小半径曲线上P75钢轨打磨廓形设计及应用研究

以国内某重载铁路R400 m曲线P75钢轨为研究对象,建立了轮轨接触模型和轮径差曲线描述模型,选取代表性车轮踏面和钢轨廓形,采用轮径差曲线逆向求解法优化了轮轨接触区域钢轨廓形,并依据打磨量最小化原则设计得到了曲线钢轨打磨廓形。建立了实测参数下的车辆-轨道多体动力学仿真模型,对比分析了实测廓形和设计廓形匹配下的动力学指标。按钢轨廓形设计要求,在该R400 m曲线上实施了钢轨打磨试验和轮轨动力学测试。研究结果表明,优化后轮径差曲线趋于平滑,车辆曲线通过能力得到提高,抗脱轨能力得到保持;轮轨关系得到显著改善、轮轨接触点交叉跳跃和集中问题得到缓解;轮轨横向力减小20%以上,脱轨系数减小16%以上,钢轨法向接触应力减小32%以上,轮轨蠕滑力减小26%以上;实施打磨后,轮轨横向力减小34%以上,脱轨系数减小35%以上,钢轨振动加速度减小35%以上;打磨后3个月轨面疲劳伤损未见明显发展,钢轨使用寿命由前一换轨周期的8个月延长至13.5个月。仿真分析和打磨试验验证了钢轨廓形设计方法在重载铁路小半径曲线的应用效果。

面向钢轨修复的不同槽型接触轮砂带打磨接触行为及材料去除特性

为掌握不同槽型接触轮砂带对钢轨打磨接触行为及材料去除特性的影响规律,基于橡胶接触特性,建立X齿型、锯齿型和人字型3种典型接触轮砂带打磨仿真模型,模拟分析不同槽型特征对接触轮-钢轨静态接触行为和动态冲击应力的影响机制;通过钢轨砂带打磨试验,对比研究3种槽型接触轮的材料去除特性。结果表明:3种槽型接触轮与钢轨的接触区域整体均呈椭圆形态,符合赫兹接触理论,内部接触形态则随槽型特征呈现为块状分布;接触区域应力分布总体符合弹性半空间接触理论,但在接触块边缘会出现应力集中;X齿型接触轮和人字型接触轮因齿尖和齿槽结构的存在而具有较高的材料去除能力,同等打磨条件下X齿型接触轮较平型接触轮的材料去除能力提高了79%;顺磨条件下的材料去除能力高于逆磨,以X齿型接触轮为例,顺磨比逆磨的材料去除能力提高了22.7%;X齿型和人字型接触轮砂带打磨的噪声、振动、粗糙度、平均电流均较高,锯齿型接触轮具有较低的振动、粗糙度及平均电流,平型轮则具有较低的噪声和电流。

基于多目标优化策略的曲线钢轨非对称打磨设计

铁路曲线钢轨打磨一直是养护维修工作的重点之一,虽然钢轨的磨损不可避免,但适当打磨型面能有效减缓磨损。为了降低打磨去除量,改善轮轨接触性能,提高铁路系统的安全性和经济性,提出一种基于多目标协方差矩阵自适应优化策略(MO-CMA-ES)的曲线段打磨型面设计方法。首先,通过主成分分析方法(PCA),从钢轨磨耗型面中选取代表性的磨耗型面作为初始种群。接着,采用NURBS曲线拟合算法对这些型面进行曲线拟合,以建立参数化模型。随后,使用MOCMA-ES算法进行多目标优化,其中目标函数包括降低打磨去除量、轮重减载率和轮轴横向力。根据每个型面在不同目标函数下的适应度值,进行种群的进化与连续迭代,直到满足终止条件,即适应度函数值不再显著变化。最后,从最终的种群中选取目标适应度值最小的子代个体作为最优解。优化结果显示,优化型面降低了45.3%的打磨去除量,同时内外轨轨顶的打磨下降高度分别降低了0.84 mm和0.23 mm。静态轮轨接触方面,优化后的轮轨接触点分布更加均匀,且轨距角过渡区域的跳跃现象得到改善。动力学性能方面,优化型面降低了列车车体的横向加速度和轮轨横向力。此外,有效减小了轮对的横向位移,并微幅降低了轮轨最大接触应力。研究结果为曲线钢轨打磨提供了一种智能化的设计方法与参考。

导轨结构化表面的拓扑磨削的仿真研究

为磨削出机床滑动导轨结构化表面,依据刮研导轨表面的技术要求,提出方形、菱形和月牙形3种导轨花纹;依据25 mm×25 mm导轨表面上的高点个数和面积占比的限定,设计出机床滑动导轨的结构化表面;根据磨削导轨结构化表面的创成条件,建立结构化表面与结构化砂轮间的拓扑映射矩阵,设计相应的结构化砂轮;通过MATLAB进行磨削运动学仿真获得磨削参数对表面形貌的影响规律。研究结果表明:合理选取砂轮转速、工件进给速度和磨削深度等参数,采用拓扑磨削的方法可以在工件表面磨削出满足导轨表面要求的结构化表面;随着磨削深度的增大,导轨花纹长度与宽度增大,高点所占面积比减少。

考虑滚动噪声的地铁波磨打磨限值评估方法

钢轨打磨能有效抑制波磨的发展,目前的打磨限值制定标准主要以车辆运行平稳性和行车安全性为依据,对影响环境线路的轮轨滚动噪声重视不足。为了获取服役条件下轮轨滚动噪声约束的地铁波磨打磨限值,根据对某地铁线路噪声段波磨情况的调查,建立了地铁波磨打磨限值综合评估模型。模型中将连续谐波模拟钢轨波磨作为系统输入,根据车辆-轨道耦合动力学理论以及轮轨接触关系确定轮轨动作用力和轮轨表面粗糙度之间的关系,分析获取了车辆-轨道耦合系统的振动响应和轮轨滚动噪声,指出了轮轨动作用力、轮重减载率和轮轨滚动噪声声压级3个指标对地铁线路钢轨波磨打磨限值的影响,进而形成了融合轮轨滚动噪声的地铁波磨打磨限值评估方法。结果表明:考虑轮轨滚动噪声影响的钢轨波磨打磨限值评估,不仅满足车辆运行平稳性和行车安全性的要求,而且保证地铁沿线噪声处于合理范围;基于轮轨滚动噪声对钢轨波磨最为敏感的特性,综合评估地铁波磨打磨限值,提高了载重变化时的车辆运行平稳性。

重载铁路钢轨抗疲劳型面的设计与应用

为了改善轮轨接触关系,基于三次插值样条曲线方法,通过降低钢轨轨肩-轨距边廓形,设计了重载铁路小半径曲线钢轨抗疲劳型面。结合重载运输条件下的车辆-轨道动力学模型,根据接触点位置、轮轨接触斑面积、横向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗指数等参数,确定了重载铁路钢轨打磨铣磨基准型面并进行现场应用。基准型面为:钢轨轨肩-轨距边廓形降低的起点在由轨顶中心向近轨距边方向移动5 mm的位置,廓形改变范围覆盖起点至轨距边侧磨点,改变范围内最大廓形弧面下降量出现在轨顶中心向轨距边26 mm处,且最大弧面下降量为0.6、0.7 mm。现场试验结果表明:该基准型面使得轮轨垂向、横向力均有所降低,轮轨接触关系改善,接触点位置稳定;预测的裂纹萌生寿命延长了16.3%~47.2%,满足改善车辆运行状态、延长重载铁路钢轨使用寿命等需求。

基于NURBS曲线的小半径钢轨打磨措施研究

为提升列车小半径曲线通过性能,减少小半径曲线钢轨磨耗,运用NURBS曲线设计个性化钢轨打磨廓形。首先,基于三次NURBS曲线,推导我国现有标准钢轨打磨廓形CHN60;其次,通过弗雷歇距离法选取实测小半径曲线磨耗钢轨代表廓形;再次,基于差分进化算法,迭代优化个性化钢轨打磨廓形;最后,基于SIMPACK软件建立耦合动力学模型,计算个性化打磨廓形与CHN60标准打磨廓形相关参数。研究结果表明:与CHN60标准打磨廓形相比,个性化打磨廓性磨耗指数降低17.76%;脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轨垂向力分别降低30.38%、11.84%、21.28%和0.37%。

钢轨打磨车砂轮实验室内磨削特性及其与现场使用效果的相关性分析

利用钢轨打磨仿真试验台,对不同厂家、不同类型钢轨打磨车砂轮的磨削性能进行了测试,并结合其现场使用效果进行了相关性分析。结果表明:超硬复合砂轮的使用寿命是普通砂轮的2倍左右,但打磨时需要提供更大的打磨压力,也会产生更高的温升;打磨后工件温度的室内测试结果与现场使用效果具有一致性,试验后工件温度远超过150℃的砂轮,现场使用极有可能导致钢轨烧伤发蓝;砂轮平均打磨里程(使用寿命)s与打磨功率占比30%时的砂轮磨耗量W之间近似呈反比例函数的关系。

钢轨铣磨技术在高速铁路小半径曲线的应用

为解决高速铁路进出站或临近管界的小半径曲线钢轨表面疲劳伤损问题,修复钢轨廓形,结合现场调查数据,分析了小半径曲线地段钢轨廓形质量、轨面状态、钢轨廓形偏差和轮轨接触关系。从轮轨关系角度分析了轨面疲劳伤损产生原因,提出了利用钢轨铣磨车和道岔打磨车的综合整治方案。结果表明:铣磨打磨作业后钢轨廓形质量和轨面状态得到明显改善;轮轨接触点分布位置更加合理,分布范围更加均匀,有效避免了轨面应力集中问题;动检车横向加速度明显减小,轮轨接触关系得到改善。

钢轨打磨治理杭深线动车组车体低频晃动研究

针对CRH1型动车组在杭深线部分区段运行过程中出现的车体低频晃动问题,对晃车区段的轨道几何尺寸、钢轨廓形、车轮踏面状态等进行了调查,并对杭深线动车组晃车原因进行了分析研究。结果表明:杭深线晃车区段左、右股钢轨廓形存在不对称性,廓形和光带均会出现40 m左右的周期性变化;当左、右股钢轨廓形对称性不良时,新车轮和磨耗车轮的轮轨等效锥度均会减小,轮轨匹配等效锥度过小时,轮对的蛇行运动收敛能力下降,在外界激扰下横向位移量增大,引起晃车;钢轨廓形对称性不良会导致轮对轮径差变大,使得钢轨轨距角处出现交替性偏磨,加剧钢轨廓形的不对称度,形成恶性循环;钢轨打磨可有效治理高速动车组低频横向晃动,在打磨中应优先降低钢轨廓形的不对称度。

钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究

为研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响,基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型,对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑力进行分析,现场测试打磨前后车辆通过该曲线的轮轨力,结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析。结果表明:钢轨打磨后,轮轨接触点集中问题得到缓解,轮轨接触应力、轮轨蠕滑力减小和轨面裂纹法向分力减小,实测轮轨力减小,相同载荷下对应的载荷循环数增大。各项指标较打磨前更有利于抑制钢轨滚动接触疲劳的萌生及扩展,轨面裂纹萌生寿命明显延长。打磨后3.5个月轨面裂纹未见明显发展,仿真计算结果与实际情况吻合良好。

小半径曲线段钢轨打磨方案比选及动力特性研究

小半径曲线段钢轨廓形质量对轮轨接触关系及钢轨使用寿命有着关键影响。为探究个性化打磨对小半径曲线段磨耗廓形的轮轨接触改善及延长钢轨使用寿命效果,选取沪昆普速铁路小半径曲线段两组磨耗钢轨进行打磨方案研究;基于现场实测数据及病害分析,与消除表面病害为目的的修复性打磨方案作比较,对钢轨进行个性化打磨廓形设计;跟踪观测钢轨表面状态,结合GQI(grinding quality index)及轮轨接触分析,建立车辆-轨道动力学模型计算打磨方案对轮轨动力特性的影响,综合评价打磨效果;结果表明:修复性打磨仅对钢轨表面病害进行处理,并未实际改善轮轨关系,廓形保持能力不佳,后续动力学指标评价也无明显改善;相比之下,个性化打磨廓形保持能力更佳,GQI指数明显提升,轮轨关系改善显著,提高了车辆曲线通过能力;动力学方面,个性化打磨方案的轮轨横、纵向蠕滑率和磨耗指数分别降低60.45%,33.95%和24.13%,有效缓解了轮轨间的磨耗,延长了钢轨使用寿命与打磨周期;车体横向、垂向加速度和脱轨系数分别降低19.69%,30.74%和26.11%,列车运行平稳性得到良好改善,提高了列车运行安全性。由此可见,个性化打磨方案在清除小半径曲线段磨耗钢轨病害的基础上,延长了钢轨服役周期,同时提高了列车运行品质。

基于槽型接触轮的钢轨砂带打磨材料去除特性

为揭示槽型接触轮钢轨砂带高效打磨的材料去除机理,基于弹性赫兹接触理论,建立槽型接触轮与平型接触轮的材料去除比数学模型,掌握槽型接触轮砂带打磨周期应力变化规律,揭示打磨周期应力对打磨效率的影响机制,并基于钢轨砂带打磨专用试验平台,对比研究槽型接触轮与平型接触轮砂带打磨中的材料去除特性。结果表明:槽型接触轮打磨因其周期性的应力集中加压状态而具有较高材料去除效率;与平型接触轮相比,槽型接触轮打磨在较低压力下材料去除优势并不显著,随着打磨压力增加,槽型接触轮的材料去除效率明显提升,并在打磨压力为50 N时超越平型接触轮;在打磨表面粗糙度、振动、噪声及能耗等方面,槽型接触轮砂带打磨较平型接触轮均有明显优势,在75 N常用打磨压力下,前者较后者打磨材料去除率提高14%,表面粗糙度降低25%,振动减少17%,噪声降低4.5%,能耗降低12%。

砂轮端面打磨技术治理钢轨波磨的建模与仿真

为探究钢轨打磨时波磨波长和打磨效果的对应关系,基于动力学理论和打磨磨削等效理论,建立包括打磨单元动力学子系统、轨道动力学子系统和打磨磨削子系统的钢轨纵向不平顺打磨仿真模型,并运用该模型仿真分析钢轨打磨过程,研究波磨波长、砂轮尺寸对打磨效果的影响。结果表明:该仿真模型能够模拟钢轨波磨不平顺打磨去除过程;砂轮打磨短波钢轨波磨时主要去除波峰材料,波磨幅值显著降低,打磨效果好;小半径砂轮打磨长波钢轨波磨时,同时去除波峰和波谷材料,波磨幅值降幅较小,打磨效果差;打磨长波钢轨波磨时,可以通过增大打磨砂轮的半径,减少砂轮对波磨波谷处材料的打磨,改善打磨效果。

钢轨铣磨和打磨对钢轨滚动接触疲劳和磨耗的影响

根据重载铁路小半径曲线区段和运行车辆实际参数,建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型,分析钢轨铣磨前后和打磨后的轮轨关系、滚动接触疲劳和钢轨磨耗耦合竞争关系。结果表明:钢轨铣磨能有效去除轨面病害,但不能有效改善轮轨关系;钢轨打磨可有效改善轮轨接触关系,降低轮轨横向力、轮轨振动加速度和法向接触应力,有效控制病害发展。对于小曲线半径区段,上股钢轨铣磨前以磨耗为主,铣磨后磨耗减小但疲劳伤损严重,打磨后钢轨疲劳损伤和磨耗基本达到平衡;下股钢轨铣磨前疲劳损伤大且磨耗快,铣磨后与打磨后的疲劳损伤、磨耗指数均明显下降。建议对较严重的钢轨滚动接触疲劳实施先铣磨后打磨的综合维修,最大程度延缓钢轨病害和磨耗的发展。

朔黄重载铁路半径400 m曲线线路钢轨打磨周期

对朔黄重载铁路半径400 m曲线线路钢轨进行2次修理性打磨,通过实测打磨前后钢轨廓形,调研钢轨表面疲劳损伤发展情况,分析了钢轨廓形变化对轮轨接触几何关系的影响;通过建立实际参数车辆-轨道多体动力学仿真模型,研究了钢轨廓形对车辆动力学性能的影响。结果表明:打磨后轮轨关系得到优化,轮轨接触点集中问题得到明显缓解,曲线上股钢轨侧磨速率明显减小,曲线下股钢轨表面疲劳损伤得到有效抑制;打磨后累计通过总质量累计约60 Mt时轮轨横向力、磨耗指数、轮轨接触应力接近打磨前。为缓解钢轨病害发展,延长钢轨使用寿命,建议朔黄重载铁路半径400 m曲线线路打磨周期设置为60 Mt。

高速铁路钢轨打磨技术及其应用

根据广深线钢轨斜裂纹的形成与发展特点,提出采用非对称打磨技术控制和减缓钢轨斜裂纹的形成,并进行了数值计算和现场打磨试验.数值计算结果表明:钢轨非对称打磨可以改变轮轨接触几何参数,使轮轨接触点向钢轨顶面中心移动,远离钢轨轨肩位置,并降低轮轨接触应力.现场打磨试验验证了数值计算结果,试验结果表明钢轨非对称打磨能改变钢轨光带,使接触点向钢轨踏面中心移动.

基于磨粒切削模型的钢轨打磨机理研究

基于砂轮打磨钢轨的原理建立磨粒与钢轨接触的几何模型和受力模型,分析磨粒切削深度与打磨设定功率即钢轨打磨车电机输出功率的理论关系;依据磨粒分布及其突出高度的统计规律和磨粒切削深度与参与切削磨粒数目及电机输出功率的关系,仿真研究被测区域的钢轨打磨效果,并与试验结果进行对比。结果表明:切削深度的增加会引起参与切削磨粒数目的增加,而参与切削磨粒数目的增加亦会增加测试区域中打磨区域的重叠;受钢轨本身廓形曲率变化的影响,在电机输出功率相同而砂轮摆角不同时,钢轨的打磨结果也不相同;砂轮在钢轨轨顶部位的打磨会形成最宽的打磨带以及最大的打磨横断面面积,而轨肩部位的打磨带则较窄且打磨横断面面积较小;仿真与试验结果吻合,说明基于磨粒模型预测打磨砂轮的实际打磨性能是可行的。

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。

朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究

为解决朔黄铁路小半径曲线轨道的钢轨严重侧磨问题,通过分析朔黄铁路轮轨型面的磨耗特点、接触特征,研究和设计适用于朔黄铁路小半径曲线轨道新钢轨预防性打磨的钢轨打磨目标型面。研究结果表明,新轮的标准LM踏面与75kg·m-1钢轨的标准型面接触时发生两点接触的几率较大,且经过一定运量后车轮踏面磨耗存在明显的不对称性;小半径曲线轨道外侧钢轨在不同时期的侧磨外形接近,与车轮接触时,形成明显的两点接触;设计的钢轨打磨目标型面与新轮、磨耗轮接触时,可明显增加轮轨接触面积,减小轮轨接触应力,显著改善车辆的曲线通过性能;钢轨打磨目标型面表现出良好的动力学特性,延缓钢轨接触疲劳,有利于延长钢轨的使用寿命。