摘要： 12月4日,资源科技公司收到中铁二局新运公司发来的中标通知书,成功中标成昆铁路峨米段护轮轨项目,中标数量1.32万t。成昆铁路是连接我国四川省与云南省的国铁Ⅰ级客货共线铁路,该线路呈南北走向,北起成都站、南至昆明站,线路全长1 096 km,为中国西南地区的干线铁路之一,也是中国三横五纵干线铁路网的一纵。

关键词： 轨道车辆   弹性车轮   运行安全性   轮轨磨耗   结构设计  

摘要： 近年来，城市轨道交通的快速发展，使得城市轨道车辆的安全性和舒适性备受关注。为了解决传统的钢轮—钢轨地铁车辆轮轨冲击、噪声大导致城市轨道线路周围环境变差、轨道结构损坏等问题，专家学者开始考虑在轻轨车辆上使用弹性车轮。弹性车轮轮芯和轮箍之间增加橡胶弹性体，在一方面降低了车轮簧下质量，减缓轮轨冲击，另一方面增加了轮轨系统对振动冲击的阻尼作用，减小振动降低噪声。针对弹性车轮结构较复杂、其结构和刚度影响轮轨动力作用、噪声和动力学性能，同时影响弹性车轮运行安全，且业内尚未统一设计规范等问题，论文从弹性体V型角度、金属截面形状、弹性体与金属间摩擦系数等三个方面开展弹性车轮综合性能分析和结构优化研究。　　本文建立橡胶弹性体压缩仿真试验模型，根据单轴压缩试验，拟合确定了橡胶弹性体的材料参数。通过建立弹性车轮压装有限元分析模型，针对压剪复合型弹性车轮，重点研究了橡胶弹性体的V型角度、截面形状、金属—橡胶弹性体间摩擦系数等参数对压装应力、接触面积和弹性车轮整体刚度的影响。研究发现，V型角度与弹性车轮轴向刚度呈反比，角度越大，轴向刚度越小。金属截面形状能提高弹性车轮的三向刚度和极限扭矩，凹槽半径越小，有效接触面积越大，三向刚度值越高，所能承受的极限扭矩越大。金属—橡胶弹性体间的摩擦系数与弹性车轮的三向刚度和极限扭矩呈线性关系，摩擦系数越大，刚度越高，极限扭矩越大。　　基于弹性车轮压装应力、刚度分析，对弹性车轮截面形状开展优化设计，本文提出了一种渐变V型弹性车轮，相比无凹槽弹性车轮，该设计能增加橡胶弹性体与金属件之间的有效接触面积，提高弹性车轮的极限扭矩;相比带有凹槽截面形状的弹性车轮，该设计能够避免橡胶弹性体在与金属侧面接触中产生应力集中;相比单一角度V型结构，渐变V型结构能选取合适的渐变角度进行径向和轴向刚度的合理匹配，其径向和轴向刚度可调节范围更广、灵活性更好。　　本文分别构建了刚性车轮、弹性车轮通过轨缝的轮轨滚动接触动态有限元分析模型，研究分析渐变V型弹性车轮对轮轨冲击下的减缓作用，研究表明，相比于刚性车轮，渐变V型弹性车轮的轮轴加速度比刚性车轮的轮轴加速度小了60%~78%，轮轨垂向力减小了12.7%~19.1%。　　为了进一步优化和验证渐变V型弹性车轮通过曲线时的运行安全性，本文应用Simpack动力学软件，建立具有弹性车轮的四模块轻轨列车动力学模型，对比分析传统刚性车轮、弹性车轮通过小半径曲线的运行安全性能。并通过车辆运行安全性能指标来优化弹性车轮的轴向和径向刚度。仿真分析表明：相比于传统刚性车轮和原弹性车轮，本文所设计的渐变V型弹性车轮结构在小曲线工况下具有更好的运行安全性，弹性车轮轴向刚度合理范围为200~400kN/mm，径向刚度为200~300kN/mm。

关键词： 轮轨伤损   磨损   热力耦合   接触应力   分配比例  

摘要： 轮轨滑动接触是列车启动、制动时出现的一种接触状态,滑动接触造成的轮轨擦伤是一种典型的轮轨伤损,擦伤会增大轮轨接触力,恶化列车的运行环境,缩短列车-轨道结构的使用寿命等。在滑动接触过程中轮轨接触界面上的磨损、接触应力和摩擦热剧烈变化,并且之间相互影响、彼此耦合,其中轮轨接触面上产生的摩擦热如何在轮轨之间分配是一个很重要的研究内容,确定摩擦热分配比例以及进一步阐明磨损、接触应力和摩擦热之间的耦合关系具有十分重要的意义。本文将通过实验研究、数值计算和理论分析的研究方法,重点分析轮轨滑动接触过程中接触面上的热力耦合现象。本文开展的研究工作及主要成果如下(1)建立了考虑磨损的轮轨接触模型,并以此为基础建立了考虑磨损的轮轨滑动接触热力耦合方程。(2)详细阐述了本文所用的实验装置和实验原理,给出了实验试件的几何参数和热力学参数,并介绍了实验过程中所使用的测试设备。(3)建立了轮轨滑动接触磨损有限元模型,研究了轮轨磨损对接触面上压应力的影响,确定了接触模型中的未知参数。计算结果表明随着荷载和滑动速度的增加,接触面上的最大压应力逐渐减小,压应力变得更加均匀。对于三维轮轨接触,当磨损深度小于1mm时,接触斑仍保持为椭圆状,且轮轨接触斑的内侧更易磨损,接触斑上的压应力的变化规律与平面磨损模型是一样的。同时计算结果表明压应力均匀性指数随磨损深度的增加逐渐增大。(4)通过实验和数值计算获取了轮轨滑动接触时接触区域的温度值,并计算了滑动摩擦热在轮轨之间的分配比例,详细论述了接触界面上的传热机理。研究结果显示轮轨不同测点的温度时程曲线都有三个明显的变化阶段,在相同的深度处车轮测点的温度要高于钢轨上的温度,其原因与接触面的大小和接触面的传热有关。同时计算发现轮轨滑动接触面上的摩擦热并非按照1:1的比例在轮轨之间分配,而是进入到钢轨中的摩擦热要多于进入到车轮中的摩擦热,并且随着荷载、转速和接触时间的增大分配到车轮中的摩擦热比例有增大的倾向。另外计算结果显示不考虑磨损时获取的轮轨接触区域的温度偏高。(5)建立了三维轮轨滑动摩擦热力直接耦合有限元模型,采用了与温度相关的力学和热学参数,分析了轮轨接触区域的温度、应力、应变等,同时与不考虑摩擦热时的计算结果进行了对比。计算结果显示车轮接触面上节点的温度随滑动距离的增加一直处于升温状态,而钢轨表面滑动区域的节点温升曲线有明显的三个变化阶段,车轮和钢轨接触表面的温度很高,但是温度的影响深度小于3mm。通过与不考虑摩擦热模型的计算结果对比可以发现,由温度引起的Mises应力值可达最大Mises应力值的59%。轮轨之间的摩擦应力和钢轨表面的切向应变与竖向荷载、滑动速度和摩擦热密切相关并相互影响。(6)通过实验研究了不同接触条件下轮轨接触表面的伤损情况,并结合接触面上的机械效应和热效应从微观的角度分析了造成轮轨伤损的原因。结果显示滑动接触时车轮接触表面有明显的沟槽,在钢轨表面上黏着有大量微颗粒,并且有各种类型的伤损,特别的钢轨表面的裂纹尤为明显。同时结果显示滑动摩擦热对轮轨伤损有明显的影响。本文通过实验并结合数值计算分析了滑动摩擦热在轮轨之间的分配比例,详细研究了轮轨滑动接触过程中磨损、接触应力和摩擦热之间的耦合关系,并阐述了接触面上摩擦热传导过程及传导机理,本文的计算方法可行,计算结果可靠,可为进一步分析轮轨接触过程中的疲劳伤损以及类似问题提供参考。

关键词： 横向黏着系数   第三介质   速度   轴重   SIMPACK  

摘要： 随着高速重载铁路的快速发展,车轮与钢轨之间的的黏着问题是列车运行过程中一个重要影响因素,列车的启动、运行和制动都要靠车轮与钢轨之间的黏着来实现。因此,轮轨间的黏着问题研究有了更高的要求,尤其是速度的提高,使轮轨黏着问题的研究变得更加复杂。良好的轮轨黏着能有效地改善轮轨系统的工作性能、延长使用寿命,降低铁路设备的维护维修费用,有重大的经济意义深入透彻的分析研究这个问题,从最根本上保障列车运行安全,保证乘客的生命安全。本文拟利用自主研发的轮轨模拟试验台研究了干态、水、油、砂、轴重、速度等因素对轮轨黏着系数的影响,得出各种工况及不同介质下轮轨黏着系数与横向蠕滑率的关系曲线。同时基于Carter的二维滚动接触理论和粗糙面间部分弹流理论,利用动力学软件Simpack建立了第三介质条件下轮轨间三维滚动接触模型,通过改变轮轨接触间的摩擦力大小来进行不同介质条件下的轮轨横向黏着特性仿真。并分别改变速度以及轴重工况,研究对轮轨横向黏着特性的影响因素。最后将实验结果与数值结果进行了对比分析并得出结论:1、试验结果表明:轮轨横向黏着系数在干态下最大,油水混合物下最小;速度以及轴重对轮轨横向黏着系数均有一定的影响;在水介质工况下,随着速度的增加轮轨横向黏着系数逐渐减低,而在油介质下正好相反;油介质下轮轨横向黏着系数随着轴重的增加而增加。2、撒砂有助于轮轨横向黏着系数的提高。3、仿真结果和试验结果对比分析表明:相同条件下的仿真结果曲线和试验结果的曲线在变化趋势上完全一致;由于仿真过程中有的影响因素进行了简化处理,所以仿真结果与试验结果存在一定的差异。

关键词： 轮轨黏着   撒砂增黏   轮轨损伤   增黏颗粒   颗粒参数  

摘要： 轮轨黏着是关系列车安全高效运行的关键因素。为应对水、油、树叶等污染物进入轮轨界面时产生的低黏着问题,铁路上主要采用向轮轨界面撒砂的方式提高黏着水平。砂子等硬质颗粒在提高轮轨黏着系数的同时也会不可避免地加剧轮轨磨损与损伤。因此,为优化轮轨撒砂增黏应用,有必要系统地开展轮轨界面硬质颗粒增黏与损伤机制研究,以充分发挥撒砂增黏效果并降低增黏过程中的轮轨损伤。论文通过滚动接触模拟试验研究了第三体介质(水、油、树叶)工况下的轮轨低黏着行为,低黏着工况下硬质颗粒增黏过程中颗粒施加量、颗粒粒径和不同硬质颗粒对增黏效果和轮轨损伤的影响规律;利用颗粒单轴破碎试验方法研究了增黏硬质颗粒的破碎行为,分析了硬质颗粒与轮轨材料的弹塑性接触行为和硬质颗粒破碎的极限粒径;对比研究了正常撒砂(标准粒径砂子颗粒)增黏和使用砂子破碎微粒(微米级)增黏的增黏效果与轮轨损伤行为;分析了颗粒破碎过程和破碎微粒磨粒磨损过程在轮轨撒砂增黏中的影响与作用机制;根据上述结果优化了轮轨撒砂参数并开发了新型增黏颗粒。论文研究主要结论如下:(1)第三体介质污染物对轮轨黏着影响显著,极少量污染物(如30μl水、10μl油或一片10×10mm树叶)便导致轮轨黏着系数降低至低黏着水平(μ<0.2)。轮轨黏着系数随第三体介质施加量的增加而下降,在达到/接近稳态润滑条件后,黏着系数趋于稳定。轮轨低黏着状态持续时间随第三体介质施加量的增大而增加。轮轨表面污染物除直接影响轮轨界面最大可利用黏着系数外,还导致轮轨黏着-蠕滑曲线峰值点的左移(水、油工况)和曲线初始阶段斜率的下降(油、树叶工况)。(2)使用硬质颗粒增黏时,各颗粒参数中(颗粒分布密度、颗粒粒径和不同硬质颗粒)轨面颗粒分布密度对颗粒增黏效果的影响最为显著,且存在颗粒分布密度阈值(0.607g/m):在达到阈值前轮轨黏着系数随轨面颗粒分布密度的增加而显著提升;超过阈值后轮轨黏着系数趋于稳定。颗粒粒径仅在轨面颗粒分布密度达到阈值前对轮轨黏着系数有明显影响,此时小粒径颗粒更容易进入轮轨接触界面而有利于提高轮轨黏着系数;氧化铝颗粒较砂子颗粒具有更好的增黏效果。(3)撒砂增黏过程中会显著加剧轮轨磨损和塑性变形,并产生严重的表面压痕和颗粒嵌入损伤;水态撒砂工况下,受油楔效应影响试样滚动接触疲劳裂纹显著扩展并最终发展成为严重的表面片层剥落损伤。轮轨磨损率在过量撒砂前随撒砂量的增加而急剧增大,在过量撒砂时出现急剧下降,之后仍随撒砂量的增加而呈缓慢增加趋势;轮轨表面损伤、塑性变形层厚度及滚动接触疲劳损伤始终随撒砂量的增加而变得更加显著。颗粒粒径对轮轨磨损与损伤的影响在不同撒砂量下并不一致;使用氧化铝颗粒增黏时轮轨磨损率较撒砂增黏增加两倍以上,且轮轨损伤更加严重。(4)0.2～2.0mm粒径范围内石英砂颗粒临界破碎法向载荷小于350N,故撒砂增黏过程中砂子颗粒必然在进入轮轨接触界面过程中发生破碎;硬质颗粒破碎前会导致轮轨材料发生塑性屈服而产生表面损伤,其损伤接近于硬质颗粒增黏模拟试验中的轮轨表面损伤;硬质颗粒破碎强度随颗粒粒径的减小而急剧增加,根据该规律及颗粒在轮轨材料上压入过程的柔度曲线,计算得到了石英砂和氧化铝可完全嵌入轮轨材料内部而不发生破碎的极限粒径分别为:6.5～13μm和17～24μm。(5)在水、油和树叶三种低黏着工况下,施加微粒增黏时轮轨黏着系数与正常撒砂增黏时无明显差异。轮轨黏着系数随微粒含量的增加而增加,其磨损与损伤也随之加剧;但与正常撒砂增黏相比,微粒磨粒磨损作用对轮轨磨损、表面损伤和塑性变形的影响极为轻微。(6)撒砂增黏过程中砂子颗粒在轮轨接触入口区发生破碎,最终进入接触界面的破碎微粒粒径分布集中在其极限粒径附近;破碎微粒在轮轨接触界面的犁沟作用是轮轨黏着系数提升的主要机制,且黏着系数受微粒分布密度的影响显著;初始粒径颗粒破碎过程对增黏无直接促进作用,但该过程是导致轮轨磨损和损伤加剧的主要原因。(7)基于上述研究结果建立了评估现场撒砂增黏效果的经验公式,提出了根据列车运行速度对撒砂量进行分级控制的优化策略;基于颗粒破碎过程对轮轨损伤的显著影响,开发了一种具有低破碎强度增黏颗粒,其增黏效果接近于同粒径砂子颗粒,且可有效降低增黏过程中的轮轨磨损与损伤。

关键词： 铁道机车   车辆轮轨   摩擦磨损   节能降耗   措施  

摘要： 改革开放以来,区域间的来往日益频繁,为了满足社会生产建设的需求,交通运输网络正在快速完善中。其中铁路工程的数量显著增长,建设规模不断扩大。但在各种因素的影响下,铁道机车的使用寿命不理想,后期维护成本较高。这主要是因为铁道机车在行驶过程中,车轮和铁轨接触会产生较大的摩擦力,日积月累的磨损下,车辆和轮轨都遭到一定的破坏,使得机车轮轨无法正常投入使用,对能源的消耗也较大,甚至引发严重的安全事故。基于此,笔者将围绕铁道机车车辆轮轨的运行原理展开讨论,针对其磨损问题提出优化建议,以期提高铁道机车的安全性和可靠性,并实现车辆运行的节能降耗。

关键词： 高速铁路   钢轨波磨   数值模拟   瞬态滚动接触模型   轮轨作用力   车速   轮轨摩擦因数  

摘要： 通过建立轮轨瞬态滚动接触有限元模型,计算不同车速和不同轮轨摩擦因数下车辆通过波磨区段时的轮轨作用力,并分析其对轮轨系统振动响应的影响.结果表明:车辆通过钢轨波磨区段时,轮轨作用力的波长与波磨的波长基本一致.当车速在200～350 km/h时,随着速度的提升,轮轨作用力增大,在扣件处产生的振动能量也随之增加;当摩擦因数在0.3～0.5时,随着摩擦因数的增加,轮轨纵向力增大.波磨波峰处的轮轨纵向力大于波磨波谷处,因此波磨不会无限制地发展而是逐渐趋于稳定.摩擦因数的改变对轮轨垂向力的影响很小,可以忽略.

关键词： 轮轨接触   随机不平顺   可视化   数学模型   轮轨动态响应   镟修策略  

摘要： 轮轨关系是高速铁路领域最重要的研究课题之一。随着列车运行速度和运载重量的提高，车辆和轨道间的动态相互作用显著增强，车轮不圆顺问题日益凸显。车轮不圆顺会引起较大的轮轨冲击力和局部接触应力，诱使和加剧轮轨部件的损伤，导致车辆和轨道结构的疲劳破坏和断裂失效，严重影响和威胁列车的运行安全性和可靠性。本文针对高速列车车轮踏面缺陷引起的轮轨接触不平顺问题，通过理论分析、可视化技术与有限元模拟相结合的研究方法，建立了车轮踏面常见缺陷(扁疤、剥离和多边形化)的数学模型与不平顺表征方法，开发了轮轨接触随机不平顺的可视化软件，探究了多种车轮扁疤工况下的轮轨动态响应，提出了综合考虑轮缘磨耗、轮径磨耗和车轮踏面缺陷的综合镟修策略。主要内容与成果包括以下几个方面：　　1.为克服车轮踏面缺陷导致的轮轨接触有限元建模难度大、求解时间长、网格畸变以及无法反映缺陷(尺寸、位置和数量)随机特性等缺点，提出了将车轮踏面缺陷的几何不平顺转换为轮轨接触位移不平顺的显式有限元仿真分析方法，考虑车轮踏面缺陷尺寸、形状和位置的随机特点，采用伪随机数方法生成了满足多种随机分布特性的轮轨接触位移不平顺激励。　　2.基于提出的轮轨接触随机不平顺位移激励数学表征方法，利用Matlab软件中的Guide模块开发了可视化软件。该软件采用模块化设计，用户可通过自定义输入参数，获得车轮踏面缺陷(扁疤、剥离和多边形)的分布示意图、三维缺陷示意图以及位移不平顺激励等结果。　　3.基于三维轮轨滚动接触有限元模型和轮轨接触随机不平顺位移激励，采用显式有限元分析方法模拟了多种扁疤工况(新/旧扁疤、多个扁疤、同轴异轮双扁疤)下的轮轨动态响应。仿真结果表明：给定速度和扁疤长度工况下，新扁疤引起的最大垂向轮轨接触力均大于旧扁疤情形，且随着扁疤长度的增大其幅值相差越大;给定扁疤长度工况下，单轮多个扁疤引起的最大垂向轮轨接触力低于单个扁疤的情形;给定速度工况下，同轴异轮双扁疤产生的最大轮轨垂向接触力大于同侧车轮单个扁疤的情形;给定速度和扁疤长度工况下，扁疤随机分布的密集区域会增大垂向轮轨接触力峰值。　　4.结合有限元分析结果和等级镟修理论，提出了综合考虑轮缘磨耗、轮径磨耗和车轮踏面缺陷的车轮镟修策略，可为轮轨系统服役安全性评估和车轮镟修方案制定提供技术支持。

关键词： 货车车辆   轮轨磨耗   临界速度   横向稳定性   仿真分析  

摘要： 国民经济的快速发展为我国铁路行业的发展奠定了基础,我国对于铁路运输的需求不断上升,安全性是铁路运输首先要考虑的问题。在轨道交通运输中,车辆的横向稳定性是车辆运行安全性的热点问题。轮轨磨耗是轮轨关系较为突出的问题,影响车辆运行的安全性、平稳性等。研究轮轨磨耗问题是改善轮轨之间作用力、提高车辆运行横向稳定性的前提。本文首先阐述了国内外目前轮轨磨耗的研究情况,车辆横向稳定性的研究以及轮轨磨耗对车辆横向稳定性研究状况,明确了本文研究分析的目的与意义。在此基础上从理论上介绍了轮轨磨耗的知识、轮轨接触参数以及横向稳定性的评价标准,通过多体动力学软件UM建立采用K6型转向架的C70型货车车辆模型、轨道模型、线路模型、轨道不平顺激励等。然后利用UM软件对建立的模型进行仿真分析。匹配踏面类型为LM型踏面和标准的60kg/m钢轨为标准的轮轨接触关系,通过对比标准轮轨与磨耗轮轨踏面、钢轨、接触角、等效锥度在不同工况下的变化规律,进一步分析了轮轨磨耗对车辆横向稳定性的影响规律,包括轮对、轨道以及轮轨接触的磨耗规律,从而探究轮轨磨耗对车辆横向稳定指标的影响规律,例如车辆蛇形临界速度等。本文分析研究结果表明:车轮磨耗与车轮与轨道相对运动的快慢有关,磨耗并不是随着运营里程的增加而直线上升,磨耗存在一定的区域,轮缘磨耗与圆周磨耗是车轮磨耗的主要区域,磨耗深度的范围在-50mm5mm之间。左右钢轨的磨耗都是随着车辆通过次数的增加呈上升的趋势;左轨的磨耗范围在-10mm6mm之间,磨耗深度在0.5mm之间;右轨的磨耗范围在-20mm0mm之间,磨耗深度在0.8mm之间。当车辆匹配形式为标准轮轨时,通过分析轮轨磨耗前后在相同运营里程下轮对横向位移量发现在速度为141km/h时,轮对横向横移量处于收敛与发散的临界点,可得141km/h是车辆磨耗前的非线性临界速度。通过分析磨耗后车辆轮对横移量发现车辆运行速度接近126km/h时轮对横移量处于临界状态。因此,得出了磨耗后的轮轨接触模型降低了车辆的临界速度。由此可知轮轨磨耗降低了车辆的蛇行临界速度,影响车辆的横向稳定性。

关键词： 车轮型面优化   圆弧参数   轮轨接触   车辆动力学   等效锥度   临界速度  

摘要： 在调研国内外高速铁路车轮型面的基础上,采用4段圆弧描述车辆正常运行时车轮与钢轨接触的主要区段,提出表示这些区段的6个圆弧参数,包括4段圆弧的半径(R5,R6,R7,R8)以及中间2段圆弧的圆心横坐标(xR6,xR7)。以CRH380B型高速动车组为例,采用单因素分析方法进行车轮型面圆弧参数对轮轨接触和车辆动力学性能的影响分析。结果表明:R5和R8对轮轨接触和车辆动力学性能的影响很小,R6和xR6对车辆曲线通过性能影响较大,R7和xR7对轮轨接触和车辆直线运行性能影响较大;在进行车轮型面优化设计时,应根据现有的车轮型面参数将R5和R8取为固定值,仅将R6,xR6,R7和xR7作为关键圆弧参数;当其他圆弧参数取默认值时,R7大于475 mm或xR7小于19 mm时名义等效锥度小于0.08,容易产生低锥度晃车,导致临界速度小于200 km·h^-1;为改善目前存在的低锥度晃车问题,应将R7和xR7作为重点优化设计参数。