实测轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗影响分析

轮轨蠕滑曲线会影响轮轨动态相互作用,进而影响钢轨磨耗,为研究实测轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗的影响,首先,基于最小二乘法获得适用于Polach模型和修改FASTSIM算法的参数,模拟40~400 km/h行车速度范围内的实测蠕滑曲线;随后,在SIMPACK软件中建立车辆系统动力学模型,并通过Polach模型测得实测蠕滑曲线;最后,采用Kik-Piotrowski模型和修改的FASTSIM算法进行轮轨非赫兹滚动接触计算,并结合USFD磨耗模型预测钢轨磨耗,对比了理想与实测蠕滑曲线条件下钢轨磨耗的差异.研究表明:理想蠕滑曲线条件下钢轨磨耗深度明显大于实测蠕滑曲线下的结果,随着车辆通过次数的增加,理想条件下钢轨磨耗分布范围更大,内外轨磨耗分布范围分别为实测蠕滑曲线的1.5倍和1.3倍;摩擦系数和磨耗率显著影响钢轨磨耗大小及磨耗分布情况,故在车辆动力学仿真和钢轨磨耗计算中有必要考虑实测轮轨蠕滑曲线;形成了确定实测蠕滑曲线参数的前处理程序,可服务于车辆动力学仿真和钢轨磨耗计算,可以有效指导现场进行钢轨打磨等养护维修工作.

基于GM(1,1)-IPSO-BP的重载铁路小半径曲线钢轨磨耗预测方法

为实现重载铁路小半径曲线段钢轨磨耗量的精准预测,提出一种非等间距灰色模型GM(1,1)与改进粒子群算法(IPSO)优化BP神经网络相结合的钢轨磨耗预测方法。首先,根据积分原理优化GM(1,1)非等间距模型的背景值计算方法,基于改进的模型得到实测磨耗序列的初步预测结果;然后,利用IPSO算法对BP神经网络的权值和阈值进行自动寻优,对GM(1,1)模型初步预测序列的残差进行校正;最后,将优化后的两种模型组合构建基于GM(1,1)-IPSO-BP的重载铁路小半径曲线地段钢轨磨耗量预测模型。以某重载铁路桥上半径400 m曲线为例,利用长期的磨耗监测数据进行方法的适用性分析,研究结果表明:GM(1,1)-IPSO-BP模型克服了磨耗数据的非线性、随机性特征对计算结果的影响,预测精度优于单独使用GM(1,1)、IPSO-BP模型;背景值优化后的GM(1,1)模型预测准确性更可靠;IPSO优化算法提高了BP神经网络计算的精度和速度;预测结果和实测数据之间的相对误差不大于4%;在预测区间上的绝对误差小于0.4 mm,运用该方法能够较准确地得到钢轨磨耗的发展规律。研究结果可为重载铁路小半径曲线钢轨的精准维修和科学使用提供参考。

基于实测数据的车辆轮对磨耗模型研究

[目的]基于上海轨道交通17号线列车轮对实测数据,研究轮对磨耗规律,建立轮对轮缘厚度和轮径磨耗模型,以提高城市轨道交通车辆的安全性和维护效率。[方法]对轮对实测数据进行预处理,消除数据误差;采用曲线拟合和误差分析方法建立轮缘厚度和轮径的磨耗模型,并以磨耗速率拟合标准差,以及真实值与误差拟合曲线之间误差值的拟合标准差作为该模型的评价指标,评估轮缘厚度及轮径磨耗模型的准确性;分别针对1701次和1721次列车进行轮对磨耗模型验证。[结果及结论]1701次和1721次列车轮对轮缘厚度磨耗速率4次拟合曲线的拟合标准差,以及真实值与误差拟合曲线之间误差值的6次拟合曲线的拟合标准差均接近于零,验证了该车辆轮对磨耗模型的准确性,能够精确预测上海轨道交通17号线同一车型不同列车及同一列车不同位置的轮对磨耗情况。

柔性轮对的地铁曲线段内轨波磨迁移特性研究

为预防波磨从一侧钢轨迁移至另一侧,建立了柔性轮对的车辆-轨道曲线通过刚柔耦合动力学模型,再现了地铁车辆曲线段时的轮轨接触行为,分析了曲线内轨不同特征波长波磨产生的振动响应和磨耗功率。相比传统多刚体模型,车辆-轨道刚柔耦合模型能将轮对弯曲、扭转和高频振动考虑在内。针对波长极短的40 mm短波、80 mm短波、150 mm中波和200 mm长波波磨四种工况进行仿真,结果表明:随着波长增加,波磨迁移现象越容易产生。对于波长较短的短波引起单侧高频轮轨冲击但波磨不易迁移至另一侧;80 mm短波引起的振动较小,也不易发生迁移;当波长增加至150 mm中长波和200 mm长波后,外轨轮轨力振动开始加剧,150 mm工况外轨纵向轮轨力振荡明显增加,200 mm工况纵向和垂向轮轨力已接近波磨所在侧的振荡幅值,此时很可能发生波磨迁移的现象。

基于轮轨非Hertz接触的货运铁路钢轨磨耗研究

随着铁路运营的发展,货车车辆轴重不断增加,钢轨磨耗异常严重。本文采用UM动力学软件,建立了三维铁路钢轨磨耗模型,计算了红柠铁路专用线部分线路条件下的钢轨磨耗情况。结果表明:(1)线路直线段内外钢轨的磨耗程度相近且较轻;(2)缓和曲线段内轨的磨耗集中分布在距离轮轨作用边轨头约10 mm的走行面处,而外轨磨耗集中分布在外轨内侧半径为80 mm的弧段曲线上;(3)圆曲线段外轨磨耗严重,主要分布在轨头内侧半径为80 mm的弧段上,半径为300 mm的弧段上也有明显磨耗;(4)内轨磨耗主要分布在轨头半径为300 mm的弧段上,半径为80 mm的弧段上磨耗较轻。

基于半赫兹接触的车轮磨耗预测分析

为了对比赫兹与半赫兹接触算法在轮轨磨耗仿真过程中的差异,建立CR400BF动车组动力学模型,分别基于赫兹接触与半赫兹接触算法(STRIPES)进行长距离仿真,用Archard磨耗模型计算磨耗量,以实测250000km踏面磨耗量为参照分别比较两种算法的计算结果。结果表明:不同钢轨廓形对应磨耗量及磨耗分布差异明显;不同磨耗里程下半赫兹接触的接触斑形状差异明显,接触斑面积逐渐增大且最大接触应力逐渐减小;磨耗前期,两种接触算法得到的磨耗量及磨耗分布差异不大,且与实测结果较为接近,但磨耗中后期,两种算法得到的磨耗量较实测结果都偏大且半赫兹接触较赫兹接触更加符合实测结果,原因在于随着磨耗里程增大,轮轨接触不再满足赫兹接触假设。

3D finite element analysis of a two-surface wear model in fretting tests

This article aims at developing a computationally efficient framework to simulate the erosion of two contact surfaces in three-dimensional(3D),depending on the body resistance.The framework involves finite element(FE)resolution of a fretting problem,wear computation via a non-local criterion including a wear distribution parameter(WDP),as well as updating of the geometry and automatic remeshing.Its originality is based on the capability to capture the damage on each surface and obtain local and global results for a quantitative and qualitative analysis.Numerical simulations are carried out for two 3D contact specimens with different values of WDP.The results highlight the importance of correctly modelling wear:One-surface wear model is sufficient from a global point of view(wear volume),or whenever the wear resistance for a body is much higher than that of another one,whereas a 3D two-surface wear model is essential to capturing local effects(contact pressure,wear footprint,etc.)related to the difference in wear resistance of the bodies.

上海轨道交通1号线01A07型列车车轮轮缘异常磨耗分析

上海轨道交通1号线01A07型列车车轮存在轮缘异常磨耗情况,既影响列车运行安全,又增加维修成本,需研究解决车轮轮缘异常磨耗问题。基于上海轨道交通1号线01A07型列车轮缘实测数据,分析了该型列车的轮缘厚度和轮缘综合值,分析结果表明,该型列车车轮的主要磨耗为轮缘磨耗,且左右车轮轮缘磨耗不均匀,左侧磨耗较右侧严重。基于轮缘厚度、轮缘高度、轮径和运营里程构建了Kriging模型,并用该模型对车轮各参数进行预测,结果表明,该模型能对车轮参数进行预测,预测结果具有一定的理论参考性,但模型是在理想状况下进行拟合的,且拟合的样本本身存在一定误差,因此个别预测数据误差较大,整体预测精度待提高。最后给出了改善车轮偏磨现象和解决模型预测精度问题的建议。

钢轨打磨技术研究进展

介绍了有关钢轨打磨的理论、技术和应用成果,论述了钢轨打磨技术与轮轨接触疲劳、磨耗、噪声、润滑之间的关系和相互作用模型.基于现有的国外钢轨维修成本的经济学模型,提出了加入打磨设备折旧费用的钢轨维修成本综合经济学模型.建议未来的研究重点:开展基于现场实践的快速电脑程序优化的打磨钢轨型面研究;开展能够综合考虑车辆轨道耦合动力学和经济学指标钢轨打磨方案的优化研究;开展不同工况的打磨参数和打磨工艺研究.

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。

弹性车轮动力学复合模型及其性能研究

为深入研究轻轨车辆弹性车轮的动力学作用,基于压剪复合型弹性车轮的结构,在弹性车轮动力学传统模型的基础上,综合考虑弹性车轮轮芯相对于轮毂的6个自由度,建立弹性车轮动力学复合模型。利用多体动力学软件SIMPACK进行仿真计算,对比分析传统模型和复合模型下弹性车轮车辆以及刚性车轮车辆的临界速度、平稳性、曲线通过性能和轮轨磨耗等指标。结果表明:由于传统模型未考虑车轮与车轴之间的偏转刚度和轮对两车轮之间的扭转刚度,因此计算误差较大;采用复合模型得到的弹性车轮车辆的临界速度、运行平稳性指标,以及通过小半径曲线时的轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等较刚性车轮车辆都有不同程度的降低;弹性车轮车辆的轮轨磨耗情况在直线通过时与刚性车轮车辆的相似,而曲线通过时相比刚性车轮车辆降低了约5.3%。

非椭圆接触下地铁小半径曲线外轨全寿命侧磨发展规律

对Archard材料磨耗模型进行了改进,使其更加适合考虑非椭圆接触的钢轨侧磨仿真;将地铁列车荷载谱按客流量分为3类,基于地铁常用A,B型车辆标准模型及小半径曲线参数,建立不同载重条件下的车—轨多体动力学模型,考虑轮轨非椭圆接触计算切向蠕滑功并按权重进行累积,预测外轨侧磨随运营时间的发展规律,并与长期现场跟踪测试结果进行对比验证。结果表明:地铁小半径曲线外轨侧磨的发展可分为3个阶段,阶段Ⅰ磨耗从轨距角部分开始产生并向轨顶与轨侧扩展,尚未达到侧磨位置处;阶段Ⅱ开始出现侧磨并呈线性发展,A,B型车产生的月侧磨速率分别为0.53和0.46mm;侧磨达到9mm左右进入阶段Ⅲ,侧磨速率明显提高,磨耗位置稳定;预测的侧磨发展规律和钢轨型面演变与现场跟踪测试结果十分吻合,表明利用本方法能够以较小的成本对外轨全寿命阶段侧磨进行分析研究。

槽型轨磨耗演变过程数值模拟

为研究槽型轨磨耗规律,采用多体动力学分析软件UM,基于Specht磨耗模型及轮轨多点接触理论以我国自主研发的70%低地板有轨电车为例,建立59R2槽型轨磨耗计算模型,分析槽型轨在缓和曲线、圆曲线、直线地段的磨耗情况。计算结果表明:圆曲线外侧轨道的磨耗主要集中在轨肩处;当列车通过次数较少时内侧轨道磨耗主要集中在轨头及轨肩处,随着列车通过次数增加磨耗量变大,轨槽磨耗量与轨头及轨肩的磨耗量基本相当;缓和曲线轨道的磨耗量远小于圆曲线上轨道的磨耗量,外轨磨耗集中于轨肩处,内轨集中在轨头及轨肩处;在直线地段上,左右侧轨道的磨耗情况基本相似,磨耗量远小于圆曲线和缓和曲线。

客车车轮型面的多目标优化设计模型研究

分别以与轮轨磨耗指数、临界速度和轮轨横向力相关的3个函数为目标函数,以圆弧型车轮型面的圆弧半径和圆心坐标为设计变量,以Nadal脱轨系数最大值不超过GB 5599—85标准规定的1.0、轮轨最大接触应力不超过车轮材料剪切强度3倍和车轮滚动接触疲劳因子小于0的要求为约束条件,给出了铁路客车车轮型面的多目标优化模型。以欧洲ERRI 200 km.h-1标准客车为例,利用铁道车辆动力学仿真软件ADAMS.2005/Rail建立铁路客车动力学模型,并用给出的型面优化模型对其LMa车轮型面进行多目标优化设计,结果表明,踏面型面优化后的车辆临界速度提高约50%,车辆通过曲线时的轮轨磨耗指数下降约12%。

CRH_2-300型动车组车轮型面的多目标优化研究

采用ADAMS/Rail软件建立CRH2-300型动车组的动力学仿真模型,并采用京津城际铁路CRH2-300型动车组300km·h-1速度下的实测数据验证仿真模型的准确性;选择武广客运专线所占比例较大的前3位线路线型(直线线路及9 000和10 000m半径曲线线路)的实际参数建立2个线路模型;选择轮轨磨耗指数、临界速度和横向乘坐舒适性作为CRH2-300型动车组车轮型面优化的目标函数,以横向和垂向乘坐舒适性指标、一位轮对脱轨系数、轮轨最大接触应力、轮轨横向力、车轮表面疲劳因子和动车组临界速度应满足的工程应用条件为约束条件,建立CRH2-300型动车组车轮型面多目标优化设计的数学模型。结果表明:装配优化的型面车轮可使CRH2-300型动车组的临界速度较装配LMA型面车轮时提高23%,且轮轨磨耗指数降低18%。

轮对中高频振动仿真模型

由于常用的轮对刚体模型不能仿真分析轮对的中、高频振动,而轮对三维实体有限元模型在仿真分析轮对的中、高频振动时计算效率低,因此研究并建立梁(车轴)—板(辐板)—梁(轮箍)轮对有限元简化模型和梁(车轴)—刚体(车轮)轮对有限元简化模型;以CRH2型动车组为例,分别采用这2种简化模型计算轮对的固有频率和位移导纳,并与轮对三维实体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明:梁—刚体轮对有限元简化模型只能真实反映轮对的扭转变形和1阶弯曲变形,可用于分析振动频率在100 Hz以下的轮对振动;当振动频率在2 000Hz以下时,梁—板—梁轮对有限元简化模型计算的轮对固有频率和轮轨力作用点处的位移导纳均与轮对三维实体有限元模型计算的很相近,因此适宜计算振动频率小于2 000 Hz的轮对振动,基本满足目前钢轨波磨分析的需求。

轨道参数对机车车轮磨耗影响的研究

针对轨道参数对机车车轮磨耗的影响问题,以D20E型内燃机车为例,借助SIMPACK软件建立了机车动力学模型。提出根据机车动力学模型、FASTSIM算法与Zobory磨耗预测模型为一体的机车车轮磨耗预测模型,并编制了相应计算程序。利用该模型,分析轨道主要参数对机车车轮磨耗的影响。结果表明:车轮磨耗深度随曲线半径增大而迅速减小;随着轨距的增加,车轮磨耗深度明显降低,磨耗分布范围有所增加;五级谱、六级谱下车轮圆周磨耗深度较四级谱下的结果低;线路等级越差,车轮磨耗分布范围越宽;轨底坡的适当减小可使得车轮磨耗有一定降低;适当减小摩擦系数对于降低轮轨磨耗是有利的。

基于Braghin模型的机车车轮磨耗研究

针对D19E型内燃机车车轮磨耗问题,分析了越南铁路基本技术及D19E型内燃机车结构,采用SIMPACK软件建立了D19E型内燃机车动力学模型,并根据越南干线实际情况建立了线路模型。提出了基于机车动力学模型、FASTSIM算法与Braghin踏面磨耗模型为一体的车轮磨耗计算模型,并发展了相应的数值方法。利用该模型对D19E型内燃机车车轮磨耗进行了仿真分析,采用小波滤波平滑方法对踏面磨耗深度数据进行了平滑,并与现场实测结果进行了对比。研究结果表明,磨耗主要发生在踏面上(-50 mm^45 mm)范围内,轮缘根部处磨耗最大;踏面磨耗量的仿真结果与现场实测结果基本一致,说明该仿真模型能较好地模拟机车车轮磨耗的演化过程,可靠性高。

现代有轨电车线路轨底坡对槽型轨磨耗的影响

建立了槽型轨磨耗预测模型,包括考虑了独立旋转车轮的现代有轨电车车辆-轨道耦合动力学计算模型、基于槽型轨多点接触特性的轮轨接触模型以及Archard材料磨耗模型.通过与相关文献结果的对比验证了模型的有效性,并采用该模型分析了轨底坡对现代有轨电车通过小半径曲线轨道时槽型轨磨耗的影响.结果表明:轨底坡为1/60和1/20时,内外侧槽型轨轨面及轨距角位置磨耗相对集中,在X=18 mm附近位置钢轨磨耗影响较轻;相对钢轨磨耗量而言,设置轨底坡为1/20有利于减轻钢轨磨耗.

载流磨损的最佳法向载荷三维关系模型研究

以地铁第三轨受流为研究对象,试验了法向载荷对第三轨与受电靴之间载流摩擦磨损特性的影响。结果表明:载流磨损体积损失随着法向载荷的增大均呈现出现先快速减小而后缓慢增大的"U"形变化趋势,发现存在最佳法向压力,此压力下的磨损体积损失最小,且随着速度的增大最佳法向压力相应增大。建立了W-F-V模型(磨损量-法向压力-速度三维关系模型)能与实际的试验结果较好的吻合,研究对于载流摩擦磨损状态的预测,及最优磨损条件的选择等都具有积极的意义。