不同磨耗阶段轮轨型面匹配下重载货车的动态性能
磨耗
重载列车-轨 道耦合大系 统
重载列车-轨道耦合大系统，包括车辆子系统、车间悬挂子系统、轮轨接触子系统、轨道子系统。
试验研究是掌握重载列车服役性能的直接手段。试验测试技术已相对成熟，振动加速度、位移测试用于掌握 列车关键部件的振动特性，评价列车运行稳定性及平稳性；动应力测试用于监测构架、车体等部件的动态应力； 轮轨力利用测力轮对完成，以评价列车脱轨安全性，并辅助分析轮轨伤损及磨耗特性。轮轨磨耗状态在线监测技 术尚不成熟，主要利用轨检车在停车状态完成，以保证精确测量，测试内容包括车轮型面磨耗、车轮周向磨耗和 钢轨型面磨耗状态及钢轨波磨特性等。为了研究轮轨磨耗状态对重载列车安全运行影响，在试验研究过程中应全 面掌握不同运行时期列车关键部件振动特性和轮轨磨耗状态，获得轮轨磨耗演变规律，研究不同轮轨磨耗状态下 的列车动态运行特性，找出影响重载列车安全运行的轮轨磨耗限值，包括车轮非圆化、踏面凹陷、轮径差、轮缘 磨耗等。
不同轮对安装偏转角下同一轮对左右车轮的圆周磨耗深度和轮缘厚度随运行里程的变化时。可以看出：轮对 安装偏转角 ψ0导致车轮磨耗速度急剧上升，车辆在直线上运行时，在理想状态下运行 97×104 km后圆周磨耗 深度达到段修限度，而 ψ0=1 mrad时只需要运行 34.9×104 km，ψ0=2 mrad时为 13.4×104 km，ψ0=30 mrad时为 6.5×104 km，段修磨耗寿命分别减少了 64%、86.2%和 93.3%；左右侧车轮圆周磨耗深度较为接近， 段修限度内的最大轮径差为 0.94 mm；ψ0越大，轮缘厚度差越大，理想状态下的轮缘厚度差最大为 1.58 mm， ψ0=1 mrad时为 2.1 mm，ψ0=2 mrad时为 2.5 mm，ψ0=3 mrad时为 3.0 mm，说明 ψ0越大，车轮偏磨越严 重。
基于LMA型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ ＩＮＡ ＲＡ ＩＬＷ ＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ
ＶＯ１．３９ Ｎｏ．１
Ｊａｎｕａｒｙ， ２０１８
文 章 编 号 ： １００１—４６３２ 【２０１８） ０１—００９３—０７
基 于 ＬＭＡ型 面 磨 耗 车轮 与 ６０Ｎ钢 轨 匹配 的 高铁 车辆 动 力 学 性 能分 析
２００，６０，１６和 ８ ｍｍ 。
Ｃ，ｒ－４９ｋＮ ｍ ：Ｋ，￣ ５０Ｎ·ｍ‘ｌ ｃ￣－９４ ｌ ·ｓ－Ｉｎ＂ ；墨产５０ Ｎ．ｍ‘
图 ４ 轨 道 柔 性 基 础
第 ３９卷
董
蘧
型
横 向坐标／ｍｍ
图 １ 实测车轮型面
藿
车辆模 型 中包 括有 车体 、转 向架 、轮对 等 刚体 以及 连接 各部 分刚 体所 需 的 悬挂 单 元 等 ，ＣＲＨ：型 高速列车的车辆参数见文献 ［１ｏ］，车辆通过速度 为 ２５０ ｋｍ ·ｈ一 。轨道 模 型 中 ２种钢 轨 的轨 头廓形 分别采 用 ６Ｏ和 ６０Ｎ廓 形 。轮 轨 接触 计 算 中 ，采 用 赫兹接触理论计算轮轨法 向力 ，采用 ＦＡＳＴＳＩＭ 算 法 解决 切 向 问题 。 １．３ 车辆 动 力评价 方法
马 晓 川１，２，王 平 ，ｕ，徐 井 芒 ，王 健 ，胡辰 阳
（１．华东 交通 大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究 中心 ，江西 南 昌 ３３００１３； ２．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； ３．西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 ６１００３１）
收稿 日期 ：２０１７—０３—２０；修订 日期 ：２０１７—０８—０４ 基金项 目：国家 自然科学 基金资 助项 目 （５１４２５８０４，５１６０８４５９，Ｕ１２３４２０１，Ｕ１７３４２０７）；中国铁路总公 司科技研 究开发 计划重 点项 目
高速铁路车轮与钢轨型面匹配分析
不同轮轨型面匹配关系及其轮轨动力特性分析
第 1 期 不同轮轨型面匹配关系及其轮轨动力特性分析 7
等), 将这些值输入到轮轨空间耦合关系程序 , 读入车轮 踏面和钢轨型面的离散数据 , 进行各坐标系的转换和拟 合插值计算 , 采用“迹线法”[ 2] , 以轮对横移作为参变量 , 即可得到轮轨接触点随轮对横移的几何变化关系 。
轮轨接触几何关系是轮轨动力学的核心 , 是联系车 辆子系统和轨道子系统的纽带 , 准确确定非线性的轮轨 接触几何参数是进行车辆 —轨道耦合动力学分析的必 要条件 。 近年来 , 随着我国铁路客运高速 、货运重载的 发展 , 车轮踏面和钢轨型面出现多样化 。货车车轮踏面 主要有锥形踏面和 L M 磨耗型踏面 , 钢轨质量由 43 kg/ m 逐渐提高到 50 、60 乃至 75 kg/ m , 其型面也发生了较 大变化 。不同的车轮踏面和钢轨型面接触的非线性 , 给 轮轨空间接触几何关系研究带来了一定困难 , 很多学者 都对此做了不同程度的研究和探讨[ 1-6] 。 文献[ 1] 提出 了一种求解轮轨动态接触几何关系数值计算的新方法 , 该方法可以考虑轮轨弹性变形和轮轨瞬时脱离的情形 , 给全面确定动态轮轨接触几何参数并进行车辆 —轨道 耦合动力学系统仿真分析提供了可能 。
表 1 不同轮轨匹配在直线运行仿真时的轮轨响应(无 激扰)
钢轨类型 踏面 /(kg ·m-1) 类型
TB 50
LM TB 60 LM TB 75 LM
轮轨横 向力/ kN
0 .077 17 .260 0 .702 3 .586 2 .668 3 .663
轮轨垂 向力/ kN
119 .6 119 .6 119 .6 119 .6 119 .6 119 .6
图 1 轮轨离散数据外形图
2 不同轮轨型面匹配的接触几何关系仿真分析 在轮轨接触几何关 系仿真计算 时 , 给 定初值条 件
动车组车轮踏面磨耗对动力学性能的影响
轮踏面磨耗是车轮缺陷表现的主要形式[1]，对轮轨接触关系和车辆系统运行的稳定性、平稳性、安全性，以及运营成本产生较为明显的影响。
目前，在役动车组运营一段时间后常出现晃车和垂向振动加剧等现象[2]，这是由于车轮踏面不断磨耗造成的。
在此以实测磨耗后的踏面为基础，以CRH 2型动车组为研究对象，针对动车组的新踏面、实测小磨耗踏面及大磨耗踏面与标准轨道匹配，研究车辆在不同磨耗踏面下的运行动力学性能，以求对保证高速列车安全可靠运行有一定的指导意义，并为踏面外形的优化设计提供一定参考。
1 不同踏面对比目前，我国动车组主要采用3种不同踏面。
其中，CRH 1型和CRH 2型动车组采用LMA踏面，CRH 3型动车组采用S1002CN踏面，CRH 5型动车组采用XP55踏面[3]。
动车组运行一段时间后，踏面出现磨耗现象，根据实测踏面形状，选取2种不同磨耗程度的LMA踏面，与新踏面进行对比（见图1）。
动车组车轮踏面磨耗对动力学性能的影响徐 凯：西南交通大学机械工程学院，博士研究生，四川 成都，610031李 芾：西南交通大学机械工程学院，教授，四川 成都，610031李东宇：中国铁路物资北京有限公司，助理工程师，北京，100053杨 阳：西南交通大学机械工程学院，博士研究生，四川 成都，610031摘 要：比较不同磨耗程度下LMA踏面的形状和轮轨接触特征，建立CRH 2型动车组计算模型，使用不同磨耗程度的LMA踏面配合60 kg/m钢轨轨面，对其动力学性能进行仿真计算。
结果表明，在踏面出现磨耗后，车辆稳定性、车体振动加速度和平稳性指标均较新轮状态恶劣；车体振动功率谱密度分布表明，车体摇头振动能量明显增大，垂向振动特征没有发生变化；随着踏面的磨耗，车辆曲线通过性能得到改善；对于在役动车组，应严格控制其车轮踏面磨耗。
关键词：高速动车组；转向架；踏面磨耗；动力学性能中图分类号：U260.11 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2016）09-0040-05车图1 磨耗踏面与新踏面对比Y /m m302010-50 0 50X /mm小磨耗踏面大磨耗踏面 新踏面动车组车轮踏面磨耗对动力学性能的影响 徐凯 等从新踏面和磨耗踏面对比可以看出，磨耗主要出现在踏面与轨道接触区域，即名义滚动圆附近。
重载铁路固定辙叉型面匹配与磨耗预测研究
重载铁路固定辙叉型面匹配与磨耗预测研究重载铁路的高运量、大轴重、高密度的运输模式使得轮轨伤损加剧,尤其是固定辙叉不可避免的“有害空间”问题,使得固定辙叉较普通钢轨伤损更加严重,养护维修工作量剧增,但是重载铁路运输的高密度特点使得天窗时间有限,无法对辙叉进行系统的维护。
随着重载铁路的快速发展,固定辙叉磨耗机理与车轮与辙叉型面匹配研究是轮轨关系研究领域中的关键问题。
本文在参考国内外钢轨磨耗理论与道岔动力学研究资料的基础上,将机车车辆与固定辙叉区轨道视为一个整体大系统,以车辆动力学、道岔动力学、轮轨有限元方法为基础,以岔区轮轨关系为联系纽带,应用仿真的方法来研究机车车辆通过固定辙叉的动力特性、行车的平稳性,对固定辙叉心轨进行磨耗预测,为固定辙叉型面优化和养护维修标准的提出提供理论支撑。
主要研究工作如下:(1)建立了机车车辆-固定辙叉系统动力学模型,分析机车车辆通过固定辙叉时的轮轨力、滚动圆半径、摩擦功率以及蠕滑率等的变化规律,由于“有害空间”的存在,当机车车辆车轮从固定辙叉翼轨过渡到心轨的瞬时,轮叉之间具有较大的横向力和垂向力以及摩擦功率,滚动圆半径在过渡位置处产生突变,对心轨产生冲击作用,此处心轨磨耗严重。
研究了车轮型面对机车车辆通过固定辙叉的垂向力和平顺性的影响,其与车轮踏面中部和踏面外侧的高度差相关,高度差越大,垂向力越大,过叉平顺性越差。
(2)建立了机车车辆与固定辙叉三维弹塑性接触有限元模型,研究车轮与固定辙叉关键截面位置的接触斑、等效应力、接触法向力等的分布情况,分析轴重、牵引力对轮叉间纵向摩擦力、等效应力以及接触状态的影响规律,比较不同横移量时的轮叉接触斑、等效应力、接触法向力和纵向摩擦力等。
根据不同型面车轮与固定辙叉关键截面位置的接触状态,总结标准与磨耗机车车辆车轮通过标准与磨耗固定辙叉时的接触轨迹,分析车轮与辙叉型面对过叉接触位置的影响。
对比不同速度下动载垂向力与静载轴重作用下的等效应力。
车轮磨耗对动车组动力学特性的影响
图 １ 不 同 里 程 下 的 轮 轨 接 触 关 系
图 ２ 等 效 锥 度 随横 移 量 变化
图 ３ 接 触 角 随轮 对 横 移量 变化
等效锥 度 的计 算采 用 ＵＩＣ５１９ 标 准 ：
应用 ｋｌｉｎｇｅｌ公式 计算 等效锥
［二至垄 匝］ＩＩｉ 西铁科技
车轮 磨耗 对 动车 组动 力 学特性 的影 响
关键 词 ：高速 动车 组 ；车轮 磨耗 ；轮 轨接 触 ；等 效锥度 ；动 力 学分析
Ｏ引 言
铁 道 车 辆 系 统 的运 行 主要 依 靠 轮 轨 系统 的相 互接 触 来 实 现 的 ， 车 辆 运 行 的好 坏 取 决 于 轮 轨 接 触 关 系 的优劣 。好 的轮轨 匹配 可 以有 效 地 提 高 车辆 临 界速 度 。提 高 降 低 轮 轨 间 的作 用 力 ，降低 轮轨 磨 耗 ， 改 善 了曲线 通 过性 能 ，从 而 延 长 了 车 轮 旋 修周 期 ，提 高 车 轮运 行 的可 靠性 。国 内外学者 在 车轮磨 耗对 动 力 学 影 响 方 面 做 了大 量 研 究 。 例 如 ：研 究 车 轮 型面 磨 耗 对动 力 学 的 影 响 ：研 究线 路 因素 对 于车 辆 动 力 学 的 影 响 ：研 究 车 轮 偏 磨 、凹 型磨 耗 以 及 轮 径 差 对 车 辆 动 力 学 的 影 响 ：研 究 不 同轨 底坡 下 轮 轨 静态 接 触分 析 ，包 括 蠕 滑 力 和轮 轨 法 向力 等 。
本 文 主 要 针 对 ６０ｋｇ／ｍ 钢 轨 和 动 车 Ｓ１００２ＣＮ车轮 型面 ，分 析 了不 同磨耗 里程 下 的轮轨 接触 关系 。采 用 ＳＩＭＰＡＣＫ建立 动 车 模 型 ．为 动
车 运 行 平 稳 性 、稳 定 性 和 安 全 性 提 供 了理论依据 ，本文通过 对动 力学 的 分析为踏面设计和旋修提供参考 。
车轮磨耗对轮轨匹配的影响规律
车轮磨耗对轮轨匹配的影响规律
刘闯;李国栋;宋春元;李晓峰
【期刊名称】《中国铁路》
【年(卷),期】2017(000)012
【摘要】轮轨匹配是影响高速动车组动力学性能的重要因素,合理的车轮型面可以提高轮轨匹配特性,从而减小轮轨间作用力.选取一列状态良好、运行固定交路的高速动车组进行长期跟踪测试,对比分析不同里程下的车轮踏面状态,对照相应里程时的车辆动力学性能,分析研究各磨耗阶段轮轨匹配对车辆性能的影响.
【总页数】6页(P23-28)
【作者】刘闯;李国栋;宋春元;李晓峰
【作者单位】中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心转向架研发部,吉林长春130000;中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心转向架研发部,吉林长春130000;中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心转向架研发部,吉林长春130000;中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心转向架研发部,吉林长春130000
【正文语种】中文
【中图分类】U270.1
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周邵博
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轮型面 ， 应用多体动力学软件 Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ａ Ｃ Ｋ进行仿真 计算分析 ， 比较不 同磨耗时期的车轮型面对重载 货车车辆动力学性能 的影响， 分析直线运行 时的
平稳 性 和稳定 性 以 及 曲线 通 过 性 能 ， 为 重 载 货 车 车轮 型 面 的优 化设 计提 供 通 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ ＤＡ Ｌ Ｉ ＡＮ Ｊ Ｉ Ａ０Ｔ ０ＮＧ Ｕ ＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ２月
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ９ ５ ９ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ０ ６ — ０ ５
不 同磨 耗 阶段轮 轨型 面 匹配 下 重 载 货 车 的 动态 性 能
张铁 ， 张军 ， 张剑
（ 大连交通大 学 交通运输与工程学院 ， 辽 宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ８ ） 米
摘
要： 应用轮轨型面测量仪在大秦重 载线路 上跟踪测 量 了不 同磨 耗 阶段 的轮轨型 面 ， 基于这 些轮 轨型
基于 Ｆ Ａ Ｓ Ｔ Ｓ Ｉ Ｍ算法和 Ｚ ｏ ｂ ｏ ｒ ｙ踏面磨耗模型 ， 对
重载货车车轮磨耗进行仿真分析 ， 并与现场实测
结 果进 行对 比． 本 文 以大秦 重 载 线 路 数 据 为基 础 ， 从 轮 轨 关 系的角 度 出发 ， 基 于不 同磨 耗 阶 段 的重 载 货 车 车
作者 简介 ： 张铁 （ １ ９ ８ ８一） ， 男， 硕士研究 生 ；
张军 （ １ ９ ７ ２一） ， 男， 教授 ， 博士 ， 主要从 事轮轨关系的研究
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｍｇ ｚ ｚ ｔ ＠ １ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ．
第 １期
张铁 ， 等： 不 同磨耗 阶段轮轨型面 匹配下 重载货 车的动态性能
优化 了一系悬挂参数 ， 降低了重 载货车轮轨动力 的相互 作 用 ． 常崇 义 等 通 过 建 立 三维 动 态 有 限
元模 型 ， 对轮轨磨耗进行数值分析． 丁 君 军 等
为 了降低车轮与钢轨的磨耗 ， 专家学者进行 了大量 的研究． 崔大宾等 针对我国重载货车车
轮 圆周 磨耗 严重 的 问题 ，对现 有 重载 货 车 车轮 踏 面进行 优化 ， 利 用 车 辆一 轨 道耦 合 动 力 学 理 论及
７
１ 轮 轨 实 测 型 面 数 据 分 析
大秦铁路是中国新建的第一条双线 电气化重 载运煤专线 ， 应用轮轨型面测量仪 在大秦重载线 路上跟踪测得了大量重载货车车轮型面数据 ， 这
些车 轮 型面数 据 包含 了从 标 准车 轮 型面至 磨耗 到 限 的各个 阶段 型 面 ． 在 这 些 车 轮 型 面数 据 中选 取 ５个典 型 车轮 型 面 ， 如 图 １所示 ．
成本 ．
面， 可实现控制踏面锥度和钢轨磨耗速率 ， 降低轮 轨噪声的 目标． 杨春雷等 基于车辆／ 轨 道耦合 动 力学 原理 ， 应用 车辆 与 线 路 最 佳 匹配 设 计 方 法 和车辆一轨道空间耦合动力学模型 ， 仿真分析 了
重 载货 车一 系垂 向悬 挂 对轮 轨 动 力 作 用 的 影 响 ，
面， 应用多体动力学软件 Ｓ Ｉ ＭＰ Ａ Ｃ Ｋ建立 Ｃ ８ ０重载货车模型进 行仿真计算 ， 分析 轮轨 型面对重 载货 车动力
学性能 的影 响． 结果表明 ： 在运行平稳性 和稳定性方 面 ， 标准 Ｌ Ｍ 型车轮 型面最佳 ， 且 随着 车轮磨耗量 的增 加， 平 稳性 和稳定性逐渐降低 ； 在 曲线通过性 能方 面 ， 各个 阶段 的车轮型 面都达 到了评 价标 准 ， 脱 轨系数 和 轮重减载率都 随着轮轨 的磨耗 而减 小 ； 轮轨横 向力 随着车轮 的磨耗 而逐渐减小 ； 标准 Ｌ Ｍ 型和 Ⅱ型车轮型 面 的磨耗功率较小 ， 与磨耗稳定期钢轨相 匹配能相对 降低 车轮 的磨耗 速率． 关键词 ： 轮轨型面 ； 重载货 车； 动力学 ； 磨耗
三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后车轮 踏面的静态接触性能及动态接触性能进行分析． Ｒ ｏ ｙ Ｅ ． Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 和Ｊ ． Ｋ ａ ｌ ｏ ｕ ｓ ｅ ｋ 以控制轮轨磨耗、 降 低 轮轨 噪声 为 目的 ， 通 过 分 析 研 究 轮轨 接 触 几何
关 系对 车辆 动力 性 能 的影 响 ， 提 出 了一 种 轮 轨 型 面 的设计 方法 ， 指 出通 过此 种方法 设计 的 轮 轨 型
文献 标 识 码 ： Ａ
０ 引 言
为 了提高运输能力， 降低运输成本 ， 重载运输 成为当今世界铁路 的发展方 向之一． 随着货物列 车重载化 ， 特别是货车轴重的增加 ， 车辆与线路的 动态相 互作 用 明显 增 强 ， 导 致 车 轮 与钢 轨 磨 耗 加 剧， 从而降低了车辆运行的安全性并增加 了运营
豢 收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ８ ． ２ ０
基金项 目： 教育部高 等学 校博 士学科 点专项 科研基金 资助项 目（ ２ ０ １ １ ２ １ ２ ４ １ １ ０ ０ ０ ２ ） ； 辽 宁省 自 然 科学 基金 资助项 目（ ２ ０ １ ２ ０ ２ ０ ２ ３ ） ； 牵引动力国家重点实验室开放课题资助项 目（ Ｔ Ｐ Ｌ １ ２ １ ２ ）
线路设计标准以及实 际运行情况 ， 仿真计算 中曲
线部 分采 用 的线路 参 数设 定 为 ： 曲线 半径 ４ ０ ０ ｍ， 圆曲线 长 ２ ０ ０ ｍ， 缓 和曲线长 ９ ０ ｍ， 曲线 超 高 为
１ ２ ０ ｍ ｒ ｌ ｆ ， 轨底坡为 １ ： ４ ０ ， 货车运行速度取 ８ ０ ｋ ｍ ／ ｈ ． 选用美国五级谱 （ Ａ Ａ Ｒ ５ ） 作为轨道激励进行仿真 计算 ．