考虑轮轴过盈配合的地铁车轮踏面制动温度场和应力场研究

【目的】地铁车轮受力复杂,不仅受轮轨耦合力和轮-轴过盈配合产生的接触压力的影响,还受制动过程中产生的热载荷的影响。【方法】以某单S型辐板地铁车轮为研究对象,在ABAQUS软件中建立了地铁车轮有限元模型,分析了轮轴过盈配合对车轮在直线工况下机械应力分布的影响。建立了道岔工况下车轮踏面制动时的热-力耦合模型,采用直接耦合法研究了车轮温度场和应力场的变化规律,研究了不同磨耗量下车轮的机械应力和热-机耦合应力对车轮结构强度的影响。【结果】结果表明:制动时热载荷主要影响靠近踏面的结构部分,靠近轮毂部分受轮轴过盈配合影响大;新车轮与磨耗到限车轮辐板处的耦合应力最大相差69.3 MPa;车轮直径在820~840 mm区间内耦合应力比较稳定,浮动只有9.1 MPa.【结论】该研究为地铁车轮结构设计提供了科学的依据,对地铁车轮的维护工作具有良好的指导作用。

车轮多边形情况下轮轨接触算法

接触斑的法向应力分布是轮轨动力学分析和轮轨磨耗计算的基础。铁路车辆采用的磨耗型踏面出现多边形时,接触点处的轮轨横向曲率和纵向曲率都随接触位置的变化而变化,此时最常用的赫兹接触方法的精度难以保证。非赫兹方法的计算精度高,但其效率不能满足工程计算要求。应用非赫兹方法分析了车轮多边形引起的轮轨纵向曲率变化对接触斑的影响,发现当车轮多边形波长大于65 mm时,多边形对接触斑应力分布的影响可忽略不计。然后提出了改进的半赫兹方法,并对不同接触位置的接触斑形状和应力分布进行对比分析,结果表明:多边形波长大于65 mm时,改进的半赫兹方法在与非赫兹方法的结果保持一致的同时,大大缩短了计算时间。

重载铁路货车轮径差与车轮圆周磨耗关系的试验研究

文中采用神华重载铁路模拟状态修运行试验数据,对运用20万km的C80型敞车车轮踏面圆周磨耗情况进行统计分析,比较初始设置不同轮径差、踏面圆周磨耗轮对运行20万km后轮径差分布和踏面圆周磨耗量的影响,并使用假设检验的方法对影响的显著性进行验证。

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。

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.

动车组踏面凹型磨耗对车辆稳定性的影响

针对某型高速动车组在运行过程中出现构架横向报警的问题,建立考虑踏面凹型磨耗的动车组动力学模型.通过仿真分析和现场试验相结合的方法,研究不同运行里程凹型磨耗踏面与钢轨的轮轨关系以及凹磨踏面对车辆稳定性的影响.研究结果表明:镟修踏面与钢轨匹配时轮轨接触点呈现均匀分布,凹型磨耗踏面轮轨接触点主要分布在凹磨区域两侧;随着轮对横移接触点发生跳跃,产生假轮缘效应,引起剧烈的轮轨横向冲击;随着凹磨加剧车辆稳定性逐渐降低,当车辆高速运行过程中,凹磨踏面对应构架蛇行带来横向振动频率与构架自身的固有振动频率接近,容易发生横向耦合振动,使得横向加速度超过限制值;踏面凹磨是造成构架横向报警重要原因,通过轮对镟修能够有效抑制构架报警情况发生.

轨道参数对高速道岔轮轨接触行为的影响

为研究60N钢轨350 km/h 18号高速道岔合理的轨距和轨底坡,利用60N钢轨高速道岔关键断面和实测LMA磨耗车轮,基于迹线法原理和Kalker三维非赫兹滚动接触理论,分析不同轨距和轨底坡参数下的轮轨接触几何和力学特性,并与CHN60钢轨高速道岔计算结果进行对比.结果表明:在保证安全的前提下适当将轨距加宽可改善轮轨匹配关系,提升列车过岔平稳性,减小轮对横移量大于8 mm时的轮轨接触应力和表面滚动接触疲劳因子,延长尖轨使用寿命;轨底坡为1/30、1/40和1/50时,轮轨接触参数相差较小,匹配性能较优;轨底坡为1/10和1/20时,横向不平顺和轮轨滚动接触疲劳因子普遍较大,且1/10轨底坡对车轮磨耗的适应性较差;与CHN60钢轨高速道岔相比,60N钢轨高速道岔的等效锥度普遍更小,列车过岔平稳性更优;车轮磨耗易导致车轮在轮轨过渡区段空转,引起尖轨伤损.

铁路车辆磨耗型车轮的三维热接触耦合分析

建立了铁路车辆磨耗型踏面LM、LMA、XP55、S1002四种车轮与60 kg/m钢轨热接触耦合的三维有限元模型,利用大型有限元分析软件MSC.Marc分析了在不同载荷工况下,车轮与钢轨抱闸滑行时的应力场和温度场的分布规律和变化规律,分析了温度场对应力场的影响,并分别得出了在弹性模量、热导率、比热容、线膨胀系数等材料属性随温度变化的情况下,与相应参数恒定时的应力场与温度场分布,分析了各参数对计算结果的影响.结果表明,线膨胀系数与比热容对耦合分析结果的影响最大,弹性模量次之,热导率的影响最小.

轮轨多点接触计算方法研究

在迹线法基础上进行轮轨接触几何关系计算,结合插值法获得轮轨间距离函数,对其求解一阶和二阶导数,根据该导数的极值点性质以及轮轨间弹性压缩量,导出轮轨多点接触计算与判定方法。以LMA型踏面与CHN60钢轨配合为实例,将新轮、新轨的接触情况与磨耗后的轮轨接触相对比,验证多点接触计算方法的可行性和有效性。研究结果表明:车轮踏面外形磨耗后,轮轨间易发生两点接触。

机车车辆曲线通过时轮轨磨耗指标的合理确定

本文介绍了一种新的轮轨磨耗指标——轮轨接触斑处所消耗的功,作为机车车辆曲线通过时的一项重要性能参数,为轮轨磨耗提供了合理的评价准则。并利用非线性动态曲线通过程序,计算了韶山4型电力机车在小半径曲线上的轮轨磨耗指标,从理论上定量地证实了凹形踏面较锥形踏面的优异性能。

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。

磨耗后轮轨型面接触关系及线路适应性分析

在高速动车组的动力学试验中发现,车辆在跨线运行时构架横向谐波振动显著增大,该现象通常与车辆轮轨关系有直接的关联。通过对钢轨和车轮踏面进行测试来研究动车组实际轮轨接触关系,并基于不同线路钢轨和车轮踏面廓形存在的差异,分析轮轨接触关系出现差异的原因。分析结果表明,轮对横移量为0~3 mm范围内的等效锥度水平较大是造成车辆异常振动的原因;车轮踏面斜率的绝对值不同是造成不同车辆在匹配相同线路时接触关系存在差异的原因;钢轨轨头圆角高度和轨顶位置不同是造成动车组在跨线运行时接触关系不同的原因。因此,不同线路应精确控制钢轨廓形,避免钢轨轨头圆角高度和轨顶位置差异过大,从而改善动车组跨线运行时的轮轨接触关系,提高动车组的线路适应性。

60N钢轨高速道岔与磨耗车轮接触特性分析

为研究速度350 km/h 60N钢轨18号高速道岔与LMA磨耗车轮间的静态接触特性,根据迹线法和三维非赫兹接触理论,计算道岔转辙器区尖轨不同顶宽截面和磨耗车轮匹配时接触几何及力学参数,与CHN60钢轨高速道岔对比。研究表明,60N钢轨上接触点分布更加集中且靠近钢轨中心,等效锥度更小;当轮对横移量在6~10 mm时,60N钢轨上的法向接触应力普遍更小,不易出现接触疲劳;随着车轮磨耗量的增加,接触点在60N钢轨上的分布越来越分散,等效锥度越来越大;在尖轨顶宽35 mm处,标准轮轨的接触点集中在尖轨顶部,接触应力较大且容易发生滚动接触疲劳;车轮磨耗量增大或在较大的轮对横移量下都易导致钢轨进入表面滚动接触疲劳区。

地铁车轮凹陷磨耗对踏面接触应力的影响

针对地铁列车运营后出现的车轮踏面滚动接触疲劳现象,利用有限元软件ABAQUS建立考虑轮轨真实几何关系的三维弹塑性轮轨接触数值仿真模型,结合现场调查车轮磨耗结果和轮轨接触几何关系分析,计算分析车轮不同凹陷磨耗状态对踏面材料应力应变状态的影响。研究结果表明:车轮踏面主要凹陷磨耗区域为车轮踏面横向位置-30~50 mm处,轮轨接触几何关系呈强非线性特性,其轮轨接触点位置集中在车轮踏面横向位置20~32 mm或-32^-20 mm。车轮不同凹陷磨耗状态下的轮轨接触状态差异显著,在磨耗突变区(-30^-20 mm)轮轨接触斑呈狭长椭圆分布,导致相同载荷下轮轨接触应力较大。当轮对向外轨横移时,车轮凹陷磨耗接触区域材料易进入屈服状态,此时车轮踏面沿接触斑深度方向0~3.6 mm范围内Von-Mises等效应力最大,踏面表层材料等效塑性应变最大。车轮踏面出现凹陷磨耗后,车辆频繁地通过小半径曲线时易在磨耗突变区造成较高的等效应力和等效塑性应变,从而导致轮缘根部表面材料产生剥离损伤。

高速动力车磨耗型车轮踏面的参数研究

本文以正在研制的高速动力车为样车，采用三次样条函数法确定轮轨几何关系，运用非线性运动稳定性分析的数值分叉方法，在兼顾曲线通过性能的前提下，选取多种磨耗型车轮踏面，研究踏面有关参数对高速动力车运动稳定性及轮轨接触应力的影响，优化选择适合我国高速铁路需要的磨耗型车轮踏面。

钢轨廓形偏差对动车组构架横向振动的影响

基于实测高速铁路轮轨型面数据,分析不同偏差的钢轨廓形分别与新车轮、磨耗车轮匹配时的轮轨匹配状态,通过动力学仿真对比了不同轮轨型面匹配条件下动车组构架横向振动加速度时频特性。结果表明,不同轮轨型面匹配条件下的名义等效锥度随负偏差减小而增大,随正偏差增大而增大;不同偏差钢轨廓形对应轮轨接触点分布与现场钢轨光带分布特征对应,负偏差钢轨廓形对应轮轨接触范围相对集中,正偏差钢轨廓形对应的轮轨接触范围相对分散;钢轨廓形偏差由-0.4 mm到+0.8 mm,构架横向振动加速度呈现明显增大趋势,较大正偏差钢轨廓形与磨耗车轮匹配时构架横向振动幅值和振动剧烈程度明显增大,正偏差增大可能引起构架蛇行失稳,出现8~10 Hz的抖车频率特征;构架横向振动加速度随车速提高而增大;较大负偏差钢轨廓形与新车轮匹配时,车速提高将增大构架1.5 Hz低频振动幅值,加剧构架横向振动,增加车辆低频失稳风险。

成贵客专动车组异常抖动原因分析及治理

针对成贵客专某型动车组出现的异常抖动问题,现场对动车组异常抖动区段的轨面状态、钢轨廓形进行调查,结合轨面状态、实测车轮踏面及实测发生抖车工况的动车组车体加速度测试结果,从轮轨关系角度分析动车组发生异常抖动的原因。成贵客专动车组出现异常抖动主要发生在车站道岔区段,原始廓形为60轨,长期未进行廓形修整导致钢轨廓形不良、轨头扁平,与实测磨耗车轮匹配时锥度过大,引起轮轨关系恶化,蛇行运动能量急剧增大。通过廓形打磨,钢轨廓形得到有效修复,钢轨光带分布合理,轮轨关系得到有效改善,动车组异常抖动问题得到有效解决。

350km/h动车组车轮磨耗对动力学影响研究

为探究中国350 km/h的动车组的车轮磨耗变化及其动力学性能变化,对运营中的某350 km/h的新型动车组进行踏面磨耗跟踪测量,发现车轮在镟修周期内出现了踏面凹型磨耗和轮缘根部磨耗问题。从轮轨接触关系开始对上述发现进行研究,并通过SIMPACK软件仿真模拟,探究在高速下该型车轮磨耗的增加对车辆的动力学性能(包括非线性临界速度、曲线脱轨系数、车辆平稳性指标、磨耗功率)的影响。研究结果表明:350 km/h高速运行的新型动车组,其车轮磨耗主要为踏面滚动圆处的凹型磨耗与轮缘根部磨耗;伴随着车轮磨耗的增加,轮轨接触发生改变,滚动圆两侧的疲劳损伤愈加明显,车辆的动力学性能不断恶化。最后就车轮的磨耗的发生位置与其特点提出了几点建议。

高速铁路轮轨匹配特性分析

为改善高铁动车组因车轮踏面中央凹形磨耗恶化的轮轨关系,对比分析了高速铁路各型车轮踏面的轮轨匹配特性。凹形磨耗车轮因丧失重力刚度恢复力反馈响应,导致轮轨蠕滑增大,不良接触愈演愈烈。对比LMA、S1002G和XP55及典型凹形磨耗型面的匹配关系发现,型面选配需合理匹配转向架悬挂特性。LMA大接触斑和轨顶中心的接触位置易于形成共形接触,不利于延缓凹形磨耗;S1002G等效锥度及接触点位置在更窄的轨道窗口内非线性变化,不利于磨耗均匀发展,踏面名义位置处接触斑面积的峰值特征易形成集中磨耗;XP55保持锥度、接触斑面积的(近)线性变化,靠近钢轨工作边轨距角7 mm的初始钢轨接触位置利于克服轨顶共形接触。可借鉴XP55理念优化高速轮轨匹配关系。

抗蛇行减振器对车轮磨耗后转向架稳定性的影响研究

基于某设计运行速度为120 km/h的新型地铁车辆,利用SIMPACK多体动力学软件对转向架进行建模,仿真分析磨耗轮状态下、车辆在安装抗蛇行减振器前后的临界速度。使用机车车辆滚动振动试验台对该型转向架进行滚振动力学试验,并对比在安装抗蛇行减振器前后车辆的稳定性。研究结果显示,在车轮磨耗状态下,安装抗蛇行减振器时的车辆蛇行临界速度高于160 km/h,不安装抗蛇行减振器时的车辆蛇行临界速度低于120 km/h。这说明安装抗蛇行减振器能够显著提高车轮磨耗后车辆的稳定性。