不同高速动车组车轮踏面的轮轨接触关系对比

为了研究我国不同高速动车组的轮轨接触关系,针对我国高速动车组车辆常用的5种车轮踏面(LMA、LMB、LMC、LMD、LMB10)和高速铁路60N钢轨,对其轮轨匹配特性进行了研究。基于迹线法求解轮轨接触几何关系,采用半赫兹接触理论计算不同轮轨匹配的接触斑和接触斑内的法向应力分布。研究结果表明:从接触几何角度来看,LMA和LMC踏面等效锥度较小,踏面和钢轨上的接触带宽小,接触点比较集中;LMB和LMD踏面接触带宽较大,LMB10踏面居中,但LMB踏面的等效锥度最大。从接触力学角度来看,LMA踏面接触斑形状最接近椭圆,不同横移量下的接触斑面积和应力最大值变化最平缓;LMC踏面在靠近轮缘区域的接触斑形状复杂,且整体的应力水平较大;LMD踏面的接触斑位置变化最大,但在小幅横移范围内接触应力最小;而LMB和LMB10两种踏面的接触斑特性相似,在名义滚动圆附近接触斑面积最大,接触应力最小,靠近轮缘区域后快速增大。

车轮踏面磨耗对齿轨列车齿轮齿条接触状态影响研究

针对齿轨列车车轮踏面磨耗情况下难以探究齿轮齿条接触状态规律的问题,提出了一种基于Hertz接触理论的考虑车轮踏面磨耗情况的齿轮齿条齿面接触应力计算模型。首先,分析了磨耗情况下齿轮齿条的接触关系,获得了接触应力计算关键参数随车轮磨耗的变化规律,并结合Hertz接触理论构建了考虑车轮磨耗的齿轮齿条接触应力计算模型;然后,选取某工程齿轮齿条参数进行计算,获得了磨耗周期内的齿面接触应力分布,并通过27组有限元仿真试验获得了不同磨耗量、不同接触位置的齿轮齿条接触应力数据,与上述计算模型结果进行了对比;最后,运用上述计算模型进一步分析了车轮磨耗影响接触应力规律的内在机制和关键因素。结果表明,模型结果与仿真计算结果的最大相对误差为7.71%,验证了计算模型的准确性;车轮踏面磨耗量越大,齿轮齿条啮入点附近的接触应力越大,其影响机制是车轮磨耗导致啮入点附近驱动齿轮曲率半径急剧减小;增大初始中心距和齿条齿顶圆角影响系数,可降低车轮踏面磨耗对接触应力的影响,并可通过减小高度调整周期来优化接触状态情况。

城市轨道交通车辆踏面清扫系统

以上海轨道交通17号线西延伸项目车辆为例,论述了踏面清扫系统的应用背景,介绍了原理,分析了结构,并提出了控制方案,为城市轨道交通车辆踏面清扫系统的应用提供了参考。

某型高铁踏面廓形轮轨接触特性的对比分析

针对我国某型高铁踏面存在的疲劳裂纹出现频繁、部分轮对镟修量大等问题进行了研究,通过计算其与现行高速钢轨的接触特性,发现存在轮轨接触应力较大、接触点应力集中的现象。为了解决这一问题,文章介绍了一种可供替代的W01GT3型踏面。通过对比2种踏面在不同轮对横移量下的几何接触特性、轮轨接触应力以及直线运行工况下的疲劳裂纹萌生寿命,结果表明,W01GT3型踏面与钢轨接触范围更宽,轮轨接触应力更小,在直线运行工况下的疲劳裂纹萌生寿命更长。因此,在镟修维护时,建议采用与该型踏面相近的模板,有助于缓解某型高铁踏面的滚动接触疲劳相关问题。

车轮凹磨特征指数对车辆运行性能影响分析

针对高速动车组在运营过程中出现车轮踏面过度凹型磨耗导致转向架横向报警状况,对服役列车车轮型面进行跟踪测量,采用最小二乘法对不同运营里程车轮型面凹型磨耗特征进行椭圆拟合并验证,引入车轮凹磨特征指数作为自变量,建立车辆系统动力学模型,分析不同车轮凹磨特征指数对轮轨接触几何和车辆动力学性能影响。结果表明:通过椭圆拟合得到的函数能够较好地表示车轮型面凹磨特征,改变凹磨特征指数计算轮轨接触几何,发现不同车轮型面凹磨区域位置接触点跳跃程度、等效锥度与凹磨特征指数呈正相关;计算动力学性能,发现转向架横向振动加速度对车轮凹磨敏感,与凹磨特征指数呈正相关;通过曲线时随着凹磨特征指数增大对车辆动力学性能产生不良影响,其中对脱轨系数、轮轨横向力和车体横向平稳性指标影响显著;对车轮数据进行大量统计分析,得出凹磨特征指数主要分布在[0,0.077],进行轮轨接触分析与动力学验证分为优[0,0.050)、良[0.050,0.065]和差[0.065,0.077]3个区段,当凹磨特征指数位于差区段时,需要进行车轮镟修以保证车辆运行稳定性。

基于同步提取变换的钢轨踏面裂纹电磁超声表面SH波B扫成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下,极易产生滚动接触疲劳裂纹,并从轨头向下扩展,甚至导致断轨等重大安全事故,因此开展钢轨踏面裂纹高效准确的无损检测方法研究具有重要意义。对于钢轨轨头有限截面非规则几何体,无法采用解析法求解其频散曲线,采用Floquet-Bloch边界的有限元特征频率法,求解钢轨轨头类水平剪切导波频散曲线,在频散曲线的基础上,分析并确定电磁超声表面水平剪切波换能器的最佳检测频率。建立表面水平剪切波在含踏面裂纹钢轨轨头的传播有限元模型,研究表面水平剪切波在不同角度、深度的踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现快速的钢轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果,实验对比同步提取变换和同步压缩变换对钢轨踏面检测回波的噪声滤除能力。结果表明:对单次检测回波应用同步提取变换消噪处理后,信噪比提高13.73 dB,比单次采集信号经同步压缩变换处理后的信噪比高4 dB。将同步提取变换用于钢轨踏面导波B扫成像检测,可以减小同步平均次数以满足快速检测的要求。

基于数值模拟的轨道踏面累积疲劳寿命分析

轨道踏面结构疲劳破坏是轨道式集装箱门式起重机(轨道吊)上小车轨道踏面损伤的主要表现形式,准确分析小车轨道踏面的累积疲劳寿命对保障轨道吊的安全运行至关重要.以广州港某轨道吊的轨道踏面为研究对象,通过对某轨道吊的轨道踏面长时间的现场监测,获得轨道踏面在不同负载下的应力状况.然后,利用多体动力学软件ADAMS和有限元软件ANSYS对轨道踏面仿真研究,获得模拟的应力状况;将两种模拟获得的应力与实测结果进行对比分析,判断动力学和静力学仿真的可行性.其次,使用多体动力学软件和静力学软件的应力数据对轨道踏面进行疲劳寿命预测,获得轨道踏面的累积疲劳寿命;再将动力学仿真和静力学的仿真结果对比分析,提高轨道寿命预测的精确性.最后,结合可编程逻辑控制器(PLC)大数据库计算出轨道踏面的剩余疲劳寿命.本研究验证了动力学和静力学仿真的可行性以及预测疲劳寿命的准确性,以期为港口轨道吊结构损伤故障分析提供参考依据.

车轮踏面粗糙度对基于惯性基准法的钢轨波磨检测结果影响分析

通过在地铁电客车上搭载检测设备,并基于惯性基准法实现轨道波磨快速检测已成为一种重要的技术手段。将车轮踏面粗糙度,多边形车轮以及钢轨表面粗糙度作为输入激励,建立车辆-轨道耦合多体动力学数值模型,分析车轮磨耗对基于惯性基准法的轨道波磨检测结果的影响。研究结果表明:随着钢轨波磨的加剧,当其特征波长对应的粗糙度级超过车轮踏面粗糙度级接近20 dB时,车轮踏面粗糙度的存在对钢轨波磨特征波长幅值的检测精度影响很小;车轮踏面粗糙度与钢轨波磨特征波长接近且车轮踏面粗糙度幅值与钢轨波磨特征幅值之比大于0.5时,钢轨波磨检测结果的特征幅值显著增大。此时应及时进行车轮镟修对以保证检测结果的精确性。

基于车体失稳的轮轨型面匹配研究

动车组的车体低频晃动(以下简称“晃车”)问题将降低乘坐舒适性,晃车在不同的高铁线路、不同型号动车组上都时有出现,是困扰服役动车组的难题。文中通过对动车组与线路的轮轨调研测试,采用仿真的手段分析了不同轮轨型面匹配对晃车的影响。研究发现:基于60N钢轨设计廓形,建议廓形的偏差程度应控制在-0.2 mm以内,防止钢轨廓形负偏差过大引起的晃车;钢轨负偏差较钢轨不对称对晃车影响更大,建议左右轨都按正偏差打磨控制。当车轮出现异常磨耗将导致轮轨匹配等效锥度过低易引起晃车,服役动车组应尽量避免车轮踏面的异常磨耗,并及时旋修消除踏面异常磨耗。

基于逆向法的变轨距列车踏面优化设计

通过研究中俄变轨距列车动力学问题发现,一种车轮踏面可能无法适配多种轨道,可能造成低锥度晃车、临界速度降低、磨耗性能变差等问题。为此,基于轮轨接触关系、车辆动力学理论、车轮型面逆向设计递推算法,提出了匹配多种钢轨的均良化踏面设计方法,并在此基础上对LMA踏面进行优化,得到LMAopt踏面,LMAopt踏面匹配P65钢轨等效锥度从0.026提高至0.04,匹配CHN60钢轨等效锥度维持在0.038,保留了匹配两种钢轨交错的接触区,有利于减轻凹磨。LMAopt踏面与俄罗斯P65钢轨匹配时,低锥度晃车现象得到有效抑制,横向平稳性指标明显得到改善,车辆临界速度提高22%;LMAopt踏面与中国标准CHN60钢轨匹配时,其动力学性能与LMA踏面处于同一水平。在两种钢轨共同作用下,LMAopt的磨耗性能也有所改善,可以确保车辆服役周期内的动力学性能。综上,LMAopt踏面是更适合变轨距列车应用的优化踏面。

轮轨异常磨耗下的动车组振动特性研究

轮轨异常磨耗是引起车辆振动响应异常的重要原因,其中踏面凹磨和车轮多边形是最常见的动车组(EMU)磨耗形式。为研究某型动车组在踏面磨耗和车轮多边形下的振动响应规律,建立了非线性车辆动力学模型,采用短波分量与轨道谱叠加生成轨道不平顺,利用磨耗参数生成不同磨耗程度的踏面文件,研究了不同组合工况下的振动响应规律。仿真结果表明:车轮多边形的波深对车辆系统各层级的振动响应作用显著,随着车轮多边形阶数的增加,各层级的频域响应幅值先增加后减小,当阶数为7时,幅值达到最大值;踏面凹磨对各层级垂向频谱分布影响较小,对构架层横向频谱分布影响显著。随着磨耗程度的加深,构架横向主频向右偏移,其6~30 Hz频带响应幅值增加明显;车轮多边形阶数与波深对动车组各层级的垂向振动传递率影响不显著,悬挂系统对高于2 Hz的频带有良好的衰减作用。

钢轨踏面斜裂纹超声表面波B扫成像检测研究

由滚动接触疲劳引起的钢轨踏面斜裂纹已成为目前高速铁路在役钢轨无损检测中的重要问题,现有的铁路钢轨超声探伤车(仪)难以检测此类缺陷。采用低频超声表面波方法,沿钢轨长度方向对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测。由于钢轨轨头为带圆弧边的矩形截面,在钢轨表面激发和传播的低频表面波已不再是经典的Rayleigh波,而是一类导波,导波的多模式对表面波成像检测形成了干扰。为减小干扰,将空间平均技术应用于钢轨踏面斜裂纹的表面波B扫成像。对人工缺陷试块和钢轨试样的B扫成像实验结果表明,利用空间平均技术能有效的抑制此类干扰,提高信噪比,可对钢轨踏面斜裂纹作快速检测和定位。

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.

基于转向架悬挂参数与踏面锥度优化的高速车辆动力学性能分析

利用多体动力学仿真软件SIMPACK建立包含高速车辆车轮不同踏面和60kg/m钢轨型面的车辆系统动力学模型,研究改变车轮踏面锥度和悬挂参数对车辆动力学性能的影响,并根据计算结果得出一组新的优化参数。结果表明:车辆系统的稳定性主要由轴箱定位刚度和抗蛇行减振器阻尼决定,而舒适性主要由二系垂向阻尼、横向减振器阻尼以及系统垂向刚度决定。对于轮轨磨耗而言,优化后的高速车辆车轮踏面具有较好的耐磨性能,踏面锥度大、对中性好,不易产生较大幅度的横向振动。总体而言,优化后的车轮踏面锥度和悬挂参数在平稳性、稳定性和磨耗方面优于或接近标准参数车辆,验证了其可行性,为车辆结构参数统一化设计提供相应理论依据。

轮对内侧距对机车车辆动力学性能影响的试验研究

在分析国内外轮对内侧距方面已有研究结果的基础上,在不改变车轮踏面形状、轨距和钢轨轨头形状的情况下,进行单纯改变车辆轮对内侧距的滚动台试验研究,分析等效锥度对轮轨接触几何关系的影响,得出以下结论。①在保持轮轨接触几何关系相同的情况下,增加轮对内侧距有利于改善轮轨关系和机车车辆动力学性能。②在车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状等保持不变的情况下,单纯改变轮对内侧距,必然会导致轮轨接触关系的变化,从而影响机车车辆的动力学性能;对于我国目前采用的车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状而言,轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm,将导致轮轨接触等效锥度的增加,从而降低车辆的运动稳定性临界速度。③轮对内侧距的选取与车轮踏面形状的选择密切相关,在改变轮对内侧距以后,必须根据轮轨接触几何关系的变化重新对其进行综合优化,确定合适的车轮轮缘踏面外形。

CRH_3型动车组构架横向失稳成因分析

针对高速动车组因其构架横向加速度超限（简称构架横向失稳）而报警的问题，以武广高速铁路为对象，分析和研究CRH。型动车组构架横向失稳的成因。结果表明：车轮踏面磨耗、部分地段钢轨轨面出现宽光带和双光带（轮轨接触不良）而导致轮轨接触时的等效锥度偏大，是造成动车组在该地段发生构架横向失稳的主要原因；当车轮踏面凹磨达到0．5mm、轮轨接触光带宽度大于50mm时，其等效锥度达到0．5～0．7，易发生构架横向失稳；加大轨距，减少车轮踏面凹磨，严格按设计廓形打磨钢轨，以及使用新廓形钢轨60N，均可有效改善轮轨接触关系，控制轮轨等效锥度的增大。

基于轮轨关系的车轮踏面损伤机理研究

建立装有209P型转向架的25G客车车辆系统动力学模型,分析车辆在三种典型曲线上运行时各车轮的受力情况和轮轨接触点位置。利用滚动接触疲劳模型安定图和基于磨耗数的车轮损伤函数分析车轮踏面损伤原因,并对现场车轮踏面损伤情况进行调查。研究结果表明,车辆通过曲线时导向轮对低轨侧车轮蠕滑力的合力均指向直角坐标系的第三象限,易导致车轮表面产生与蠕滑力合力方向相垂直的裂纹,其方向与现场观测到的裂纹方向相一致,且轮轨接触斑材料处于棘轮效应区,同时根据损伤函数得到车轮损伤值大于0,即属于疲劳裂纹损伤;随着曲线半径的减小,轮轨蠕滑力合力显著地增大。磨耗后车轮频繁通过小半径曲线是导致车轮踏面外侧裂纹和剥离的主要原因。

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明:车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。

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。

某高速铁路钢轨踏面伤损原因分析

某高速铁路钢轨踏面存在多处凹坑。采用宏观观察、扫描电镜及能谱分析、金相检验、硬度测试等方法,对钢轨伤损的原因进行了分析。结果表明:钢轨踏面凹坑是由于列车运行中金属异物压入所致;异物镶嵌在动车组车轮踏面上,随车轮转动对钢轨造成连续碾压,形成一系列凹坑;由于异物硬度远高于钢轨基体,因此异物压入后钢轨基体组织产生严重塑性变形和微裂纹。