检索结果-内蒙古大学图书馆

机械工程学报 2019年第2期55卷 147-155页

作者：梁喜仁陶功权陆文教关庆华温泽峰西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031 广州地铁集团有限公司广州500330

钢轨滚动接触疲劳损伤在地铁线路上较为常见。建立包含地铁车辆系统动力学模型、基于安定图的疲劳指数和基于磨耗数的损伤函数为一体的钢轨滚动接触疲劳预测模型,分析车辆在通过三种典型曲线时钢轨的受力状态、接触点位置和损伤情况。... 详细信息

钢轨滚动接触疲劳损伤在地铁线路上较为常见。建立包含地铁车辆系统动力学模型、基于安定图的疲劳指数和基于磨耗数的损伤函数为一体的钢轨滚动接触疲劳预测模型,分析车辆在通过三种典型曲线时钢轨的受力状态、接触点位置和损伤情况。研究结果表明,车辆通过曲线时低轨侧钢轨蠕滑力的合力指向直角坐标系的第四象限,接触点主要位于轨顶区域;高轨侧钢轨蠕滑力的合力主要指向直角坐标系的第三象限,接触点主要位于高轨内侧轨距角处。钢轨表面疲劳指数大于0的概率较大,材料易处于棘轮效应区,同时根据损伤函数得到钢轨的损伤值大于0,即属于疲劳裂纹损伤。容易导致钢轨表面在轮轨常接触区产生与蠕滑力合力方向相垂直的裂纹,其方向与现场观察到的裂纹方向相一致。随着曲线半径的减小,轮轨蠕滑力合力显著增大。磨耗后的车轮和磨耗后的钢轨在小半径曲线上频繁地相互作用,易使钢轨材料产生棘轮效应,是导致钢轨表面产生裂纹和剥离掉块的主要原因。

关键词：轮轨关系钢轨滚动接触疲劳疲劳指数损伤函数蠕滑力

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地铁小半径曲线低轨滚动接触疲劳形成机理初探及减缓措施研究

地铁小半径曲线低轨滚动接触疲劳形成机理初探及减缓措施研究

引用

作者：智乐昆西南交通大学

学位级别：硕士

地铁线路钢轨普遍存在滚动接触疲劳,尤其在线路的曲线段更为严重。由于城市建设的制约,地铁线路中往往会设置较多的小半径曲线。列车在小半径曲线上运行时,轮轨相互作用更加剧烈,轮轨蠕滑率/力更高,由此导致的钢轨滚动接触疲劳问题也更... 详细信息

地铁线路钢轨普遍存在滚动接触疲劳,尤其在线路的曲线段更为严重。由于城市建设的制约,地铁线路中往往会设置较多的小半径曲线。列车在小半径曲线上运行时,轮轨相互作用更加剧烈,轮轨蠕滑率/力更高,由此导致的钢轨滚动接触疲劳问题也更为突出。近年来,随着我国城市轨道交通的快速发展,钢轨滚动接触疲劳现象愈趋严重。它不仅会使得钢轨频繁打磨与更换,显著增加线路运营成本,同时还会恶化轮轨之间的相互作用,威胁行车安全。因此,开展地铁小半径曲线钢轨滚动接触疲劳研究,对揭示钢轨疲劳裂纹的萌生机理、减缓钢轨疲劳损伤的发展速度、保障列车在小半径曲线上的运行安全等具有重要意义。本文针对国内某地铁线路在小半径曲线低轨上产生的滚动接触疲劳损伤问题,通过现场测试与数值仿真相结合的方式,研究低轨滚动接触疲劳的形成原因,并分析车辆、线路相关参数对低轨滚动接触疲劳的影响,在此基础上提出相应的减缓措施。主要工作与结论如下:(1)对某地铁线路进行现场调研,掌握了小半径曲线低轨滚动接触疲劳斜裂纹的分布特征及规律。现场调查结果表明,该小半径曲线低轨滚动接触疲劳斜裂纹主要分布在轨顶中心附近,裂纹角度约为135o,呈连续分布特征,且主要出现在圆曲线上。(2)建立了包含地铁车辆系统动力学模型、基于安定图的疲劳指数和基于磨耗数的损伤函数为一体的钢轨滚动接触疲劳机理分析模型,其中基于现场调研结果对损伤函数模型进行了修正,忽略了“钢轨纵向蠕滑力方向与列车运行方向相反时才计算疲劳损伤”这一假设条件,直接使用未作任何处理的原始磨耗数T?来计算曲线低轨的疲劳损伤。修正后损伤函数模型的仿真结果与现场测试结果基本一致,验证了修正后损伤函数模型的准确性,表明在使用损伤函数仿真分析曲线低轨的滚动接触疲劳问题时不能要求钢轨纵向蠕滑力方向与列车运行方向相反。(3)基于建立的钢轨滚动接触疲劳机理分析模型,输入实测轮轨型面和车辆、线路参数进行仿真计算,结合现场裂纹的分布特征及规律,从蠕滑力合力方向、轮轨接触位置、表面疲劳指数和疲劳损伤分布四个方面分析小半径曲线低轨滚动接触疲劳的形成原因。仿真结果表明,当车辆匀速通过小半径曲线时,低轨蠕滑力合力的角度主要分布在45o与225o附近,轮轨接触点集中分布于轨顶区域,该区域内钢轨表面疲劳指数普遍大于0,材料处于棘轮效应区,同时根据修正后的损伤函数模型计算得到的钢轨总损伤值也大于0,即属于疲劳损伤;随着车辆的不断通过,磨耗后的车轮与磨耗后的钢轨频繁地相互作用,钢轨的疲劳损伤不断累积直至超出材料的韧性极限,最终便导致低轨在轨顶区域形成了与蠕滑力合力方向相垂直、角度约为135o的疲劳斜裂纹。(4)利用建立的地铁车辆系统动力学模型和修正后的损伤函数模型,仿真计算曲线超高、摩擦系数和轨底坡等线路参数对小半径曲线低轨滚动接触疲劳的影响,并在此基础上提出相应的减缓措施。仿真结果表明,针对该小半径曲线的实际情况,适当增大曲线超高与低轨摩擦系数,并将低轨轨底坡维持在1/70,可减缓小半径曲线低轨滚动接触疲劳的形成和发展。但增大曲线超高与低轨摩擦系数会导致高轨磨耗加重,此时可通过减小高轨轨侧摩擦系数的方式予以解决。(5)利用建立的地铁车辆系统动力学模型和修正后的损伤函数模型,仿真计算一系纵向定位刚度、车轮型面和车辆运行速度对该地铁线路曲线低轨滚动接触疲劳的影响,并在此基础上提出相应的减缓措施。仿真结果表明,针对该地铁线路曲线的实际情况,在保证列车运行稳定、安全的前提下,适当减小一系纵向定位刚度、采用DIN5573车轮型面、降低车辆运行速度有利于减缓该地铁线路曲线低轨滚动接触疲劳的形成和发展。

关键词：钢轨滚动接触疲劳轮轨蠕滑表面疲劳指数损伤函数线路参数车辆参数

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线路参数对地铁小半径曲线低轨滚动接触疲劳的影响分析

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机械 2022年第8期49卷 39-46页

作者：智乐昆西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

针对国内某地铁线路在小半径曲线低轨上产生的疲劳损伤问题,通过建立地铁车辆系统动力学模型和损伤函数模型,分析了曲线超高、摩擦系数和轨底坡这3个线路参数对低轨滚动接触疲劳的影响,并提出了相应的减缓措施。研究结果表明,增大曲线... 详细信息

针对国内某地铁线路在小半径曲线低轨上产生的疲劳损伤问题,通过建立地铁车辆系统动力学模型和损伤函数模型,分析了曲线超高、摩擦系数和轨底坡这3个线路参数对低轨滚动接触疲劳的影响,并提出了相应的减缓措施。研究结果表明,增大曲线超高与低轨摩擦系数均会降低低轨的疲劳损伤值,但低轨会发生疲劳损伤的区域基本保持不变;随着低轨轨底坡的不断减小,低轨会发生疲劳损伤的区域将从轨顶偏向外侧处逐渐移至靠近轨距角处,同时疲劳损伤峰值会先减小随后而又增大;适当增大曲线超高与低轨摩擦系数,并将低轨轨底坡调为1/70,可减缓该小半径曲线低轨滚动接触疲劳的形成和发展。

关键词：地铁钢轨滚动接触疲劳轮轨蠕滑损伤函数线路参数

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基于高速列车过岔动力学的道岔磨耗和疲劳研究

基于高速列车过岔动力学的道岔磨耗和疲劳研究

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作者：李金城西南交通大学

学位级别：博士

高速铁路系统是我国交通强国建设的重要支撑,近年来随着高速列车运行密度和行驶速度的提升,有效缓解了铁路客运紧张的问题,同时也加剧了线路钢轨的磨耗和疲劳损伤,特别对轮轨关系多变的道岔区域造成了更大影响。高速道岔转辙区和辙叉区... 详细信息

高速铁路系统是我国交通强国建设的重要支撑,近年来随着高速列车运行密度和行驶速度的提升,有效缓解了铁路客运紧张的问题,同时也加剧了线路钢轨的磨耗和疲劳损伤,特别对轮轨关系多变的道岔区域造成了更大影响。高速道岔转辙区和辙叉区由两股钢轨拼接造成的结构不平顺加大了车辆过岔时的轮轨冲击,使得在我国高速道岔的应用中,出现了尖轨严重磨耗、鱼鳞伤,心轨和翼轨鱼鳞伤及剥离掉块等问题。岔区钢轨磨耗和疲劳损伤严重影响了车辆过岔安全,缩短了道岔使用寿命。因此,为保证车辆过岔性能,减小岔区钢轨磨耗和疲劳损伤,提高道岔使用寿命,本文从车辆过岔动力学性能、岔区钢轨磨耗和滚动接触疲劳等方面出发,研究了车岔参数对道岔的影响。基于国内外轮轨接触关系研究现状,分析了不同法向及切向接触理论对岔区轮轨接触的适用性,建立了完善的车-岔耦合动力学模型,搭建了岔区钢轨磨耗和滚动接触疲劳仿真平台。基于此探明了车岔参数变化对车辆直向和侧向过岔动力学性能、钢轨磨耗及滚动接触疲劳损伤的影响,相关研究成果有效地提高了车辆过岔性能,减小了岔区钢轨磨耗和滚动接触疲劳损伤,从而延长道岔使用寿命。针对岔区轮轨接触理论的适用性,基于国内外轮轨法向及切向接触理论研究成果,以高速道岔转辙区和辙叉区典型断面为研究对象,编写轮轨法向及切向接触模型进行并对比分析。在法向接触模型中,半赫兹、Kalker三维非赫兹模型计算得到的接触斑形状及应力分布相近,且与有限元模型更为接近,赫兹接触模型与其他三种模型计算结果存在较大差异;在切向接触模型中,基于Kalker简化理论的FASTSIM模型、基于半赫兹模型的FASTSIM模型和CONTACT计算结果接近。综合考虑计算精度与仿真时间,基于半赫兹的FASTSIM算法在处理岔区轮轨接触数据时更具优势。针对车辆过岔动力学性能,以高速动车组直向和侧向通过18号客专道岔为研究对象,建立了考虑岔区钢轨真实型面、车辆过岔持续牵引力和运行阻力的车-岔耦合动力学模型。基于国内外相关动力学标准的局限性,对车辆过岔动力学性能评价指标进行分析,指出了适用于评价高速动车组通过道岔结构不平顺时的稳定性、平稳性和安全性的指标。分析了车辆在直向和侧向通过道岔时的动力学性能,并研究了车岔参数变化对高速动车组过岔动力学性能的影响。除侧向过岔车体垂向振动加速度外,各评价指标随车辆一系纵向刚度的增加整体呈减小趋势,因此,一定范围内适当增大车辆一系纵向刚度,有利于提升车辆过岔动力学性能;车辆一系横向刚度对直向过岔轮轨横向力和脱轨系数影响较大,随一系横向刚度的增加先减小后增大;车体垂向振动加速度随车辆一系垂向刚度的增加而增大,其他评价指标受一系垂向刚度的影响较小。车辆空气弹簧横向刚度的减小会造成车体横向振动加速度和车体垂向振动加速度的迅速增大,过小的空气弹簧横向刚度不利于车辆过岔稳定性;空气弹簧垂向刚度对车辆过岔动力学性能影响较小。车辆抗蛇行减振器节点刚度和车辆横向减振器阻尼的选择应综合考虑车辆直向和侧向过岔需求。针对岔区钢轨磨耗严重的问题,对比分析了不同磨耗模型、更新步长、磨耗叠加方法和滤波方法对岔区钢轨磨耗计算的适用性。其中,相比Archard磨耗模型、磨耗指数模型和Zobory模型,磨耗功模型在计算精度和计算速度方面更适用于岔区钢轨磨耗仿真。采用迹线法对轮轨匹配接触进行分析,选取0.05mm作为岔区钢轨磨耗深度更新步长。相比滑动平均法、中值滤波和高斯滤波,根据岔区磨耗特点编写的自适应滤波算法具有更优的拟合度F和光滑度S,更适用于岔区钢轨磨耗滤波处理。基于SIMPACK搭建的动力学模型,结合MATLAB分析软件搭建了岔区钢轨磨耗仿真平台,基于建立的岔区钢轨磨耗仿真平台,以两种动车组模型的计算结果与实测磨耗廓形对比,验证了钢轨磨耗仿真平台的准确性。基于岔区钢轨磨耗仿真平台,以CRH380A型动车组直向和侧向通过18号客专道岔为研究对象,分析了高速动车组过岔时,车岔参数变化对道岔转辙区及辙叉区钢轨磨耗深度及分布的影响规律,总结车辆动力学及钢轨磨耗中的车岔参数匹配关系。车辆直向过岔时,不宜采用过大的一系纵向和横向刚度,而适当增大抗蛇行减振器节点刚度和横向减振器阻尼,有利于减轻钢轨磨耗,其他车辆悬挂参数对道岔直股磨耗影响较小。车辆侧向过岔时,一系垂向刚度、空气弹簧横向、垂向刚度和车辆横向减振器节点刚度对道岔曲股磨耗影响较小,增大车辆抗蛇行减振器节点刚度或减小车辆一系纵向、横向刚度和横向减振器阻尼可以有效减轻道岔曲股钢轨磨耗。适当增大道岔曲股轨距可以减轻曲股钢轨磨耗。车辆直向过岔时,设置1/20轨底(顶)坡有利于改善岔区钢轨磨耗;车辆侧向过岔时,设置1/40轨底(顶)坡有利于改善岔区钢轨磨耗。降低岔区轮轨摩擦系数,可以有效降低岔区钢轨磨耗。针对岔区疲劳损伤问题,建立了岔区钢轨疲劳损伤仿真平台,研究不同

关键词：高速道岔车-岔耦合动力学模型动力学性能车岔参数钢轨磨耗钢轨滚动接触疲劳道岔打磨

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