关键词： 钢轨脱碳层   瞬态滚动接触   显式有限元法   黏滑分布   塑型变形  

摘要： 采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型,将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆—轨道高频动力作用充分考虑在内,采用'面-面'接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为,得到了随时间变化的法、切向接触解。对比发现,屈服应力较低的脱碳层会增大钢轨表层的塑性变形,使得轮轨接触斑和黏着区增大,而最大法、切向接触应力和摩擦功相应降低;厚度有限(一般小于1 mm)的脱碳层对接触斑形状与尺寸的影响可忽略,但对接触应力、黏滑分布和摩擦功的影响不可忽略。脱碳层增厚会加大表面数层单元的总塑性变形,但第一层单元的塑性变形会因变形的再分布而稍稍变小。脱碳层的纵向不连续会使轮轨力、接触应力均在边界上呈现重要变化,车轮由带实测脱碳层钢轨滚入无脱碳层钢轨时,法、切向轮轨力会出现幅值分别为0.32和1.14 kN的动态力,相应的最大法、切向接触应力和摩擦功较脱碳层钢轨上的稳态值分别增加4.42%、19.71%和83.19%。某些条件下,这些突变或可引发不均匀磨耗,进而导致原本平顺的轨面上出现几何不平顺。

关键词： 轮轨   滑动   对流换热   接触特性  

摘要： 建立模拟轮轨滑动接触的热弹塑性有限元三维模型,以2种滑动速度为例研究机械荷载作用下对流换热系数对接触区的温度、接触斑的大小以及最大等效应力等轮轨接触特性的影响。研究结果表明:各研究工况下轮轨滑动摩擦热均能使接触区域达到相变温度;轮轨接触区的温度、接触斑的大小以及等效应力在有、无对流换热系数2种情况下差异显著,故对流换热系数在对轮轨滑动状态进行数值分析时不应忽略;对流换热系数的变化对接触特性的影响与滑动速度有关,建议2 m/s及以上速度的研究中对流换热系数可以取为定值,但在1 m/s及以下速度的研究中,对流换热系数的准确选取需进行深入研究。

关键词： 钢轨波磨   车辆轨道耦合动力学   轮轨   磨损   残余波磨  

摘要： 概述了钢轨波磨研究现状及现有钢轨波磨计算模型。基于刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型、改进的轮轨非赫兹滚动接触力学模型、钢轨材料摩擦磨损模型和磨耗叠加计算模型,建立整车-无砟轨道钢轨波磨计算模型。其中刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型可以同时考虑钢轨、轨道板柔性以及钢轨周期离散支撑条件等因素;改进的三维非赫兹接触模型考虑不均匀磨损对轮轨接触的影响;材料摩擦磨损模型考虑自旋对磨耗的贡献。钢轨波磨计算模型考虑了轮轨之间的动力作用对波磨形成和发展的影响,以及波磨导致接触表面改变后其对轮轨接触及动力学的反馈作用。该模型可以模拟整车八个车轮和钢轨相互作用所形成的波磨。利用该模型再现了现场残余波磨的初期演化情况,该项研究可为钢轨波磨的减缓和治理提供理论基础和技术手段。

关键词： 高速铁路   轮轨关系   钢轨波磨   车轮多边形   车轮镟修  

摘要： 结合我国高速铁路车辆运用实践及试验数据,探讨高速铁路轮轨关系发展中的相关技术。研究高速铁路晃车、横向加速度报警的影响因素,指出车辆晃车与横向加速度报警具有对立统一性,并提出轮轨匹配等效锥度是诱发车辆横向加速度报警的主要原因;阐述高速铁路钢轨波磨及动车组车轮多边形发展的特点及影响因素,初步指出造成钢轨波磨与动车组车轮多边形的原因是轮轨系统不良而诱发的耦合振动,二者具有明显的相生相伴特征;针对目前轮轨关系存在的技术问题,建议开展线路条件下的轮轨关系服役技术研究;为维持良好的轮轨关系,应充分结合动车组运用状态、线路运用状态以及动车组运营组织特点,制定合理的车轮镟修及线路打磨策略。

关键词： 高速铁路   轮轨关系   硬度匹配   摩擦磨损   轮轨磨耗  

摘要： 针对我国高速铁路轮轨关系中钢轨磨耗小、车轮存在凹磨和多边形磨耗、车轮镟修周期短和维护成本高等问题,从轮轨硬度匹配角度,开展轮轨材质硬度摩擦磨损小比例试验、现场轮轨磨损规律测试试验、轮轨磨耗仿真计算等研究,对轮轨硬度匹配指标和方案进行探讨。研究结果表明,轮轨硬度比控制在1.00∶1.00以上,可有效减小车轮磨耗;提高车轮硬度,可抑制和减缓多边形磨耗的产生。建议适当提高我国应用车轮的硬度,推广我国自主研发的强韧性兼备高硬度车轮,延长车轮镟修周期,节约养护维修成本。

关键词： 预防性打磨   修理性打磨   轮轨润滑  

摘要： 文章首先简述了钢轨打磨和轮轨润滑对钢轨维护的意义,再通过对钢轨打磨的和轮轨润滑的研究,准确掌握预防性、修理性打磨的周期及轮轨润滑的频次,在钢轨维护中及时应用,达到延长钢轨使用寿命的目的。

关键词： 轮轨接触   轮轨冲角   激光线   图像处理算法   椭圆检测  

摘要： 随着铁路高速化和重载化发展,轮轨间相互作用更加剧烈,容易引发轮轨间磨耗严重、接触疲劳和脱轨等故障,所以监测、分析轮轨接触参数对行车稳定性和安全性有重要意义。列车通过大坡道和小半径转弯区域时会引起轮轨接触状态多变,冲角增加,从而导致非正常磨耗增加。冲角作为轮轨接触状态评估的一个重要指标,不仅在提高行车安全性及舒适性方面起决定性作用,也是轮轨磨耗测量中的重要参数。本文分别就列车在直行和转弯两种场景下的轮轨接触冲角变化量进行研究,针对两种场景特性分别利用不同数字图像检测方法来实现轮轨冲角检测。列车在直行情况下,因车体存在蛇形运动使轮轨间易产生轮轨位移、侧滚和冲角。文中将安装在转向架上的CCD传感器和红外激光源组成冲角图像检测装置,使激光线照在轨面上且与轮对运行方向一致,以此表示轮对运行方向,通过相机获取轨面图像来获取激光线和轨道边缘图像,并通过图像滤波、特征检测、直线拟合等步骤确定轨道边缘线和激光线准确位置,由此计算两者在图像中的角度,即轮轨瞬时冲角。列车通过转弯区域时,轨道弯曲程度不同导致轮轨接触情况复杂,使大冲角和大位移的情况时常发生。本文提出一种基于图形几何映射关系模型的轮轨冲角检测方法,该方法在相机成像原理的基础上,将相机固定在列车转向架的特定位置,构建几何成像模型使图像中车轮几何形态与其空间位置成单一对应关系,由此将车轮偏转角的检测转化为椭圆短轴测量,通过数学模型计算得出偏转角与图像椭圆在数值上的对应关系,并由车轮图像信息得到冲角量。为了确保轨道边缘检测的准确性,文中运用广义插值傅立叶变换来加快radon变换并改变最小插值误差来调节GIFT参数。另外针对背景复杂,噪声严重的车轮图像,使用基于边缘曲率及区域搜索的椭圆检测优化算法进行椭圆检测,并误差范围内,应用建立的映射模型实现了冲角检测。在最后,分别针对两种方法进行了模拟检测实验,以此验证方法的合理性和有效性。

关键词： 轮轨关系   非Hertz接触   法向接触   切向接触   多点接触   车轮凹形磨耗   滚动接触疲劳   钢轨磨耗  

摘要： 相对于传统普通铁路,高速铁路轮轨动力相互作用对轮轨关系的变化更加敏感,轮轨磨耗导致的轮轨接触几何变化在高速行车的条件下可能会显著改变车辆-轨道耦合动力学性能,对行车安全性、稳定性和舒适性造成极大威胁。与此同时,高速行车给轮轨材料带来了更大的挑战,轮轨材料的劣化、损伤随着高速铁路运营时间的增加逐渐暴露出来。因此,有必要研究高速轮轨相互作用机制,探讨轮轨磨耗和损伤演变规律。轮轨接触理论是研究轮轨动力相互作用的基础,轮轨非Hertz接触理论可以更好的解释轮轨动态相互作用原理。鉴于此,本文考虑到现有轮轨非Hertz接触理论在动力学计算中的不足,提出了一种新的适用于轮轨动力学计算的非Hertz接触算法,基于非Hertz接触原理研究了高速轮轨动力相互作用以及轮轨材料磨耗、损伤的基本特征。首先,系统的研究了可用于轮轨动力相互作用以及轮轨磨耗计算的常用轮轨法向接触算法,包括Hertz接触理论、三种基于虚拟渗透的非Hertz接触算法(Kik-Piotrowski方法、半Hertz接触算法以及ASD方法)以及Kalker完全理论。基于Kalker完全理论和NORM算法编制了S-CONTACT软件法向接触模块,利用Hertz接触理论结果以及CONTACT软件的计算结果验证了S-CONTACT软件的正确性。将S-CONTACT软件的计算结果作为标准,探讨了现有的Hertz接触和基于虚拟渗透的非Hertz接触简化算法在动力学计算中存在的问题。基于Kik-Piotrowski方法的思想提出了一种更稳健的非Hertz接触算法(MKP方法),通过与S-CONTACT软件和Kik-Piotrowski方法在计算典型的Hertz接触、典型的两点接触、标准轮轨踏面接触和磨耗轮轨踏面接触三种计算工况时计算结果的对比验证了MKP模型。结果表明:MKP方法在计算精度和计算稳定性方面都优于Kik-Piotrowski方法,但是计算效率略低于Kik-Piotrowski方法;相对现有的非Hertz法向接触算法,MKP方法更适合于实时的轮轨动态非Hertz接触分析。其次,介绍了常用的轮轨切向接触算法,包括Kalker线性理论、Shen–Hedrick–Elkins理论、Kalker简化理论、FaStrip算法以及Kalker完全理论。基于Kalker完全理论TANG算法和ConvexGS算法编制了S-CONTACT软件切向接触模块,并用Kalker线性理论以及CONTACT软件的计算结果验证了S-CONTACT软件切向接触求解模块的正确性。以S-CONTACT软件计算结果作为标准,分析了非Hertz接触斑的四种等效椭圆方式对非Hertz线性蠕滑系数的影响,对比了FASTSIM和FaStrip算法的选取对轮轨切向接触精度的影响。对比结果表明:使用MKP方法计算轮轨法向接触,使用Kik-Piotrowski方法中等效椭圆的方法计算系数C以及柔度系数L,同时使用FaStrip计算轮轨切向接触可以得到与S-CONTACT软件相对接近的计算结果,适合于车辆-轨道耦合动力学计算。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑轮轨非Hertz接触的高速车辆-无砟轨道耦合动力学模型。提出了考虑轮对摇头影响的MKP轮轨非Hertz接触模型,以满足动力学计算对轮轨接触的要求;发展了步进式窗口算法,以满足高效、快捷的模拟车辆在无限长轨道上运动的要求。基于上述动力学模型以及轮轨非Hertz动态相互原理编写了仿真计算软件TTAP(动力学模块);利用多体动力学软件SIMPACK和相关文献结果验证了TTAP软件计算结果的正确性和可靠性。接着,探讨了高速动车组车轮磨耗的主要形式——踏面凹形磨耗的形成原因及其与钢轨接触时的静态、动态相互作用特征。通过与无磨耗车轮的对比,分析了车轮凹形磨耗在轨道随机不平顺激扰和焊缝不平顺激扰下对轮轨垂向力和轮轨横向力的影响。此外,基于安定图和损伤函数研究了车轮凹形磨耗对车轮滚动接触疲劳的影响。结果表明:车轮凹磨会显著改变轮轨接触关系,当凹磨深度较小时会形成共形接触,凹磨深度较大时会在凹磨中心两侧形成两点接触;相对于无磨耗车轮,车轮凹磨在轨道随机不平顺激扰下对轮轨力的影响不大,但是由于车轮凹磨会形成轮轨接触刚度增大的区域,在特定情况下会对通过焊缝时的轮轨力造成较大影响;踏面凹磨会对滚动接触疲劳产生直接影响,特别是对于凹磨严重的车轮可能会在凹磨中心外侧产生疲劳斜裂纹。最后,提出了一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨非均一磨耗演化预测模型。模型中利用考虑轮轨非Hertz接触的车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动力相互作用;利用S-CONTACT进行局部的轮轨滚动接触分析,利用Sheffield大学开发的磨耗模型计算钢轨材料磨耗;根据钢轨服役特点,发展了一套采样和叠加策略以得到特定横断面的钢轨磨

关键词： 小号码道岔   转辙器   轮轨接触   脱轨机理   准静态条件   动态条件  

摘要： 道岔是线路上的薄弱环节,其轮轨关系较区间线路更为复杂,导致道岔区的行车安全性更值得关注。特别是小号码道岔,由于其铺设条件及养修状态较正线道岔及高速道岔更为恶劣,车辆脱轨事故频发。本文在总结国内外车辆脱轨理论研究现状的基础上,基于轮对模型对小号码道岔转辙器区的脱轨理论开展了深入的研究,主要研究内容如下:1.转辙器区轮轨接触关系研究通过对尖轨轨头刨切过程的分析,推导了尖轨平面线型和尖轨降低值等设计参数与尖轨轨头水平刨切路径和垂直刨切路径之间的对应关系,建立了尖轨空间三维型面及尖/基轨组合型面的计算方法,并与目前普遍采用的型面插值法进行了对比,验证了本文所提出的计算方法的精确性。针对道岔转辙器区复杂的轮轨接触状态,通过对转辙器区进行划分,较为详细的阐述了转辙器区可能出现的轮轨接触情况;在迹线法的基础上,通过对车轮进行分区域划分,解决了转辙器区轮轨多点接触求解的难题。结合尖轨空间三维型面及尖/基轨组合型面的计算方法,编制了转辙器区轮轨接触几何计算程序,既可在静态及准静态条件下对不同横移量及摇头角下的轮轨接触状态进行分析,又可作为轮轨系统动力学模型中的子程序。2.准静态条件下轮对脱轨理论研究建立了三维条件下轮对的脱轨分析模型,推导了车轮三维脱轨系数限值和轮重减载率限值的计算方法;从理论和试验两方面,对比了Shen-Hedrick-Elkins蠕滑力模型、Polach蠕滑力模型和Fastsim简化蠕滑模型计算的轮轨法向力、蠕滑力及脱轨系数的差异,确定了以Shen-Hedrick-Elkins蠕滑理论为基础的脱轨安全限值求解方法;研究了轮对摇头角(冲角)、摩擦系数、最大轮轨接触角和静轮重等因素对脱轨系数限值和轮重减载率限值的影响规律。3.准静态条件下转辙器区行车安全限值研究运用转辙器区轮轨接触几何算法及轮对准静态脱轨理论,分析了轮对在转辙器不同断面位置处脱轨过程中的轮轨接触几何关系特征,指出车轮在转辙器区脱轨过程中可能存在两次爬轨过程,并根据轮轨接触几何关系结果对转辙器二维条件和三维条件下的脱轨安全限值进行了研究。4.转辙器区轮对动态脱轨行为研究建立了适用于转辙器区动态脱轨分析的弹性定位轮对动力学仿真模型,采用将求解轮轨法向弹性压缩量转化为求解轮轨垂向相对位移的方法,实现了对轮轨接触及分离状态的判别,更适用于轮对动态脱轨的仿真分析。对轮对侧逆向和侧顺向通过转辙器时的动态脱轨行为进行了仿真研究,结果表明,轮对侧逆向通过转辙器时,车轮在尖轨顶宽5mm0mm范围内容易爬上尖轨;而轮对侧顺向通过转辙器时的爬轨点则位于尖轨顶宽5mm前的基本轨上,即车轮的爬轨过程是在基本轨上完成的。由此造成轮对侧逆向通过转辙器时脱轨风险要明显高于侧顺向通过转辙器的情况,因此应特别注意防范轮对侧逆向通过转辙器时脱轨的发生。5.小号码道岔转辙器行车安全性提升技术对小号码转辙器区的行车安全性限值与我国现行的行车安全性评价指标限值进行了对比,表明我国现行车辆安全性评价指标限值在尖轨顶宽5mm5mm范围内并不适用。考虑到对小号码转辙器区制定专门的评价指标限值并不现实,以此确定了从岔前平面线型和尖轨降低值优化两个方面对小号码道岔转辙器区行车安全性进行提升的技术路线,并以5号单开道岔为例进行了相关研究。