关键词： 轮轨滚动接触   高速铁路   波浪形  

摘要： 随着高速铁路的不断发展,轮轨滚动接触问题愈加突出,因此,倍受国内外学者的关注。轮轨滚动接触问题涉及的范围较广且较为复杂,并在一定程度上引发轮轨的疲劳损伤和波浪形磨损等破坏形式。基于理论分析和试验研究两个方面,着重对轮轨滚动接触的发展历史和研究现状进行了总结和分析,并综述了轮轨滚动接触疲劳和钢轨波浪形磨损的研究现状。从现有的研究成果来看,轮轨滚动接触理论已相对较为完善,而对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的形成机理研究仍未形成系统的理论体系。

关键词： 激光熔覆   轮轨材料   磨损   Fe基合金   氧化镧  

摘要： 重载化是铁路运输发展方向之一,重载铁路的主要特点是大轴重和大运输量。重载铁路技术的不断发展,为现代社会进步做出重要贡献,但重载铁路系统中的一些问题也逐渐暴露出来,而轮轨的磨损就是其中最重要的问题之一。激光熔覆作为先进的表面处理方法,许多轮轨研究学者已经将其应用于轮轨材料表面处理,通过激光熔覆技术对重载轮轨材料表面进行处理,使重载轮轨的磨损有所减缓,这不仅能够提高铁路运输安全性同时又可以减少铁路运输成本。论文所用激光熔覆材料是Fe基合金粉末,以及添加0.4%、1.2%、2%氧化镧后的Fe基合金粉末,所用设备为CO2激光器(TR-3000),对车轮和钢轨试样表面激光熔覆处理后,分别获得具有四种Fe基合金激光熔覆涂层的轮轨试样,通过维氏硬度仪测量激光熔覆涂层的硬度、使用扫描电子显微镜观察熔覆层微观组织结构、元素分布及利用x射线衍射仪分析熔覆层物相组成等。在干态下和油润滑条件下,利用MMS-2A滚动磨损试验机分别研究了激光熔覆处理轮轨试样的磨损性能及滚动接触疲劳性能,使用测量分析设备如维氏硬度仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪及光学显微镜等,对轮轨试样的磨损与损伤进行了分析。所得出的主要结论如下：1、轮轨试样的激光熔覆层组织均匀致密,未发现明显的气孔、裂纹,熔覆组织主要有两种,分别是晶组织和枝晶组织;结合区附近主要为粗大柱状晶组织,中部至表层出现胞状晶、树枝晶;主要组成相为(Fe,Ni)和Cr7C3;激光熔覆Fe基处理使轮轨试样表面硬度得到较大提高;氧化镧的加入,改变晶界的结构,降低晶界张力和促使晶粒长大的驱动力,使晶粒发生细化,从而使组织更加均匀,共晶组织结构明显细化并且弥散度增大。2、轮轨试样进行Fe基熔覆处理后,枝晶组织具有较好的韧性,网状共晶组织具有较高硬度,二者相互作用,形成了特殊结构,使熔覆试样具有极高的表面硬度,同时具有较好的韧性,其抗磨损性能明显增强,磨损率分别降低了32%和42%,有效地减缓了试样的表面损伤、表层塑性变形及裂纹的扩展,Fe基熔覆处理使轮轨试样的磨损机制发生变化,由为疲劳磨损变为了轻微疲劳和轻微粘着磨损。3、添加氧化镧后,氧化镧在晶界处偏聚,阻碍晶粒长大,使晶界得到强化,促使晶粒之间的滑移容易传递,有利于表层组织中微裂纹顶部的应力松弛,增大裂纹扩展的阻力,使材料的磨损降低,1.2%氧化镧对激光熔覆车轮和钢轨试样的强化作用最好,磨损率分别降低约为46%和76%,且抵抗表层裂纹出现及扩展的能力最好。4、在油润滑条件下激光熔覆处理后轮轨试样的表面损伤轻微,试样的抗疲劳剥离性能明显提高;添加氧化镧后晶界杂质减少,熔覆层组织得到改善,晶粒不易碎裂,共晶组织细化弥散度增大,材料韧性增强,试样表面剥离损伤进一步减轻,其中添加1.2%氧化镧后,试样的滚动接触疲劳性能最好。

关键词： 地铁车辆   LM磨耗型踏面   DIN5573磨耗型踏面   动力学性能   磨耗  

摘要： 随着社会经济的迅猛发展,城市化进程不断加快,地铁作为一种方便、快捷、环保的交通工具,在提高城市居民出行效率,缓解交通拥堵等方面发挥了重要作用。与大铁路车辆相比,地铁车辆运营速度较低,运行线路处于地下,而且具有曲线半径较小,运行线路固定的特点,这些特点导致了其较为特殊的轮轨关系。此外,城市轨道交通系统现已成功开行120km/h的快速地铁车辆,速度的提高不仅会影响车辆运行平稳性和安全性,还会影响轮轨间的磨耗。因此,研究不同踏面对不同速度地铁车辆的动力学性能、磨耗的影响具有较为重要的意义,也为地铁车辆的车轮踏面的选择和检修、曲线线路设计等提供了理论基础。本文阐述了国内地铁车辆的发展概况和地铁车辆的种类,简要叙述了国内外对轮轨磨耗研究的现状。本文以多体动力学基本原理为基础,通过基本假设和线性关系处理等方法,采用系统动力学仿真软件SIMPACK建立了地铁车辆的动力学模型。在相同条件和工况下,仿真模拟80km/h和120km/h地铁车辆分别匹配LM磨耗型踏面和DIN5573磨耗型踏面,对比分析其以不同速度运行时的稳定性、平稳性以及曲线通过安全性等动力学性能。本文从轮轨接触的几何关系角度出发,对比LM磨耗型踏面和DIN5573磨耗型踏面的滚动圆半径差、轮轨接触角差和轮对等效锥度,并介绍轮轨间磨耗的计算模型,同时,采用霍依曼磨耗指数和爱因斯磨耗指数,分别对地铁车辆通过直线和曲线的情况下不同踏面对轮轨磨耗的影响进行分析比较。此外,本文研究了曲线线路技术参数,例如曲线半径大小、超高设置、缓和曲线长度,对地铁车辆动力学性能和磨耗的影响,并对120km/h地铁车辆曲线线路参数进行了简单的计算分析。分析结果表明：80km/h和120km/h地铁车辆分别匹配LM磨耗型踏面和DIN5573磨耗型踏面以不同速度运行时,车辆运行稳定性、平稳性以及曲线通过安全性等指标基本满足要求。在相同条件下,LM磨耗型踏面具有良好的曲线通过性能,而DIN5573磨耗型踏面在直线上具有良好的运行稳定性;从磨耗角度来看,因为直线上只考虑踏面和轨面间的磨耗,所以DIN5573磨耗型踏面的磨耗要小于LM磨耗型踏面,而曲线上考虑轮缘和轮轨接触,所以LM磨耗型踏面在曲线上体现出较好的磨耗性能。曲线线路技术参数的合理设置可以在不同程度上提高车辆动力学性能、降低磨耗,如增大曲线半径、设置一定的欠超高、增加缓和曲线长度。本文研究不同踏面对地铁车辆运行动力学性能的影响、轮轨间的磨耗以及线路技术参数的选择对运行性能的影响,为踏面的选择、曲线轨道参数的设置提供了理论依据。

关键词： 高速列车   轮轨关系   磨损   滚动接触  

摘要： 随着我国铁路客运不断地发展，列车运行速度越来越高，其安全性变得愈发的重要。高速列车车轮踏面磨耗之后，各动力学性能也会不同程度地下降，进而影响列车的安全运行。为了提高列车运行的安全性和舒适性，研究高速列车轮轨接触磨损是十分必要的。本文分析和总结了高速列车轮轨接触磨损的研究现状，利用SIMPACK软件在特定的轮轨接触下的高速列车的临界速度，计算结果表明，现有轮轨参数满足设计要求。

关键词： 重载货车   轮轨磨耗   SIMPACK   车辆参数   轨道参数  

摘要： 随着我国铁路货运量的迅速增长,重载运输已成为我国铁路货运的发展方向。然而,随着车辆运行速度及轴重不断增大,轮轨磨损日益严重。车轮和钢轨的维修及更换周期大大缩短,不仅使铁路运输成本增加,而且还对铁路正常运输带来一定的影响。轮轨磨损是轮轨系统所不可避免的,引起轮轨磨损的机理复杂。因此,研究和分析重载货车的轮轨磨耗,将有利于降低运输成本,减少环境污染和提高货物的运输效率,对我国重载运输事业的发展具有一定的现实意义。本文采用SIMPACK多体动力学分析软件建立重载货车动力学分析模型,考虑了货车系统中的非线性环节。在上述分析及建模的基础上,研究了车辆参数和轨道相关参数对轮轨磨耗的影响规律。并根据研究结果,总结了相应的减磨措施。下面为得出的主要结论：(1)车辆在线路上运行时,速度控制在一定范围内可有效降低轮轨磨耗,应该以比线路条件决定的最高行车速度略低为宜。(2)轮对纵向定位刚度、心盘旁承的摩擦系数及转向架的抗菱刚度对轮轨磨耗影响显著,横向定位刚度和中央悬挂横向刚度对轮轨磨耗影响较小。(3)轴重对轮轨磨耗影响显著,应改善由于轴重增加所引起的轮轨动作用力变大,轮轨磨耗加剧,以满足重载运输发展的需要。(4)减小轮轨间的摩擦系数一定程度上可以有效地减轻轮轨磨耗。但轮轨摩擦系数的大小必须经过严格控制,摩擦系数过高或过低对减缓轮轨磨耗都将产生不利的影响。(5)小半径曲线上轮轨磨耗较为严重。随着曲线半径的变大,轮轨磨耗显著降低。当曲线半径大于1200m时,磨耗指标随曲线半径的变化影响较小。(6)合理的设置欠超高和轨底坡可降低轮轨磨耗,改善重载货车曲线通过性能。

关键词： 驱动系统车辆耦合动力学   FASTSIM   粘滑振动   分岔   共振   极限环   参数匹配  

摘要： 驱动系统作为高速动车组簧下单元的重要组成部分,包含电机、齿轮箱等重要单元,各单元之间多采用弹性联接。在以往的车辆系统动力学研究中,多采用恒定速度,并未重视驱动系统的影响。事实上,由于车辆系统最基本的关系——轮轨关系的非线性,这体现在轮轨接触几何的非线性和轮轨力的非线性,车辆系统是一个复杂的非线性系统。驱动系统内的众多弹性元件也会对整个系统的稳定性造成影响。以往关于驱动系统的研究手段主要基于仿真和驱动系统的简化模型,并没有将驱动系统和车辆系统统一起来。作为车辆系统动力学的基础理论——轮轨接触理论已经大量应用于各种科研和工程实践,但对于大蠕滑工况下,蠕滑力随蠕滑率的增大而减小的现象,现有的轮轨接触理论并没有给出很好的解释,本文尝试在现有理论的基础上对简化理论程序FASTSIM进行修改,使之适用于大蠕滑工况下轮轨力的计算。轮轨间的粘滑振动对于车辆工程领域具有重要的影响,例如钢轨的波磨,车轮的磨耗,以及车辆过小半径曲线时产生的尖啸声。那么轮轨间的粘滑振动到底是怎么产生的,和哪些因素有关,如何合理优化设计参数来抑制轮轨间的粘滑振动,本文尝试从驱动系统——车辆系统耦合动力学的角度进行研究,并给出参数优化匹配的结果。本文主要工作有：(1)介绍几种理论对Kalker简化理论计算程序FASTSIM进行修改,使之适用于大蠕滑工况下轮轨力的计算与仿真。(2)建立详细的驱动系统动力学模型,对轮轨接触的非线性因素——蠕滑率、粘着系数进行线性化之后,得到系统的线性化模型,分析线性化模型的特征值,初步判断各参数对系统稳定性的影响。(3)建立包含非线性的轮轨接触关系、非线性轮轨力的轮对、单构架16个自由度以及驱动系统8个自由度公24个自由度的耦合动力学模型,并将其MATLAB中的仿真结果与SIMPACK中所建模型的仿真结果进行对比,验证了上述动力学模型的正确性。(4)利用上述模型分析了恒转矩牵引和恒功率牵引两种工况下驱动系统的相关参数对轮轨粘滑振动的影响,并发现了驱动系统与轮对纵向运动间的共振现象、驱动系统的分岔现象,以及轮对纵向振动的极限环现象。(5)提出了判断轮轨间粘滑振动稳定性的评判准则,根据轮轨间的滑动速度是否收敛,轮对的点头与纵向运动的稳定性得到了一系纵向刚度与齿轮箱吊挂垂向刚度的参数匹配曲线。

关键词： 和谐电力机车   轮缘   磨耗  

摘要： 本课题来源于和谐系列电力机车检修运用。轮轨磨耗是轮轨关系中重要课题。降低轮轨磨耗是重载、高铁铁路发展的关键技术之一。和谐系列电力机车轮缘存在异常磨耗,影响着机车运用效率和运行安全。本论文通过调研上海机务段所配属的HXDIB、HXD2B、HXD3等三类机车的转向架结构、机车运用线路状况、机车轮缘磨耗数据,获得了三类机车转向架结构参数、运用线路曲线情况和五种轮缘磨耗形式,即不同轴轮缘磨耗不均、同轴轮缘偏磨、同台架同侧偏磨、同台架异侧偏磨、前后转向架对角偏磨,其中不同轴轮缘磨耗不均主要表现为转向架中间轴轮缘磨耗量大于端轴。论文重点分析不同轴轮缘磨耗不均成因,分析认为影响该磨耗形式的主要因素是中间轴自由横动量。在此基础上,采用多体动力学分析软件SIMPACK建立了HXD2B机车的动力学模型,通过仿真分析进一步深入分析了机车中间轴自由横动量对中间轴轮缘磨耗的影响规律。

关键词： 轴重   磨损量   硬度   疲劳裂纹   摩擦磨损  

摘要： 轮轨作为铁路网最基础部件,其接触质量一直都受到人们广泛关注。尤其是在新的发展时期,既有线路能否在列车轴重变化后继续高效安全地发挥作用成为国内外学者深入研究的重要课题。本文利用MMS-2A型滚动摩擦磨损试验机分别模拟了轻载、重载工况下的磨损及损失作为参考,然后通过提高模拟轴重来研究轻载线路运行重载列车对轮轨磨损和损伤的影响,通过降低模拟轴重来研究重载线路运行轻载列车对磨损与损伤的影响。文章主要通过磨损量、硬度值、磨痕形貌及塑性变形和内部裂纹这几个角度来分析对比各组样品之间的差别。通过分析研究,本文得出如下结论：1、在轻载和重载工况下,轮轨接触区域表面硬度值在试验初期都快速增长,随后硬度值会在一个较高水平波动。轻载工况下,车轮与钢轨试样的主要损伤形式是疲劳裂纹,轮轨磨损量较低,但内部裂纹长度较长,有往材料内部扩展的趋势;重载工况下车轮与钢轨的主要损伤形式是磨损,轮轨磨损量较高,内部裂纹长度较短,主要集中在材料表层附近。2、当试验先模拟在轻载工况下运行,再逐渐提高模拟轴重后,轮轨磨损量急剧上升,磨损量增幅远大于轴重增幅。伴随着轴重的提升,轮轨接触表面硬度值还会缓慢增长,但增长幅度不大。轮轨疲劳裂纹长度逐渐缩短,裂纹扩展深度逐渐降低,轮轨的损伤形式逐渐从疲劳裂纹向磨损转变。所以有轻载工况运行经历的重载钢轨可以直接换行重载列车。3、当试验先模拟在重载工况下运行后,由于加工硬化效应,轮轨表面接触区域硬度值处于一个较高水平,再逐渐降低运行轴重后,较高的轮轨表面硬度值使得磨损量增长速度大幅度降低。随着轴重的降低,轮轨疲劳裂纹在较低的磨损量下持续扩展,裂纹扩展深度加大,内部裂纹数量上升,且长度较长,危害轮轨运行安全。所以,有重载工况运行经历的轮轨不能直接降低运行轴重,需要对钢轨和车轮进行打磨和镟修,以降低轮轨损伤带来的隐患。

关键词： 轮轨材料   轴重   速度   磨损   损伤   磨损图  

摘要： 高速铁路与重载铁路是中国铁路两大发展趋势,即客运朝着高速铁路方向发展,货运朝着重载铁路方向发展,并逐步实现客货分运,以便更加合理有效地运营和管理铁路。同时,速度和轴重的增加对轮轨系统的安全性、轮轨材料的抗磨性能和抗疲劳性能提出了更高的要求。因此,系统地研究轴重和速度对轮轨材料磨损与损伤行为的影响、更加全面地分析不同轴重和速度参数下轮轨材料的损伤机制,对中国铁路未来的发展具有十分重要的指导意义。利用WR-1轮轨滚动磨损试验机实验研究了五种轴重和四种转速工况下的轮轨滚动磨损与损伤行为。借助于电子天平、硬度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射仪等对轮轨材料的微观组织、磨损性能、表面磨痕、磨屑形貌和成分等进行了微观测试分析,阐明了不同参数下轮轨材料的损伤机制。论文研究主要结论如下：(1)随轴重增加,轮轨材料磨损率、塑性变形层厚度以及硬化率都增大;随速度增加,钢轨试样表面硬度和塑性变形层厚度基本保持不变,车轮试样表面硬度和塑性变形层厚度呈减小趋势,轮轨硬度比减小,车轮材料磨损率增加,钢轨材料磨损率减小。(2)车轮材料磨损图分为轻微磨损区和严重磨损区,两区分界线对应的试样磨损率大约为2.0×10-6g/m。当轴重和速度较小时,车轮材料处于轻微磨损区,主要损伤形式为轻微疲劳磨损;当轴重和速度较大时,车轮材料处于严重磨损区,主要磨损形式随着速度的增加从严重疲劳磨损转变为粘着磨损和疲劳磨损。钢轨材料磨损图也分为严重磨损和轻微磨损。当轴重较小速度较大时,钢轨材料处于轻微磨损区,主要损伤形式为轻微起皮;当轴重较大速度较小时,钢轨材料处于严重磨损区,主要磨损形式随着速度的增加从严重起皮转变为严重块状剥落。(3)车轮试样表面疲劳裂纹沿塑性变形区内铁素体线向材料内部发展,最后疲劳断裂形成磨屑;钢轨试样表面裂纹发展到一定深度后折向表面形成块状剥落并产生磨屑。磨屑为片层结构,成分为Fe203和马氏体。随轴重增加,磨屑尺寸呈整体变大趋势;随速度增加,磨屑尺寸呈整体减小趋势,马氏体含量增大。(4)轮轨表面裂纹可分为单层裂纹和多层裂纹,多层裂纹中的夹层材料容易挤压破碎。二次裂纹沿着与主裂纹成小角度的方向发展,相对于钢轨试样,车轮试样中的二次裂纹较长,二次裂纹与主裂纹的角度较小。(5)轮轨试样单位接触面积磨损率随Tγ/A 呈现线性增加趋势;轮轨试样接触状态处于“踏面接触区域”,轮轨材料Archard磨损系数κ处于1～10×10-4区间内。

关键词： 高速铁路   打磨周期   接触应力   钢轨打磨   廓形  

摘要： 为了更好地改善高速铁路的轮轨接触关系,对钢轨进行打磨是一种被广泛应用的方法。随着我国高速铁路的迅猛发展,其钢轨廓形的维护修理也成为一门新的课题。国外,对高速铁路的打磨研究开展较早,已经形成了比较成熟的理论,在我国,因高铁轨道轨底坡设置及轮轨关系与国外不同,所以我们在借鉴国外打磨经验的基础之上,又不能完全照搬,要通过现场不断的摸索和实践,逐步形成符合我国高速铁路的打磨方式,因此,关于高速铁路钢轨打磨工艺、钢轨廓形、打磨后的轮轨接触应力及打磨周期的研究也成为目前需要迫切进行的课题。本文介绍了国内外高铁钢轨打磨现状,阐述了我国高铁主要采用的GMC-96X大型养路钢轨打磨车的工作原理和打磨工艺,并对打磨工艺进行了现场检验、打磨后轮轨接触应力进行了分析,通过对打磨后钢轨廓形、光带等进行跟踪来研究目前打磨技术,所取得主要结论和结果如下：1、通过有限元分析软件ANSYS计算得到钢轨在打磨前后的轮轨接触应力,结合对试验观测地段钢轨打磨前后的接触应力变化,得出了目前打磨工艺下,打磨之后的轮轨接触应力分布更加均匀,接触区域也趋于钢轨中间,同时车辆的轮对维修量也稍有降低,极大的改善了轮轨接触关系。2、钢轨打磨之后在同等的运量下,供电系统供电耗量降低,工务线路质量明显提高。3、初步判定目前国内外打磨周期的界定(30-50Mt),是合理的。