轨面状态、轨侧控制模式、轨顶控制模式和轨侧+轨顶控制模式等对重载铁路轮轨磨耗的影响。结果表明:在半径为300m的曲线线路上,采用轨侧控制模式时可使外轨侧车轮轮缘的磨耗降低约40.07%、外轨轨角的磨耗降低约42.31%,而降低内轨侧车轮踏面磨耗和内轨轨顶磨耗的效果不明显;采用轨侧+轨顶控制模式时不但能够进一步降低外轨侧车轮轮缘磨耗和外轨侧面磨耗,还可以使内轨侧车轮踏面磨耗和内轨顶面磨耗降低约40%以上,并且轮轨接触斑内瞬时最大接触应力、轮轨横向力和脱轨系数均有所减小;在直线线路上采用轨顶控制模式,可使车轮磨耗降低约66.33%,钢轨磨耗降低约63.64%。

轮轨磨耗对岔区轮轨接触行为的影响

研究目的：针对车轮与道岔钢轨磨耗严重的问题,以沪昆线湄池站为试验背景,现场测量其磨耗后LM型车轮踏面与12号道岔钢轨型面,并基于迹线法原理和有限元理论求解车轮与道岔钢轨的接触问题,计算分析轮轨型面磨耗对轮轨接触几何关系、接触应力、接触斑尺寸及内部应力的影响规律,为道岔钢轨廓形优化设计及岔区钢轨打磨提供理论基础。研究结论：（1）轮轨型面磨耗改变了轮轨接触点对分布状态,缩短了岔区轮载过渡范围,增大了轮轨接触竖向不平顺幅值及其波动程度,导致岔区轮轨相互作用增强,加剧了道岔钢轨的磨耗伤损;（2）轮轨磨耗能够增加轮轨型面共形度,降低轮轨接触应力和Von Mises应力的幅值;（3）道岔钢轨Von Mises应力最大值一般发生在距钢轨表面2.7~4.5 mm范围内,易导致此处接触疲劳裂纹的萌生;（4）本研究成果可供道岔钢轨廓形优化设计时参考。

地铁线路超高对轮轨磨耗的影响

为了减轻地铁车辆在圆曲线区段运行所造成的轮轨磨耗,提高车辆运行的安全性与舒适性,基于车辆动力学理论,通过动力学软件SIMPACK建立轮轨关系模型,针对列车通过圆曲线时过超高、正常超高和欠超高三种工况进行研究.分析了三种工况下,轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、磨耗功率、磨耗指数、轮重减载率和倾覆系数7个动力学参数在列车运行中的变化规律,并深入分析磨耗指数和磨耗功率与车辆实际通过时产生超高的变化规律,得出超高变化与磨耗指数成负相关,与磨耗功率成正相关,且列车通过圆曲线时应尽量降低速度,在条件不允许时,应采用尽量小的欠超高.

高速列车二系横向阻尼改变对轮轨磨耗影响研究

当列车偏离设定运行速度时,车体横向振动变差,被动悬挂系统阻尼值预先设定,难于满足要求。采用迭代寻优控制算法,车体横向平稳性提高,乘客舒适性得到较好改善;但导致轮轨磨耗加剧,严重影响行车安全性,同时增加旋修带来的经济损失。进一步分析二系横向阻尼改变对车体平稳性和轮轨磨耗的影响,同时考虑车体横向振动和轮轨磨耗,100km/h速度时,建议二系横向阻尼的调节范围为(15~30)k N.s/m;300km/h速度时,建议其范围为(30~45)k N.s/m。为列车参数优化、安全运行提供理论指导。

不同配准策略下的轮轨磨耗量研究

测量轮轨型面时,测量坐标系与设计坐标系往往不同,需要将测量数据还原到设计坐标系下对齐,但使用不同的对齐方法,计算结果差异较大。提出6种轮轨型面对齐策略,通过比较给出每种对齐方法的适用范围和优缺点。其中ICP法对齐摒弃传统的点对齐法,以轮轨一段未磨耗区为基准,剔除采样点的随机噪声,明显减少了磨耗量计算误差。并采用边缘对齐法分析LMBG车轮踏面3个镟轮周期的磨耗情况,得出踏面磨耗速率随运营里程的变化关系,研究等效锥度随镟后里程的变化规律。研究发现:当运营里程为30万km时,等效锥度已达到0.35,这就要求车辆在较大的等效锥度范围内动力学性能良好。研究成果可为标准动车组车轮检修提供借鉴。

钢轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响研究

减小轮轨磨耗是提高轮轨使用寿命、降低运营成本的有效方法,而轮轨摩擦系数是影响轮轨磨耗的重要因素。在SIMPACK软件中建立C80多体动力学车辆模型,利用计算机仿真研究方法对轮轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响进行研究。结果表明,在直线区段不建议采用轮轨润滑作业,而在曲线区段建议采用轨顶、轨侧综合摩擦系数控制方法进行涂敷作业,且轨顶、轨侧适当摩擦系数配比的异步润滑模式具有较好的轮轨减磨效果。

轮轨磨耗机理与轮轨润滑

从轮轨接触应力和轮轨间的蠕滑率研究了轮轨磨耗的机理,并对轮轨润滑除减少磨耗外还可以降低轮轨内部剪切应力,这有利于减轻轮轨表面的接触疲劳损伤以及降低车轮脱轨系数,这有利于提高车辆运行安全性。

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。

弹性车轮作用下低地板有轨电车轮轨磨耗研究

为研究使用弹性车轮的车辆踏面以及运行弹性车轮的钢轨磨耗情况,基于Archard磨耗模型建立了轮轨磨耗预测模型,对不同轨道不平顺条件、不同曲线半径条件下的车轮踏面以及钢轨磨耗情况进行了分析。对比分析弹性车轮和刚性车轮,结果表明:在线路较差的情况下,弹性车轮具有更好的降磨效果;弹性车轮在曲线半径较小的线路上对磨耗的降低效果较小,随着曲线半径的增大,弹性车轮的降磨效果明显;运行弹性车轮时比运行刚性车轮时钢轨的最大累积磨耗量减小了33%;弹性车轮对曲线钢轨磨耗有一定的降低作用。

曲线几何参数对车辆轮轨磨耗的影响

运用SIMPACK动力学软件,从曲线段线路设计出发,对曲线轨道上曲线半径、曲线超高及轨底坡对轮轨磨耗的影响进行仿真计算和分析。结果表明:为降低轮轨磨耗及保证行车安全,应尽量减少小半径曲线;在规定范围内调整曲线超高可有效降低轮轨磨耗,但调整的过高或过低反而会增大磨耗;适当调整轨底坡可起到降低轮轨磨耗的作用,但效果不是太明显,且过大的轨底坡会加剧轮轨的磨耗。

轮轨润滑降低重载货车轮轨磨耗作用的研究

轮轨润滑是重载铁路减轻轮轨磨耗及损伤的有效措施之一。基于多体动力学理论,建立了配装不同类型转向架的C80B型重载车辆动力学分析模型,利用多点接触轮轨模型和轮轨接触摩擦功进行磨耗评价。计算得出了不同曲线工况下,轮轨润滑对交叉支撑转向架和径向转向架轮轨磨耗的作用规律。

地铁线路曲线半径和列车速度对轮轨磨耗的影响

利用车辆-轨道耦合动力学理论,建立了地铁线路曲线区段车辆与轨道耦合动力学模型,以轮轨磨耗功为评价指标,分析了线路曲线半径和列车速度对轮轨磨耗的影响。仿真计算结果表明:曲线半径越小,车辆轮轨磨耗功越大,轮轨磨耗功出现振荡时往往会产生轮轨严重磨耗;在曲线半径和超高设置一定的情况下,列车速度越大,轮对的轮轨磨耗功越大。

高速轮轨磨耗问题及其小蠕滑解决方案

在遵循相关技术规律的前提条件下,高速铁路轮轨关系技术管理应当明确小蠕滑解决方案及其技术优势,利用动态设计方法 DDM,解决RSS转向架及其轮对自稳定问题和RFS转向架不稳定蛇行振荡及其校正两个主要技术问题,且形成经济型或安全型设计及其创新技术特点.线路跟踪测试与动态仿真分析均表明:车轮自旋蠕滑奇异性是造成轮轨滚动接触不连续或不均匀磨耗的主要成因之一,其与专车专线、客运专线以及客货混用等铁路运营方式无关.根据单/双循环工作原理,抗蛇行并联配置的动态特性具有超前滞后校正的相似性.利用这一相似性,制订了转向架参数优配技改方案.如ICE3技改设计在合理的轮配条件下极限速度提升至480 km/h,快铁与高铁运用实现了对钢轨磨耗的互补性.