关键词： 既有重载铁路   货车提速通过   曲线轨道   轮轨相互作用   钢轨磨耗  

摘要： 随着重载运输需求的不断提升，我国亟需提高重载铁路的运输效能，而在既有重载铁路上提速运营是提高运输效能的重要方式之一。然而重载货车运行速度的提高势必引起轮轨相互作用加剧，同时会加剧钢轨磨耗，进而增加重载铁路的运营和维护成本，甚至影响行车安全性，因此针对既有重载货车提速通过曲线时的轮轨相互作用及钢轨磨耗加剧的问题进行研究具有十分重要的意义。本文拟结合轮轨相互作用计算分析、现场试验分析、钢轨磨耗仿真等研究手段，计算分析提速前与提速后的不同平面曲线参数下，重载货车作用下的轮轨相互作用变化及钢轨磨耗规律，评估其行车安全性，以期为我国既有重载铁路提速工程提供理论支撑。　　本文首先依据既有重载铁路 C80和 C64货车的结构特点和技术参数，运用多体动力学软件 SIMPACK，搭建了考虑轴箱止挡、中央悬挂装置以及钩缓系统等非线性结构的三编组重载货车分析模型，选取中间车作为研究对象，确定了主要的轮轨相互作用分析指标。计算分析了提速前与提速后的不同曲线半径、缓和曲线长度、外轨超高以及夹直线长度下轮轨相互作用的变化规律。结果表明，在不同平面曲线参数下，提速前与提速后条件下 C80货车的轮轨相互作用指标均满足要求;缓和曲线长度较短条件下，C64货车提速运行时的轮重减载率超出安全限值。选择合适的S型曲线夹直线长度，可以显著减轻车辆提速通过反向曲线的轮轨相互作用，但对于较短长度的夹直线，C64货车提速后的轮轨垂向力超出安全限值。　　随后，基于课题组开展现场试验获取的测试数据，选取轮轨力、钢轨位移以及钢轨轨枕垂向加速度作为评价指标，分析了实测条件下提速前与提速后的重载货车作用下的轮轨相互作用规律。分析结果表明：重载货车运行速度的提高会增大其轮轨垂向力、轮轨横向力;而重载货车提速对钢轨位移、钢轨及轨枕垂向加速度无明显影响;整体而言，提速前后各测试工况下的钢轨位移、钢轨及轨枕垂向加速度均未超过安全限值。　　最后运用多体动力学软件 UM，以钢轨型面、最大磨耗量以及磨耗面积作为分析指标，研究了提速前与提速后的不同曲线半径、外轨超高下钢轨磨耗的变化规律。结果表明：提速前后内、外侧钢轨磨耗的变化较小;随曲线半径增大，钢轨磨耗逐渐减小;较大的过超高会同时加剧内、外侧钢轨磨耗，较大的欠超高会加剧内侧钢轨磨耗;适当的欠超高可以显著减轻重载货车提速运行下的钢轨磨耗。

关键词： 轮轨黏着   摩擦调节剂   粘度   流变指数   涂覆量  

摘要： 轮轨作为轨道交通装备核心部件之一,其黏着(摩擦)性能是影响列车牵引和制动安全的关键因素之一。正常运行工况下,列车通过小半径曲线及特殊地段时,极易发生轮轨异常磨损(钢轨波磨和车轮多边形磨损)与啸叫噪声,影响轮轨服役寿命与乘客舒适性。针对上述问题,目前可通过摩擦调节剂进行减摩调控从而使轮轨界面黏着达到理想状态,避免黏着系数过高而造成轮轨异常磨损及噪声等不利影响。因此,摩擦调节剂作用下轮轨黏着行为研究对保障列车运行安全、指导摩擦调节剂现场应用与产品研发具有重要理论意义和技术支撑。 论文通过弹性流体润滑仿真计算和滚动接触模拟试验研究了第三体介质工况下轮轨黏着行为,围绕摩擦调节剂作用下轮轨黏着行为,分析了摩擦调节剂粘度、流变指数与涂覆厚度对轮轨黏着特性的影响,建立了摩擦调节剂作用下轮轨黏着理论模型,揭示了黏着系数与摩擦调节剂粘度、流变指数与涂覆量之间的关系,阐明了粘度和流变指数对轮轨黏着影响的机制,分析了摩擦调节剂作用下轮轨黏着特性规律,提出了基于轮轨黏着恢复特性的预测模型。 论文研究的主要结论如下: (1)针对摩擦调节剂作用下轮轨黏着性能进行分析,建立了试验室与现场工况下的轮轨受力分析和乏油弹性流体润滑分析模型。计算模型同时考虑了摩擦调节剂的非牛顿流体特性和润滑不足时的乏油润滑状态,给出了压力和部分膜厚比例的求解过程。分别对比了不同工况下经验公式计算和模型分析方法获得的最小膜厚和中心膜厚,结果表明模型计算结果与经验公式吻合较好,误差在10%以内。 (2)在水、油和摩擦调节剂等第三介质不能充满轮轨接触粗糙表面条件下,即当膜厚接近或者小于表面粗糙度时,此时润滑状态处于乏油润滑;随着第三介质加入量的增加,润滑液体膜承担的轮轨法向载荷逐渐增加,黏着系数逐渐减小;随着摩擦调节剂涂覆量的减少,入口位置向接触区域靠近,乏油现象更加严重,润滑膜承担载荷逐渐减小,表面金属微凸体承担压力逐渐增加,黏着系数逐渐增加。 (3)摩擦调节剂的粘度和轮轨表面粗糙度对轮轨接触应力和黏着系数有显著影响。随着粘度的增加,进入接触区域的摩擦调节剂增多,摩擦调节剂膜厚逐渐变大,膜厚比逐渐增加,摩擦调节剂在接触表面形成的润滑膜承担的压力增加,金属微凸体承担压力减小,表面接触应力波动减弱,黏着系数逐渐减小;随着表面粗糙度的增加,虽然摩擦调节剂膜厚增加,但膜厚比逐渐减小,金属微凸体承担的压力逐渐增加,摩擦调节剂承担的压力逐渐减小,黏着系数逐渐增加。 (4)表面粗糙度和摩擦调节剂有效膜厚对疲劳指数的影响显著。黏着系数随着轮轨表面粗糙度的增加而增加,表面剪切应力和次表面应力也会随之增加,疲劳指数逐渐增加,安定图中工作点主要集中在弹性安定、塑性安定和棘轮效应区;随着摩擦调节剂有效膜厚的增加,黏着系数逐渐减小,表面剪切应力和次表面应力也会随之减小,疲劳指数随之减小,安定图中工作点主要集中在弹性安定和棘轮效应区。 (5)相同条件下,与CHN60钢轨踏面工况相比,CHN60N钢轨踏面工况摩擦调节剂作用下膜厚较大,摩擦调节剂承担压力较大,金属固体微凸体承担压力较小,黏着系数相对较小。内侧轮轨横移量由-12 mm增加至12 mm时,轮轨黏着系数逐渐减小至稳定状态;随着外轨超高值的增加,膜厚比逐渐增加,黏着系数逐渐减小。同时,随着轴重的增加,摩擦调节剂膜厚逐渐减小,黏着系数逐渐增加;随着速度的增加,膜厚逐渐增加,黏着系数逐渐减小;随着蠕滑率的增加,黏着系数逐渐增加至稳定状态。 (6)提出一种预测摩擦调节剂作用下轮轨黏着系数演化的数值模型。模型通过摩擦调节剂的拾取、车轮和钢轨之间摩擦调节剂的重复转移以及摩擦调节剂的消耗来预测恢复过程中黏着系数的变化。当钢轨表面涂覆少量摩擦调节剂时,初始润滑状态处于乏油润滑。加入足量摩擦调节剂后,恢复过程中轮轨润滑状态先后经历弹性流体润滑、混合润滑、边界润滑,直至最后干摩擦。随循环转数的增加,摩擦调节剂的流变指数逐渐减小,摩擦调节剂承担压力逐渐减小,固体微凸体承担压力逐渐增加。 (7)摩擦调节剂涂覆量、粘度和流变指数对轮轨黏着行为有显著影响。钢轨表面涂覆摩擦调节剂后,摩擦调节剂的涂覆量影响轮轨初始黏着系数,随着涂覆量的增加,黏着系数逐渐减小,减小至一定值后继续增加涂覆量,初始黏着系数不再变化;随着摩擦调节剂粘度的增加,接触区域膜厚逐渐增加,黏着系数逐渐减小;随着流变指数的增加,接触区域膜厚逐渐增加,黏着系数逐渐减小;基于试验工况,当流变指数由1减小至0.75时固体承载率由1%增加至46%。

关键词： 测力轮对   轮轨力   组桥方案   仿真分析   试验研究   标定试验  

摘要： 近年来我国城市轨道交通发展迅猛,国内多个城市已经形成密集的交通线网。运营安全问题一直是城市轨道交通运营中的重点,在对城市轨道交通车辆运行安全性评估方面,精确的获得轮轨力是一个重要的基础与前提。而测力轮对技术是目前测量轮轨力最为精确的方式,因此如何通过测力轮对技术更加准确的测量轮轨力具有十分重要的意义。基于此问题,本文建立了三维有限元模型对测力轮对进行了模拟组桥计算。后通过测力轮对标定试验台,完成了大量的试验测试,提出了新型测力轮对组桥方案。最后对新型测力轮对组桥方案的有效性进行了验证。本文的主要研究内容和结论包括:1、对测力轮对相关知识进行了研究。总结了国内外对于轮轨力检测方法的研究现状;介绍了轮轨力的组成和连续测量原理;阐述了惠斯通电桥测量原理并进行了单桥谐波的应变计算;介绍了国标GB/T5599-2019中测力轮对的测量方案。2、进行了测力轮对组桥方案仿真分析,选取了测力轮对组桥方案的贴片数量、组桥半径、贴片角度等参数进行计算,得到了仿真层面的测力轮对组桥方案。利用ANSYS软件建立车辆轮对三维有限元模型,通过仿真计算得到轮对辐板在静载作用下的应变分布,以拾取点对单一方向作用力的响应作为组桥半径的选取指标,得到了最佳组桥半径。通过梯度下降法,基于仿真分析得到的周期性应变-时间曲线,利用PYTHON软件分别对国标GB/T5599-2019中的组桥方案和单桥中含有4～8组轴对称应变片的多种工况进行了计算,以平均误差作为组桥方案的选取指标,提出了仿真层面的测力轮对组桥方案。3、进行了测力轮对组桥方案试验研究,得到了基于实测数据的测力轮对组桥方案。介绍了测力轮对试验系统,完成了1/4桥单片应变响应的静载试验、1/4桥单片应变响应的旋转试验。类似的,通过辐板的应变分布确定最佳组桥半径;利用梯度下降法,基于试验得到的周期性应变-时间曲线,利用PYTHON软件对试验采集数据进行分析处理,对单桥中含有4～8组轴对称应变片的多种工况进行了计算,以平均误差作为组桥方案的选取指标,提出了基于实测数据的测力轮对组桥方案。综合对比分析仿真与实测的计算结果,最终确定了测力轮对组桥方案。4、进行了直辐板测力轮对标定试验,对测力轮对组桥方案进行了验证。拟定了测力轮对标定方案,通过对标定试验采集数据的分析计算,完成了标定系数矩阵的求解。进行了直辐板全桥应变响应的旋转试验,利用标定系数矩阵计算得到实测轮轨力曲线。进行了测力轮对准确性的检验,将轮轨力实测曲线与实加曲线进行比对,验证了本文所研究的直辐板测力轮对组桥方案的有效性和准确性。

关键词： 贝氏体钢   轮轨接触   摩擦热   数值模拟   热损伤  

摘要： 在重载铁路中,轮轨服役环境日趋恶劣,极大影响了传统珠光体轮轨的服役寿命,而新型的贝氏体钢由于其组织特性,在塑韧性方面表现良好,有极大的潜力成为轨道交通领域的下一代新材料。轮轨接触界面的温度、接触力、组织转变都对其服役表现有重大影响,但是由于搭建实验台架十分困难,且耗资巨大,导致轮轨接触的相关实验研究进展相对缓慢。本论文利用有限元模拟方法建立了轮轨接触模型,分析了接触界面的温度、应力、微观组织、硬度的变化情况,结合实物实验,验证了计算结果的可靠性。并通过模拟计算方法对比了新型贝氏体钢与珠光体钢在不同工况下的表现差异。根据计算结果,通过冷热循环实验研究了不同循环上限温度对贝氏体钢热损伤程度的影响。主要结论如下:模拟结果表明,车轮空转时钢轨表面的瞬时温度可达1000℃以上,热影响区集中在深度1.5 mm以内的表层。在升温初期两种材料的温度基本一致,但当温度达到700℃左右时,贝氏体钢轨钢的温度增速开始放缓,U75V钢轨钢的峰值温度会逐渐超过贝氏体钢轨钢。在空转结束后,贝氏体钢轨与U75V钢轨在表层附近的应力分布上存在一定区别,但两者都存在一个较明显的应力过渡区。空转过程中贝氏体钢轨表层会较早发生奥氏体转变、硬度下降,但当硬度下降到一定程度会停止,直到温度超过贝氏体的相变点。而U75V钢轨内主要为珠光体组织,当温度达到相变点才会发生转变,但在条件合适时,其硬度下降速率与程度远大于贝氏体钢轨。在冷却后,贝氏体钢轨的硬度变化不大,U75V钢轨的硬度增大近一倍。通过热膨胀仪对模型的可靠性进行了验证,发现计算中的组织转变与硬度变化均与实测值近似,可见本模型能够为轮轨接触研究提供有效参考。在对踏面制动与车轮滑移两种工况的模拟中,综合所有结果发现车轮踏面的热影响区深度在1 mm左右,并且不同工况下,踏面温度基本处于200℃至500℃之间,贝氏体钢车轮踏面温度平均比CL60钢车轮高4.6%,应力值则平均高出约20%。对踏面制动与车轮滑移温度场分布影响最大的因素分别为制动压力与滑移率。根据模拟结果,对贝氏体车轮钢试样进行了四种上限温度的冷热循环实验,发现随循环上限温度的上升,热损伤程度会先缓慢增加再趋于稳定,最后迅速增大。并且在循环温度升高后,在晶界附近开始析出碳化物,且残余奥氏体含量逐渐下降,在温度达到400℃时,几乎减少为0。

关键词： 轮轨型带式输送机   回转系统   车轨耦合模型   冲击振动   动力学分析  

摘要： 轮轨型带式输送机是一种兼具传统带式输送机连续、高效、大运量输送和铁路系统低滚动阻力优点的新型散装物料输送系统，是符合国家“双碳战略”重大需求的新一代绿色、节能、高效输送装备。轮轨型带式输送机的回转系统是实现托车改向的关键部分,然而在运行过程中，托车进出回转导向轨道时，会与轨道产生碰撞产生严重的振动冲击问题，对整个回转系统的性能、可靠性和设备寿命造成了影响，是轮轨型带式输送系统研究中亟需解决的问题。因此，对轮轨型带式输送机回转系统进行动态特性研究，减少冲击振动并避免共振现象的发生，为轮轨型带式输送机的结构优化提供参考，对推动轮轨型带式输送机的技术理论和技术发展具有重要的科学意义。　　本文以轮轨型带式输送机回转系统为研究对象，通过理论分析、数值模拟、实验研究相结合的方法，基于回转系统车轨耦合模型，对轮轨型带式输送机回转系统的冲击特性进行了研究，并分析了影响其冲击振动的关键因素，具体的研究内容如下:　　基于回转系统产生冲击振动的机理，对托车在回转导向轨道上的五种运行状态进行了受力分析，得到托车在回转系统中的运动规律。建立了回转系统车轨耦合动力学模型,利用结构动力学原理推导出托车和轨道的振动平衡方程，并采用Newmark-β法进行数值求解，针对轨道几何非线性问题，研究了回转系统中托车速度、轴距以及车轮直径等因素轨道振动特性的影响规律。研究结果表明，车速对于轨道振动响应是一项非常重要的因素，其影响程度随着车速的增加而逐渐增大;振动加速度受轮径的影响较大，增幅比较明显;托车轴距对回转系统中轨道振动加速度有一定影响，这种影响在较小托车轴距比较突出。　　利用Recurdyn仿真平台，建立了轮轨型带式输送机回转系统轮轨冲击仿真模型，对托车进出回转轮时轮轨接触特性进行分析，得到了不同车轮直径、车速和轴距条件下的轮轨垂向力，验证了回转系统车轨耦合模型中三种影响因素对轮轨动态特性影响规律的准确性。在实际工程中，对轮轨型带式输送机进行了回转系统轨道振动特性测试，利用实测数据对建立的回转系统车轨耦合动力学模型进行了验证，所建立的数学模型能够较好的反映托车在回转系统中轮轨接触的动态特性。

标准号: T/ZZB 3024-2022

关键词： 钢轨   低塌   动力学仿真   轮轨垂向力   轴箱振动加速度  

摘要： 利用动力学仿真手段,在同时考虑焊接接头不平顺耦合作用条件下,建立钢轨低塌不平顺数学模型,分析钢轨母材低塌对轮轨相互作用力、轴箱振动加速度的影响规律。结果表明:钢轨母材低塌对轮轨系统垂向动态性能影响显著,对横向动态性能影响较小,轮轨垂向力和轴箱垂向振动加速度均随母材低塌量增加而增大,随速度提高而增大;当钢轨母材低塌量不超过0.2 mm/1 m时,不同速度级下钢轨低塌量变化对轮轨系统响应影响相对较小。在轨道几何不平顺耦合激励作用下,钢轨平顺性的细微变化仍会对轮轨系统动力性能产生明显影响,钢轨轮轨垂向力和轴箱垂向振动加速度均出现显著的响应特征。

关键词： 振动与波   轨底坡   滚动接触   接触几何   动力学性能  

摘要： 为探讨轨底坡对轮轨接触行为及动力学性能的影响,利用多体动力学软件SIMPACK,分析地铁B型车LM和S1002型踏面与60 kg/m钢轨在不同轨底坡下的轮轨接触点分布情况、滚动圆半径差、最大接触压力、临界速度以及车辆运行安全性和平稳性指标等,从接触几何和动力学性能两方面提出LM和S1002型面的最佳轨底坡组合。计算结果表明,轨底坡对轮轨接触行为及动力学性能均有较大影响。对于LM型面在直线段采用1/20轨底坡可减小最大接触压力且不易发生蛇行失稳,对于S1002型面在直线段采用1/40轨底坡可获得良好的接触点分布及较大的接触斑面积,对于LM和S1002型面在曲线段均宜采用1/30轨底坡以获得较好的车辆运行平稳性。