铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系.
轮对知识
货车车轴
B型
货车车轴
A型
货车车轴
C型
货车车轴
通过对车轴卸荷槽加工工艺研究 ，铁道部
2004年12月下文规定了新制RD2型车轴的B、D
车轮
车轴
一. 车
轴
.
车轴有滑动轴承车轴与滚动轴承车轴之分。 我国铁道车辆上使用的车轴，大多为圆截面的实心车轴。由于车轴各 部位的受力状况不同，其直径大小也不一样。 从材质上看，目前的车轴一般都是用 40 钢或 50 钢 —— 优质碳素钢 锻制而成。 从技术要求上看，车轴表面须锻造光滑平整，不得有起皮、裂纹、熔 渣、或其他危害性缺陷存在。
●
货车车轴
因RE2 型车轴载荷中心距短，增加了转向架结
构的设计难度，加上早期设计的197730型轴承比
较笨重，所以该车轴仅进行了装车运用试验而未
大量推广使用。
货车车轴
RE2A型车轴
1998年，开始设计 RE2A型车轴。设计进程 ——
货车车轴
A型
货车车轴
C型
货车车轴
B型
货车车轴
RE2A型车轴主要参数 商业运营速度：120km/h ● 轴重：25t (245kN) ● 全长：2191mm ● 载荷中心距：1981mm ● 轴肩距：1731mm ● 轴颈长度：230mm ● 载荷中心到轴颈根部距离：125mm ● 轴身长度：1228mm，突悬 ● 轴颈及防尘板座型式：3种
货车车轴
RE2B 型车轴轮对主要结构特点
1981 1761 (RE2A：1731)
铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系 1
铝合金
质量轻，耐腐蚀，但强度较低。
其他合金材料
如镍合金、钛合金等，具有特殊 性能，但成本较高。
02
轮轨接触几何关系
轮轨接触几何模型
点接触模型
假设轮轨接触点处的曲率中心与接触点重合，适用于 小变形和弹性接触。
面接触模型
考虑轮轨接触面的形状和曲率变化，适用于大变形和 塑性接触。
混合接触模型
结合点接触和面接触的特点，考虑轮轨接触的复杂性 和非线性特性。
垂直反力
车轮垂直于轨道方向产生的力，与轨道承受的重 量和轮轨接触点的分布有关。
轮对与轨道的相互作用模型
弹性接触模型
将轮轨接触视为弹性接触，通过 弹性力学理论描述轮轨接触点的 应力分布和变形。
有限元模型
利用有限元方法模拟轮轨接触和 应力分布，考虑了材料的非线性 特性和复杂的边界条件。
轮对与轨道的相互作用的影响因素
铁道车辆轮对结构与 轮轨接触几何关系
目录
• 轮对结构 • 轮轨接触几何关系 • 轮对与轨道的相互作用 • 轮轨接触的磨损与损伤 • 轮对与轨道的设计优化
01
轮对结构
轮对的组成
01
02
03
车轮
包括轮缘、踏面和轮毂， 是直接与轨道接触的部分， 承受车辆重量和传递制动 力。
车轴
连接车轮的轴，通过轴承 支撑车轮转动，传递牵引 力和制动力。
通过建立动力学模型，模拟列车运行过程 中轮对与轨道的动态响应，预测和解决潜 在的振动和稳定性问题。
实验设计法
优化算法
通过实验手段获取轮对与轨道在实际运行 中的性能数据，为设计提供依据和验证。
利用数学优化算法，如遗传算法、粒子群 算法等，对轮对与轨道的结构参数进行优 化，实现轻量化和性能提升。
轮轨接触几何关系探讨
轮轨接触几何关系探讨卜庆萌指导教师姚林泉摘要: 轮轨接触几何关系在高速、安全的轨道交通中具有重要的作用。
本文根据我国使用的三种主要车轮踏面的轮廓线，采用对其一、二阶导函数比较分析的方法研究它们的光滑度。
同时考察不同规格钢轨的光滑度以及与各车轮踏面相配合的结果。
从轮轨几何光滑接触的角度，指出了较优的车轮踏面，较优的轮轨配合以及几何优化原则。
关键字：轮轨关系，接触几何，车轮踏面，钢轨Abstract: The geometric relation of wheel-rail contact plays an important part in fast and safety rail transportation. Based on the three main Chinese wheels, we work out the first and second derivative of the contours in order to compare their smoothness. Also we research the smoothness of different rails and the effect to work in different wheels. From the aspect of that wheel and rail contact in smoothness, the better interface, the better coupling of wheel-rail and the principle of geometric optimization are shown.Keywords: wheel-rail relation，contact geometry，wheel treads，rail1 引言随着铁路列车运行速度、运载重量和运输密度的大幅度提高，机车车辆与轨道结构之间的相互作用引发的问题更加严重，也更趋复杂。
几类轮轨接触几何关系的研究
几类轮轨接触几何关系的研究作者：张全付凯兵李婉清来源：《科技资讯》2021年第26期摘要：高速鐵路的发展带来了新的挑战，轮轨的磨耗增加，不仅增加维修成本，而且也影响了列车的安全性。
因此，对轮轨几何关系的研究尤为重要。
影响高速列车轮轨几何关系的因素很多。
该文以中国铁路的LMA踏面、日本新干线JR-ARC踏面和欧洲标准S1002踏面以及钢轨断面为例，对踏面曲线函数进行研究，比较3种轮轨关系的几何参数差异，分析踏面曲线。
关键词：高速铁路车辆动力学轮轨接触几何关系车轮踏面中图分类号：U211.5 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）09（b）-0025-03Study on Several Kinds of Wheel Rail Contact Geometric RelationsZHANG Quan FU Kaibing LI Wanqing（Changchun Normal University， Changchun， Jilin Province， 130000 China）Abstract： The development of high-speed railway has brought us new challenges. The increase of wheel rail wear not only increases the maintenance cost， but also affects the safety of the train. Therefore， it is particularly important to study the wheel rail geometric relationship. There are many factors affecting the wheel rail geometric relationship of high-speed train. Taking LMA tread of China railway， JR-ARC tread of Shinkansen in Japan， S1002 tread of European standard and rail section as examples， this paper studies the tread curve function， compares the geometric parameter differences of three wheel rail relationships， and analyzes the tread curve.Key Words： High speed railway; Vehicle dynamics; Wheel rail contact geometry; Wheel tread高速铁路的发展给人们的生活带来了便利，缩短了城市之间的距离，但也带来了很多复杂问题。
轮轨型面及系统参数对轮轨空间接触几何关系的影响
钢 轨 配 备 使 用 时 的 接 触 几 何 状 态 ， 论 了轮 对 摇 头 、 底坡 、 距 、 顶 面 高 差 及 钢轨 翻 转 耐 接 触 几 何 参敷 的 响 。鳍 果 讨 轨 轨 轨 表明 ， 同类型踏面与钢轨之间的接触几何状态存在较大差异且上述诸群响因素必项在接触几何关未中予以考虑。 不
触点在踏面与钢轨 上变 化范围较 小， 尤其轨头 上左 右 侧接触点几乎集 中于一点， 因此 造成车轮踏面 与钢轨 轨头 局部 磨耗非 常严重 ； 当轮对 横移量达 到 ９ ７ ． ｍｍ 时． 踏面与轮缘各存在一点与钢轨同时接 触． 即所谓车
我国铁路机车车辆上使 甩的车轮踏面形式有标准
想 来处理轮轨空阊接触几何关 系， 目前 已得到 了较 好 的应用 ］ 。其基本思路是在求轮轨接 触几何 关系时 ，
可以暂时抛 开轨 面的形状 ， 由轮对的 位置 （ 仅 摇头 角
一
系进行 比较研究 。 为了达到 比较 目的 ， 车轮名义直径统 取 为 ９５ １ ｍｍ。 轮对摇头角为 ０， 。轮壕 内侧距 为１３ ３ ５ 接触 点在 ３ 种路面与轨头上随轮对横向移动量 的
转等因素对轮轨接 触几何参数的影响 。
ｌ 不 同类 型车轮踏 面与不同类 型钢轨接 触几
何 关 系 的 比 较
１ １ 同种钢轨与不同类型 车轮踏 面接触几何 关系的 ．
轮轨接触几何关系及滚动理论
第三节轮轨接触几何关系及滚动理论轨道车辆沿钢轨运行，其运行性能与轮轨接触几何关系和轮轨之间的相互作用有着密切的关系。
同时，由于轮轨的原始外形不同和运用中形状的变化，轮轨之间的接触几何关系和接触状态也是不同和变化的。
米用车轮轴承、滚动是车辆获取导向、驱动或制动力的主要方式，轨道车辆中地铁、轻轨常采用钢轮钢轨方式，而独轨、新交通系统及部分地铁则采用充气轮胎走行在硬质导向路面上。
车轮与导轨间的滚动接触关系决定了它们间的作用力、变形和相对运动。
因此滚动接触直接影响城市轨道车辆的性能、安全、磨耗与使用寿命。
一轮轨接触参数和接触状态当车辆沿轨道运行时，为了避免车轮轮缘与钢轨侧面经常接触和便于车辆通过曲线，左右车轮的轮缘外侧距离小于轨距，因此轮对可以相对轨道作横向位移和摇头角位移。
在不同的横向位移和摇头角位移的条件下，左右轮轨之间的接触点有不同位置。
于是轮轨之间的接触参数也出现变化。
对车辆运行中动力学性能影响较大的轮轨接触几何参数如下(图5一8): 1左轮和右轮实际滚动半径r L ,r R。
当轮对为刚性轮对，轮对绕其中心线转动时，各部分的转速是一致的，车轮滚动半径大，在同样的转角下行走距离长。
同一轮对左右车轮滚动半径越大，左右车轮滚动时走行距离差就加大，车轮滚动半径的大小也影响轮轨接触力。
2左轮和右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径和3左轨相石轨在稚轨接触点处的矶头截曲曲率半径和轮轨接触点处的曲率半径大小将会影响轮轨实际接触斑的大小、形状和轮轨的接触应力。
4左轮和右轮在接触点处的接触角s:和6R，即轮轨接触点处的轮轨公切面与轮对中心。
线之间的夹角。
轮轨接触角的大小影响轮轨之间的法向力和切向力在垂向和水平方向分量的大小。
5轮对侧滚角小w。
轮对侧滚角会引起转向架的侧滚和车体侧滚。
6.轮对中心上下位移Z w。
该量的变化会引起转向架和车体的垂向位移。
研究轮轨接触关系时应特别注意轮轨间的接触状态。
车轮与钢轨之间的接触状态可能有两种，即一点接触和两点接触(图5一9)，轮对相对轨道的移动量不大时，一般出现车轮踏面与钢轨顶面相接触，通常为“一点接触”;当轮对相对轨道的横移和摇头角位移量超过一定范围，根据不同轮轨形状特点可能引起车轮踏面和轮缘同时与钢轨顶面和侧面接触，即所谓“两点接触”。
高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响研究
高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响研究杨广雪;赵方伟;李秋泽;梁云;林国进【摘要】为研究高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响,选取修正的Elkins 磨耗指数方法计算轮轨间的磨耗指数,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真的方法,将轮对、转向架构架和车体逐步进行弹性化处理,建立全弹性的车辆系统动力学模型,基于此模型进行数值计算,从时域、有效值、最大值3个方面,结合速度因素,分析摩擦系数、轮对内侧距和轨底坡对轮轨磨耗的影响.结果表明,在相同速度下,摩擦系数越小,轮轨磨耗越严重,随着摩擦系数的增大,轮轨磨耗趋于平稳;随着轮对内侧距的增大,磨耗指数整体呈增大趋势,但轮对内侧距对轮轨磨耗的影响较小;当轨底坡的值取为1/40～1/20时,轮轨磨耗较小;在相同轮轨接触几何参数下,列车运行速度的提高加剧了轮轨间的磨耗.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2019(041)002【总页数】7页(P50-56)【关键词】高速列车;全弹性;系统动力学;轮轨接触几何参数;轮轨磨耗【作者】杨广雪;赵方伟;李秋泽;梁云;林国进【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院 ,北京 100044;中国铁道科学研究院金属及化学研究所 ,北京 100081;中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部 ,吉林长春 130062;中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部 ,吉林长春 130062;北京交通大学机械与电子控制工程学院 ,北京 100044【正文语种】中文【中图分类】U211.5车轮与钢轨的磨耗是轨道交通研究的课题之一，其直接关系到列车的可靠性和安全性[1-2]。
而轮轨接触几何参数是影响轮轨磨耗的重要因素，如能较为准确地研究不同轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响规律，对于车辆设计及维修具有重要的实际工程价值。
运用系统动力学方法研究轮轨间的动态作用是一种有效的方法。
在早期运用该方法时，大多采用多刚体系统动力学模型进行仿真模拟，所有部分均设置为刚体[3]。
第14周 轮轨接触几何关系与力学原理
当轮对中心离开对中位置向右移动横移量yw，那 么左右车轮的实际滚动圆半径分别为：
rL=r0- l yw rR=r0+ l yw
rR rL 2 yw rR rL e 2 yw
W
l -
Nr + r
Nl
W Fl tg ( l ) 2 W Fr tg ( r ) 2
车轮踏面锥度 车轮踏面等效锥度（斜度） 重力刚度 重力角刚度
Traction motor 牵引马达
Gearbox 齿轮箱
265 kW (360 Hk) max 5000 rpm
Coupling连挂
轨底坡
轨底坡
e
锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为0.l的直线段，在直线 段范围内车轮踏面斜度为常数。
第三节
轮轨接触状态认识
钢轨轨头外形 轮轨接触状态 轮轨接触几何参数
50kg/m钢轨外型尺寸
60kg/m钢轨外型尺寸
UIC54 钢轨外型
UIC60 钢轨外型
10 0
z/mm
-10 -20 -30 -40 -40
R50 R60
-20
0 y/mm
20
40
一点接触 踏面接触
两点接触 踏面接触 轮缘接触
K g Wb const
重力角刚度
有使轮对继续偏离原来角位置的作用
合理的轮轨踏面外型不仅可以减缓磨耗， 延长使用寿命，而且有利于车辆曲线通过， 降低轮轨动力作用； 只要轮轨外型参数确定，利用轮轨接触几 何关系，可以确定轮对在不同横移量时车 轮踏面等效斜度、等效重力刚度和等效重 力角刚度等参数；
轮对踏面主轮廓线和轨头外形离散成有限个点
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轮轨接触分析
车轮外形的主要参数
Sd
L3 = 12 mm (Standard China) 中国标准 32 32 -
车轮外形
பைடு நூலகம்
L3 = 10 mm 32.6 33.2 32.5 32.6
Sh
qR
SYSZ40-00-00-02A (200 kph) SYSZ40-00-00-00 (160 kph) S1002 XP55
采用凹形车轮踏面，不仅可以减缓磨耗，延长使 用寿命，而且有利于车辆曲线通过，并使轮缘力 有所降低。
16
磨耗型踏面（LM）
17
磨耗型踏面（LMA）
18
4. 车轮参数定义
轮对内侧距 滚动圆半径 轮缘 轮缘厚度 轮缘角度 轮缘高度 踏面 等效踏面锥度 回转半径差 接触角度差
6
（3） 轮对内侧距
7
轮对内侧距
保证轮缘与钢轨之间有一定游（间）隙，可以：
减少轮缘与钢轨磨耗；
实现轮对自动对中作用；
有利于车辆安全通过曲线；
有利于安全通过辙叉； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太小，可能会造成 轮缘与钢轨的严重磨耗； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太大，会使轮对蛇 行运动的振幅增大，影响车辆运行品质；
12
3. 踏面类型
圆筒踏面（踏面为没有锥度的平坦圆筒、日 本轨检车上，有利于轨道高低变形的测定）
圆锥踏面（踏面带有一定的锥度）
圆弧踏面（磨耗型踏面，踏面带有圆弧）
为了使无论哪种踏面形状均能够防止 车轮脱轨， 因而车轮都设有轮缘。 踏面锥度是使轮对具有复原功能和转向功能的 根本原因，也是引起蛇行运动的根源。
8
安全通过辙叉
9
顺利通过曲线
r0 + y r0 - y
o
R
y
2b
10
轮缘内侧距选取
11
轮轨间隙计算
标准轨距：1435mm
轮对内侧距：1353mm
轮缘厚度：32mm（单侧），64mm（双侧）
国内轮轨间隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm） 欧洲轮轨间隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm）
4
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
轮缘
滚动圆直径 轮缘内侧距 车轮踏面斜度
5
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
① 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。 ② 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。
13
车轮踏面外型
车轮踏面几何形 状是影响行车安 全和运行平稳性 的重要因素。
14
锥形踏面 (TB)
15
磨耗型踏面形成
锥形车轮踏面和钢轨头部的接触面积很小，接触 应力很高，因此在车轮运用初期，局部位置的磨 耗很快，使踏面不久即呈现凹陷。 当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与轨头的轮廓外 形相吻合后，接触应力就明显减小，表面又经过 ‘冷硬’处理，以后的磨耗减慢，踏面外形也相 对稳定。此时的踏面形状接近于磨耗型踏面。
车轮磨耗特性参数
• Sh: 轮缘高
28.1 27.9 28.0 29.0
9.8 10.7 10.8 11.0
• Sd: 轮缘厚度 • qR: 轮缘形状限度
磨耗型踏面（XP55）
21
车轮外形吻合
Comparison between Wheel profiles
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 0 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系
1
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 轮对结构认识 轮轨接触状态认识 轮轨接触几何关系求解 道岔区轮轨接触几何关系
2
第一节 轮对结构
3
1 轮对设计要求
应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）； 应不仅能够适应车辆直线运行，同时又能够 顺利通过曲线和道岔，而且应具备必要的抵 抗脱轨的要求； 应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以 只需要较小的牵引动力并能够提高使用寿命。
• • • •
中国标准 ; 中国轨道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002欧洲标准外形； XP55 TGV 韩国外形
z [mm]
-5 -10 -15 -20 -25 -30 y [mm] S1002 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h XP55
z [mm]
S1002 -10 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h -15 XP55
-20 y [mm]
5. 车轮踏面设置要求
对脱轨安全性要高；
对中性能强； 运行稳定性要好（不发生蛇行运动）； 曲线通过性能要好（曲线通过时产生的横向力 要小）；
Comparison between Wheel profiles
40 50 60 70 80 90 100
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China)- SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 30
5
0
-5
能够顺利通过道岔；
耐磨性要好，即使产生了磨耗，其形状变化也 要小。
踏面设计目的性问题
23
两种踏面接触面积比较
锥型踏面轮轨接触斑
磨耗型踏面轮轨接触斑
24
对踏面动力学性能认识差异
一般地，在曲线通过方面采用磨耗型踏面 有利，而在抑制蛇行运动、车体振动方面 锥形踏面有利。
实际上，现阶段研究结果表明，在抑制车 体蛇行运动和提高稳定性方面，磨耗型踏 面有时也能够取得良好的效果。
25
性能认识差异
• 在车轮横移时，磨耗型踏面车轮的接触角差、 滚动半径差要比锥形踏面车轮的变化大，这使 输入车体的能量减少，车体振动激烈程度降低。 • 在适当运行速度下，与采用锥形踏面的车轮相 比，采用磨耗型踏面的车轮，其转向架蛇行运 动波长短、频率高，而且远离了车体的固有振 动频率。