道岔区轮轨接触几何关系研究_任尊松
不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响
第51卷第9期2020年9月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)V ol.51No.9Sep.2020不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响陈嵘，丁晔，陈嘉胤，王雪彤，徐井芒，王平(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都，610031)摘要：为了研究不同车轮型面对地铁9号道岔转辙器区的轮轨静态接触行为的影响，基于经典迹线法求解轮轨接触几何关系，利用三维非赫兹滚动接触理论分析接触力学特性，分析接触点对分布、道岔转辙器结构不平顺、轮轨接触几何参数和轮轨接触斑的形状、面积及最大法向接触应力等。
数值计算中，考虑轮背距为1353mm的LM和DIN5573以及轮背距为1358mm的S1002这3种车轮型面，从静力学分析的角度提出地铁道岔区的最优车轮型面。
研究结果表明：DIN5573车轮过岔接触点对分布较集中，结构不平顺幅值较小，直向过岔时轮对的稳定性较好但接触力学特性较差；S1002车轮侧向过岔通过能力较强，接触力学特性良好，但轮对向尖基轨侧横移时较易发生轮缘接触，轮轨表面易产生疲劳伤损；LM车轮综合匹配性能最好。
关键词：轮轨型面；转辙器；等效锥度；接触斑；轮缘接触中图分类号：U211.5文献标志码：A文章编号：1672-7207（2020）09-2624-10Influence of different wheel tread on static wheel-rail contactbehavior in subway turnout areaCHEN Rong,DING Ye,CHEN Jiayin,WANG Xuetong,XU Jingmang,WANG Ping(Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)Abstract:In order to study the influence of different wheel tread on the static wheel-rail contact behavior in the switch area of No.9turnout in the subway,the contact geometry relationship between wheel and rail was solved based on the classic track line method,and the contact mechanical characteristics were analyzed by using the3D non-Hertz rolling contact theory.The content of the analysis included the contact point of distribution,the structural irregularity in the turnout switch,wheel-rail contact geometry parameters and the shape of the wheel-rail contact patch,contact area and maximum normal stress,etc.In the simulation,different wheel profiles,such as LM and DIN5573whose wheel back distances are1353mm and S1002whose wheel back distance is1358mm, were considered.The optimum wheel tread in subway turnout area were proposed from the point of statics analysis.The results show that when DIN5573wheel passes through the turnout,the distribution of its contact point pairs is more concentrated and the amplitude of the irregularity in the turnout switch is smaller.When it DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.09.028收稿日期：2019−09−10；修回日期：2020−06−05基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2017YFB1201100)(Project(2017YFB1201100)supported by the National Key Research&Development Program of China)通信作者：徐井芒，博士，副教授，从事铁路道岔轨道结构与轨道动力学研究；E-mail:******************第9期陈嵘，等：不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响passes through the turnout in the straight route,the wheelset has good stability but poor contact mechanical properties.The S1002wheel has a stronger passing capacity through the turnout in the lateral direction and good contact mechanical properties.However,when the wheelset moves to the switch rail and the stock rail side in the transverse direction,the flange contact is more likely to occur,and the wheel-rail surface is prone to fatigue damage.The LM wheel has the best overall matching performance.Key words:wheel-rail profile;switch;equivalent conicity;contact patch;flange contact随着我国社会经济的繁荣以及城市化进程的加快，城市人口数量剧增，近年来，我国高速铁路与城市轨道交通得到了较快的发展，并受到人们的持续关注，合理的轮轨型面匹配对保证行车安全、改善车辆运行平稳性、降低轮轨接触应力和轮轨磨耗、提高轮轨疲劳寿命等具有重要意义。
道岔区轮轨接触几何关系研究
道岔区轮轨接触几何关系研究
一、研究背景
轮轨接触是车辆运行过程中的特定形体的接触，它不仅是影响行车安全的关键组成部分，也是影响行车安全最重要的影响因素之一。
除了传统轮轨接触几何形状法则，还有一种最新的技术——道岔区轮轨接触几何关系研究。
道岔区轮轨接触几何关系的研究是一种基于复杂几何形状的多参数优化技术，其设计理念是将现有轨道设计概念和统计技术相结合，在满足技术要求的前提下，确定道岔区轮轨接触几何形状以实现最佳的接触比例。
现有的道岔区轮轨接触几何关系研究探讨了轮轨接触在道岔区
中的应用，通过建立模型，可以精准的估算出车轨道的物理参数，从而实现道岔区轮轨接触的最佳比例。
二、研究内容
通过系统地研究道岔区轮轨接触几何关系，包括：
1. 分析轨道设计的技术要求，建立精确准确的模型，从而精准计算出道岔区轮轨接触几何关系。
2. 分析不同轨距设计的轨距设计原则，根据道岔区轮轨接触几何关系的变化，确定最佳的轨距设计。
3. 研究轨距设计的影响因素，如道岔几何关系、轨轮几何关系等，实现最佳接触比例。
4. 对不同轨距设计方案的作用进行模拟和实验验证，以确保接触比例的有效性。
5. 针对不同现场实际情况，模拟和统计相关数据，以确定道岔区轮轨接触最佳的几何关系。
三、研究结论
通过本研究，可以得出以下结论：
1. 通过精确的计算和分析，可以估算出道岔区轮轨接触几何关系的最佳数值，从而实现最佳的接触比例；
2. 不同轨距设计的选择会对道岔区轮轨接触几何关系产生显著影响，在设计时应根据实际情况进行合理选择；
3. 通过模拟和实验验证，可以确保车轨道接触的安全性和可靠性。
轮轨与轮轮接触几何计算研究
Ａｎ ｌ ｓ ｓ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｗｉｃ ｅ ｈｅ ｎｅ ａ ｙ ｉ ｎｄ Ｓ ｍ ｌ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｓ ｔ ｈ ｄ Ｅｔ ｒ ｔ
Ｂａ ｅ ｎ Ｔｒ ｉ ｍ ｍ ｕ ｃ ｔｏ ｔ ｒ ｓ ｄ ｏ ａ ｎ Ｃｏ ｎｉ ａ ｉ ｎ Ｎｅ ｗｏ ｋ
编 程方 法 。
关键词
轮 轨接 触 ； 轮 接 触 ； 算 方 法 轮 计
文献 标 志 码 ：Ａ ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ８ ８ ２ ２ １ ． ５ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ —７ ４ ． ０ ２ ０ ． ２
中 图 分 类 号 ：Ｕ２ １ ５ １．
轮轨 接触 几何 关系计 算是 机车 车辆 动 力学 的基 础 ， 西 南交 通大 学 王开 文 提 出 的“ 线 法 ” 迹 开创 了我 国轮轨 接 触几何 研究 的新 阶段口 ， ］ 为分 析滚 动 振动 台试 验 与 车 辆 实 际线路 运行 特 性 的差 异 有 贡 献 ， 张卫 华 参 照 “ 线 迹 法” 的思 路 推导 了 轮轮 接 触 几何 关 系计 算公 式 ， 轮 轮 将 接 触点 的寻 找 简化 为 一 维 搜 索 。随 着 我 国多个 滚 动 ］ 试 验 台的建成 ， 为更 好地 发挥 滚动试 验 台对 机 车车 辆研 发 的指 导作 用 ， 要 进 一 步研 究 和 明确 轮轨 、 轮接 触 需 轮
已确定 的轮 对 ， 轮轨接 触点迹 线 只与摇 头 角和 侧滚 角 有
关ｌ ； ＿ 而对 于轮轮 接 触 ， 需 考 虑 轨道 轮 的半 径 和 轮 对 １ 还 初始 位置 。
几 何关 系 ， 与此 同时 ， 轨 、 轮接触 几 何方 面 的研 究进 轮 轮
倪 平 涛 （９ ８ ） ， １６ 男 湖北 天 门人 ， 级 工程 师 （ 回 日期 ： ０ ２ ６ ２ 高 修 ２ １ —０ —１ ）
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。
轮轨与轮轮接触几何计算研究
轮轨与轮轮接触几何计算研究倪平涛;刘德刚;曲文强【摘要】对轮轨接触几何计算的迹线法进行了深入研究,给出了两种常用坐标系下‘迹线法’的正确计算公式.在此基础上,对轮轮接触几何关系进行了分析,结果表明:轮轮接触点计算并不能像轮轨一样缩减为一维搜索,只能由二维搜索得到,给出了一种简洁的轮轮接触二维搜索算法及公式；同时提供了一种快速搜索轮轨和轮轮接触点的编程方法.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】5页(P5-9)【关键词】轮轨接触;轮轮接触;计算方法【作者】倪平涛;刘德刚;曲文强【作者单位】广东南车轨道交通车辆有限公司,广东江门529000;中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室,山东青岛266111;中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室,山东青岛266111;中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室,山东青岛266111【正文语种】中文【中图分类】U211.5轮轨接触几何关系计算是机车车辆动力学的基础，西南交通大学王开文提出的“迹线法”开创了我国轮轨接触几何研究的新阶段［1］，为分析滚动振动台试验与车辆实际线路运行特性的差异有贡献，张卫华参照“迹线法”的思路推导了轮轮接触几何关系计算公式，将轮轮接触点的寻找简化为一维搜索［2］。
随着我国多个滚动试验台的建成，为更好地发挥滚动试验台对机车车辆研发的指导作用，需要进一步研究和明确轮轨、轮轮接触几何关系，与此同时，轮轨、轮轮接触几何方面的研究进展也将促进机车车辆仿真的深入及普及。
本文在对轮轨接触迹线法进行研究的基础上，提出一种简洁、使用方便的轮轮接触二维搜索计算方法，同时提供了一种快速搜索轮轨和轮轮接触点的编程方法。
1 轮轨和轮轮接触点计算公式的推导在直线钢轨上，由于直向半径为无穷大，对于踏面已确定的轮对，轮轨接触点迹线只与摇头角和侧滚角有关［1］；而对于轮轮接触，还需考虑轨道轮的半径和轮对初始位置。
道岔区轮轨力转移与分配特性研究
且车辆与轨道组成的耦合系统处于稳定状态时， 设 轮轨 间的有效 弹性 压缩量 为 ，参 照文献 Ｅ ］ ｏ ｓ ，ａ 取轮轨间总弹性压缩量 的 ０ ５ 倍 ，计算模型如 ．５
图 １所示 ，参数说 明见文 献 Ｅ］ ５ 。车轮到尖轨 和基 本轨 的距 离如 图 ２所示 。如果 车轮到 基本轨 和尖轨
（ 或者为翼轨和长心轨、或者为长心轨和短心轨 ） 的最小距离分别为 ｄ 和 ｄ 那么轮轨间发生 ２ 点 接触 的条 件可 以表述 为 ｆ ＜ ２点接 触
１ ≥
一
１ 点接 触
为忽略该状态对道岔动力学研究几乎没有影响。但 是接触状 态④ 对道 岔 动力 学 有 着 十分 重 要 的影 响 ，
路 一致 的单 点接 触问题来 完成 。这显 然与 实际 的轮
态④的 ２ 点接触展开研究 ，并提出其判定方法以及 轮轨法 向力计 算方法 ，研 究轮轨力 在走行 轨上 的转
移 与分 配特性 。
岔接触状态存在较大的差异 ，而且复杂的轮／ 岔接 触几何关系是道岔区轮轨相互作用的本质特征 ，忽 略或简化 其求解 方法必 然影 响到道 岔动力 学研究 结 果的准 确性 。
触状态的组合 ；④车轮分别与同侧并列的 ２ 股钢轨
同时接 触 ，即一接触 点在基 本轨上 而另一 接触 点在 尖轨上 ，或者一 接触点 在翼 轨上 而另一接 触点在 心 轨上 ，简称 “ ２点接 触 ” 。 接触 状态 ①下轮轨 接触 参数 以及轮 轨力求解 方 法 目前 已经很好 地得 到解决 。接触 状态 ②下轮 轨力 和接触 参 数 计 算 方 法 目前 也 已 有 较 为 详 细 的 论 述Ｅ 。 司。接触 状态 ③只是 理论上 存在 ，文献 Ｅ ｉ认 ｌ
【2021年整理】铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系 (1)
rL=r0- l yw rR=r0+ l yw
rR rL
2 yw
e
rR rL 2 yw
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等效斜度
1.2
磨 耗 踏面
0.8
锥形 踏面
l e
0.4
0.00
4
8
12
yw/mm
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轮对重力刚度
W l - Nl
-20
XP55
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55
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y [mm]
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z [mm]
0
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车轮外形吻合
• 中国标准 ;
• 中国轨道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ；
Comparison between Wheel profiles
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55
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) tg(L
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转辙器部分轮轨接触应力分析
2008年第12期铁 道 建 筑Railw ay Engineering文章编号:100321995(2008)1220079202转辙器部分轮轨接触应力分析胡秋华1,2(11成都铁路局焊轨段,成都 610051;21西南交通大学土木学院,成都 610031)摘要:以客运专线18号道岔为例,选取磨耗型踏面车轮,建立弹性基底约束条件下的道岔区转辙器部分轮轨接触计算模型,对尖轨轨头顶宽20~50m m 范围内轮载过渡区,尖轨及基本轨的轮轨接触应力进行了较为详细的分析。
关键词:客运专线 转辙器 磨耗型踏面 轮轨接触中图分类号:U21316+1 文献标识码:A收稿日期:2008207210;修回日期:2008209220作者简介:胡秋华(1979)),女,江西高安人,硕士研究生。
对于轮轨接触中真实的轮缘两点接触或多点接触的情况。
采用弹性半空间假设并非完全成立,有时可能存在较大的误差,实际道岔转辙器轮载过渡区轮轨接触斑长轴、短轴大小及接触位置及接触应力的影响深度在赫兹理论中都没有很好体现。
有限元方法突破了赫兹理论假设的局限性,转辙器部分轮轨接触位置、接触斑大小、接触应力水平等都能得到较好的模拟结果。
本文以客运专线18号道岔为例,选取磨耗型踏面车轮,建立起弹性基底约束条件下的道岔区转辙器部分轮轨接触计算模型,对轮轨接触应力进行了分析。
1 转辙器部分轮轨接触模型假设1)计算中采用的基本参数:摇头角W =0b ,轴载F N =2510t,摩擦系数L =0132,横向荷载为5t,侧向过岔速度为90km P h 。
车轮和钢轨的弹性模量是E =206GPa,泊松比为M =013,钢轨的屈服强度值为450M Pa,车轮轮径为840mm,钢轨为60kg P m,车轮踏面为L M 磨耗型踏面,轨底坡1B 40。
2)尖轨与基本轨间的贴靠用弹簧单元来模拟。
3)轨下基础横向支承、垂向支承采用弹簧单元来模拟,轨下采用点支承方式,横向刚度取为30kN P mm,垂向支承刚度为60kN P mm 。
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轨顶高度/mm
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图 3 不同截面下尖轨与基本轨空间位置关系 Fig.3 Switch rail and stock rail positional relationship
现阶段，道岔区尖轨采用矮型轨(60AT)加工而 成，其轨头外形轮廓上与标准钢轨一致。利用离散 的钢轨轨顶数据和尖轨加工方式[6]，获得尖轨不同 截面和顶宽的轨头外形数据，再依据其平面布置与 轨顶高关系(图 2)，形成尖轨与基本轨任意截面的空 间位置关系(图 3，标注数值表示尖轨顶宽)。
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顶宽
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(a)
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图 6 转辙区轮轨接触图示 Fig.6 Wheel and switch rails contact states
在运动状态下，图 6(d)表示的三点接触情况很 难发生[7]，忽略这种情况对道岔区轮轨动力特性几 乎没有影响[7]。图 6(a)和图 6(b)表示的轮轨接触目 前已有较为详细的研究[8]。对图 6(c)表示的接触状 态方面的研究，因其复杂程度，目前国内外还未能 有所突破，但该型接触状态对道岔区轮轨力分配、 钢轨及其它部件振动等均有明显的影响。因此道岔 区内车轮与尖轨和基本轨之间、车轮与长心轨和翼 轨之间以及车轮与长心轨、短心轨之间，在哪一位 置(道岔纵向)发生如图 6(c)表示的接触状态，对确 定道岔系统振动特性具有十分重要的意义。另外， 合理的钢轨结构外形和道岔空间结构设计，对改善 尖轨和心轨甚至整组道岔的使用寿命具有重要的 意义。
图 4 心轨顶宽及顶高与纵向位置关系
Relationship between height and breadth of nose rails
5
0
轨顶高度/mm
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(a) 30mm
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1.3 心轨轨头外形离散 心轨(60AT)轨头外形与准轨(60kg/m)轨头外形
完全一致，但在结构上，长心轨需分别与两边翼轨 贴靠以满足车辆侧向和直向通过需要，因此长心轨 的切割方式与尖轨切割方式有所不同，为两边切 割。按照心轨加工方式[6]和关键截面外形，可以获
工程力学
225
得长、短心轨任意截面轨头轮廓。再依据心轨顶高 与顶宽关系，可以进一步形成心轨与翼轨之间的空 间位置关系。
2 道岔区轮轨接触几何关系
2.1 道岔区轮轨接触状态 车辆通过转辙区和心轨区时，可能的轮轨接触
情况如图 6 所示[7]。1) 单点接触(图 6(a))；2) 两点 接触(同一股钢轨上，第二点为轮缘接触，图 6(b))； 3) 两点接触(一点在基本轨上，另一点在尖轨上， 图 6(c))；4) 三点接触(这种接触状态为图 6(b)与图 6(c)的组合，图 6(d))。
时，依据钢轨在每一岔枕上的横向和纵向位置关系 确定[1]；对于后者，由于难度较大通常被忽略或作
此，本文以 200km/h 12 号可动心轨式单开高速道岔 轮轨接触为研究对象[5]，在借助离散手段来描述不
———————————————
收稿日期：2007-04-26；修改日期：2007-09-02 基金项目：国家自然科学基金项目(50575020) 作者简介：*任尊松(1969―)，男，四川南部县人，副教授，博士，主要从事车辆动力学、轨道动力学和结构强度方面的研究工作
需要说明的是，这里用于轮轨接触关系研究的 车轮踏面为磨耗型踏面，两走行轨之间轨距为标准 轨距，轨顶/底坡 1︰40，且尖轨、心轨以及基本轨 均无磨耗并处于正常状态。 2.2 轮/岔两点接触判定方法
这里以车辆侧向过岔时转辙区轮轨接触为例，
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工程力学
说明道岔区两点接触判定与轮轨力求解方法。
求解轮轨接触几何关系时，常采用迹线法确定
(E-mail: zsren@)； 孙守光(1962―)，男，黑龙江牡丹江人，教授，博士，副校长，主要从事车辆动力学和结构强度方面的研究工作(E-mail: sgsun@).
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工程力学
同道岔截面多股钢轨外形基础上，拟对道岔区轮轨 接触几何特点展开更为深入地研究，这也是道岔区 轮轨关系研究方面的重要突破。在这里，轮/岔接触 特点主要以静态轮轨接触几何关系和车辆走行过 程中轮轨接触点在各股轨线上的动态变化来表述。 静态方式是指在不考虑轨道振动和轮对角位移、只 考虑轮对横移的情况下，利用轮轨接触几何关系， 分析道岔区车轮与多股钢轨间接触特点；动态方式 是指在建立车辆-道岔系统动力学模型、提出车轮与 两股钢轨同时接触判断方法，以及考虑轨道振动和 轮对所有振动位移基础上研究轮轨接触特性。
STUDY ON THE WHEEL/RAIL CONTACT GEOMETRY RELATION OF THE TURNOUT ZONE
*REN Zun-song , SUN Shou-guang
(School of Mechanical, Electronic & Control Engineering, Beijing Jiaotong Univercity, Beijing 100044, China)
第 25 卷第 11 期 Vol.25 No.11
工程力学
2008 年 11 月 Nov. 2008
ENGINEERING MECHANICS
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文章编号：1000-4750(2008)11-0223-08
道岔区轮轨接触几何关系研究
*任尊松，孙守光
(北京交通大学机电学院，北京 100044)
摘 要：该文以 12 号可动心轨式单开高速道岔为例，在对道岔区相关走行轨线轨顶外形离散基础上，依据其空 间布置关系，详细研究了道岔区轮轨接触特点，给出了轮/岔两点接触判定和计算方法，确定了道岔尖轨区和心轨 区在现有空间结构下发生多点接触位置，给出了轮轨力在相关轨线上的转移与分配特性，分析了道岔区轮轨接触 点在走行轨线上的不连续性和跳跃性，揭示了轮/岔间产生横向和垂向冲击振动机理，这为进一步优化高速道岔各 股轨线空间结构奠定了基础。该文的研究结果是目前轮/岔接触几何关系研究方面的重要突破。 关键词：道岔；动态轮轨接触几何关系；两点接触；不连续性；轮轨冲击振动 中图分类号：U211.5; U270.1+1 文献标识码：A
Abstract: Modeled the Chinese No.12 high-speed single way moved nose rail concrete sleeper turnout, the characteristics of the wheel/rail multi-points contact geometry relationship are studied by use of the spatial outline discretion of the rails of the turnout zone. The principle and method to estimate wheel/rails two-point contact are advanced, and the positions of the wheel/rail multi-point contact in the switch area and frog area of this type turnout are located in this paper too. Moreover, the distribution of the wheel/rail forces loaded on the rails and the characteristics of positional discontinuity of the wheel/rail contact point from one rail to another one are also presented. It is shown that it is the positional skip of the contact points on the running rails that causes lateral and vertical furious impact between the wheels and rails in the turnout zone. The proposed method is very helpful to optimize the structure of the high-speed turnout, and to some degree, and the results is useful to study dynamic wheel/rail contact geometry relation of the turnout zone. Key words: turnout zone; dynamic wheel/rail contact geometry relation; two-point contact; positional
道岔长度
转辙区
道岔中部
辙叉区
直向 长心轨
基本轨
尖轨 导曲线
护轨
翼轨
短心轨 侧向
图 1 道岔区外形图 Fig.1 Turnout zone outline
1 道岔区钢轨轨头离散与外形生成
离散是将钢轨轨头截面外形用多个坐标点来 描述，道岔区各股钢轨轨头外形离散，对准确求解 轮/岔接触关系和轮/岔动态相互作用特性具有十分 重要的意义。 1.1 基本轨离散