4 高速轮轨关系
金学松, 温泽峰, 肖新标, 赵鑫, 崔大宾, 吴兵, 钟硕乔, 周信
4.1 引言
由于列车长时间高速运行 , 列车和轨道结构材料服役环境会发生变化 , 各种隐患问题会逐步暴露出来 , 从而威胁到行车安全 . 从全世界高速铁路运营历史和经验看 ,轮轨关系问题极为突出 . 根据轮轨滚动接触副的基本功能和运营过程中出现的问题 ,轮轨关系问题的研究分为轮轨滚动接触基本理论问题、轮轨匹配研究、轮轨黏着和控制、接触表面磨损和滚动接触疲劳破坏、轮轨噪声、脱轨问题 . 它们的研究牵涉许多学科 , 如系统动力学、材料学、摩擦学、固体力学和计算方法等 . 本节就我国高速列车引进、消化、吸收和再创新以及大规模成功运用以来 , 就上述轮轨关系的几个问题所开展的研究工作进行回顾总结.
4.2 高速轮轨关系问题一般描述
到目前为止 , 高速列车商业运营速度接近 350 km/h, 试验速度超过 500 km/h. 它们的驱动、制动、正常的运行都要依靠轮轨滚动接触作用 . 轮轨滚动接触状态直接影响列车运行品质、运行安全以及运输成本 . 图 4.1(a) 表示一个单轮对沿轨道运动情况 ...轮对高速滚动过程中并伴随滑动和自旋运动, 由此在轮轨接触斑上除了正压力外, 还产生轮轨之间的切向分力和力偶分量, 如图 4.1(b) 中所示的直线箭头和弧线箭头...
4.3 轮轨滚动接触基本理论
...目前高速列车最高商业运营速度达到 350 km/h, 试验速度在 500 km/h 左右 . 轮轨在服役过程中 , 反复遇到加速、减速、轮轨接触表面不平顺 (车轮多边形磨耗、钢轨波浪形磨损、钢轨焊接接头和钢轨打磨留下的各种不规则情况 ), 轮轨滚动接触过程是一个速度在改变的非稳态弹塑性滚动接触过程 . 上述的滚动接触理论模型是难以用来清楚解释高速轮轨非稳态滚动现象和机理问题 . 赵鑫和李自力借助于商业软件 ANSYS/LS-DYNA, 发展了三维轮轨弹塑性滚动接触模型 , 分析了车轮滚过钢轨塌陷时引起的轮轨冲击行为 (Zhao 2012). 在他们的模型中 , 轮轨的实际几何尺寸、车辆的簧下质量、轨道的参数特征能够得到考虑 , 滚动速度可以仿真到 40 ∼ 140 km/h, 轮轨接触边界单元采用 “面对面 ” 的接触单元方法 . 图 4.4 表示三维弹塑性轮轨滚动接触计算模型 . 该模型能够分析轮轨系统较高频率振动 , 能够详细分析轮轨弹性滚动接触、弹塑性滚动接触之间差异 . 能够计算出轮轨弹塑性滚动接触状态下 , 接触斑上的详细信息、轮轨体内的弹塑性应力应变场...
4.4 高速轮轨型面匹配设计平台
...崔大宾 (2013) 等结合整个服役期车轮磨耗规律 , 首次提出了综合考虑车轮踏面设计共性问题与个性问题的车轮几何型面均良设计方法 . 此方法将踏面设计工作融入车辆系统设计之中 , 综合考虑了车轮的磨耗规律、轮轨匹配特性、踏面与悬挂系统的匹配特性、轨道不平顺以及速度等级等 , 设计流程如图 4.9 所示 . 图 4.9 中的共性设计部分主要在踏面设计过程中对轮轨接触特性进行分析 , 以便为踏面设计提供依据 .个性化设计部分采用现场测试与理论设计相结合的手段完成 ...
4.5 高速轮轨滚动黏着理论和机理问题
...相对试验研究由于轮轨接触的复杂性及影响黏着系数的因素众多 , 在对轮轨间“第三介质 ” 的研究方面 , 其物理模型和数值方法的建立仍然是一个难题 , 因此研究进展显得尤为滞后 . 目前国内外学者普遍采用弹性流体动力润滑理论并结合微观固体接触理论求解黏着问题 , 其理论模型如图 4.16 所示 ...
4.6 高速轮轨磨损和滚动接触疲劳问题
4.6.1 高速轮轨磨损问题
4.6.1.1 轮轨横断面磨损
高速列车性能好、线路状态好、建造质量高 , 且维修水平也较高 . 运营过程中出现的轮轨伤损问题主要是轮轨磨损问题 , 接触疲劳裂纹问题不像既有铁路那么严重 .轮轨磨损主要表现在轮轨横断面磨损和纵断面不均匀磨损 . 轮轨横断面磨损直接影响车辆稳定 , 纵断面不均匀磨损不仅影响车辆稳定性 , 还激发轮轨高频冲击振动 , 激发轮轨强烈的噪声 , 损坏列车和轨道零部件 . 目前从我国高铁运营几年来经验看 , 轮轨的镟修周期主要由轮轨磨损状态决定 , 普遍运营 2 × 105 km 左右, 因车轮踏面不合理的磨损, 就会导致晃车报警, 个别车辆轮对在达到十几万 km 运营里程就要晃车, 需要及时镟修...
4.6.1.2 车轮滚动方向 (纵向 ) 不均匀磨损
高速列车车轮周向圆度磨损状况经过长期跟踪分析发现 , 车轮多边形磨损现象较为普遍 , 主要的不圆磨损体现如下几种形式 : (1) 偏心磨损 , 如图 4.24(a) 所示 , 主要是由轮对初始几何偏心和质量偏心引起 ; (2) 三角形磨损复合高阶多边形磨损 , 如图4.24(b) 所示 , 主要由轮对第一阶弯曲共振变形和轮对高阶弯曲模态以及其他因素引起 ; (3) 月牙形磨损 , 如图 4.24(c) 所示 , 可能主要有车轮制动引起 , 或车轮加速打滑引起车轮圆周上较大的局部磨损量 ; (4) 高阶多边形磨损 , 如图 4.24(d) 所示 , 主要由轮对高阶弯曲共振和车轮镟削加工过程中设备的振动引起 .
4.6.1.3 高速钢轨波浪形磨损
...在钢轨波磨机理和理论研究方面 , 建立钢轨波磨仿真模型 , 模型中考虑车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨材料摩擦磨损模型 (李霞 2012, 温泽峰 2006), 如图 4.33 所示 , 该模型反映了车辆轨道瞬态耦合作用和轨面累积磨损或塑性累积变形的一个反复循环过程 ...
4.7 高速轮轨噪声问题
...高速列车轮轨噪声主要是滚动冲击噪声, 通常车轮径向模态振动在滚动接触过程中对轮轨振动和冲击贡献较大. 消除轮轨噪声应从振动和噪声的根源上解决问题, 即消除声源或控制声源. 车轮振动和声辐射关系的研究对从根本上解决噪声是十分重要的. 辐射的特性主要研究车轮噪声辐射的指向性, 即声场中同一距离、不同方向上的声压分布. 在实际中, 对车轮声辐射的测量是在声场中某一确定的点上, 因而了解车轮声场的空间分布以及其随不同速度的变化, 采取降噪措施具有重要的意义...
在高速轮轨噪声辐射机理研究方面, 目前还处于初级阶段. 由于高速列车安全运营的条件很严格, 目前全世界在轮轨降噪方面还不能从源头处采取有效主动控制措施.为了降低轮轨噪声对环境的影响, 主要有效的措施之一就是采用声屏障. 图 4.39(a) 为我们设计的新型 “鼻型” 声屏障实物照片和其单元板降噪原理示意图, 单元板面对列车一侧的是面板, 面板上的凸的像 “鼻子” 一样形状的能够有效的改变列车噪声源辐射出噪声的方向, 降低噪声二次反射到列车上 (周信等 2013). 图 4.39(b) 表示这样的声屏障可以安装在高速轨道的两侧, 能够有效隔掉列车的噪声尤其是降低轮轨噪声向环境辐射...
4.8 本节小结
高速列车安全运营是大规模发展和运用高速铁路技术的根本要求 , 在追求任何技术指标和经济指标时候 , 安全是放在第一位的指标 . 轮轨系统技术是高速列车的核心技术之一 . 从过去的十几年里 , 我国铁路发展速度快、规模大 , 虽然取得举世瞩目的成就 , 但是与日本欧洲国家相比 , 运用时间并不长 , 对高速轮轨系统技术和理论虽然取得如本文所述的部分结果 , 但是对本文所提及的高速轮轨关系问题还没有完全解决 , 需要长期地深入开展如下几个方面研究 :(1) 继续全面跟踪测试和统计分析我国已开行的高速线和未来开通的高速线轮轨运用状态和车辆动态性能之间的关系 , 全面掌握我国不同速度等级、不同地区轮轨磨耗和疲劳规律及其主要影响因素 ; (2) 对本文提出的轮轨几何型面匹配设计方法和设计的新型车轮型面 , 进一步完善 , 并付诸室内外试验验证 , 使新型的高速车轮型面尽早能够广的使用 ; (3) 全面开展轮轨选材试验研究 ,建立轮轨材料匹配数据库 , 同时长期开展轮轨新型材料研究和制备 ; (4) 继续完善轮轨接触表面激光毛化工艺技术和现场试验研究 , 尽快推广使用 ; (5) 完善车辆轨道耦合大系统环境下轮轨弹塑性滚动接触模型 , 努力在考虑自旋影响、接触表面状态影响、环境影响和缺陷影响方面取得突破 ; (6) 继续全面开展高速轮轨黏着理论和黏着控制技术研究 ; (7) 深入开展高速轮轨振动和声辐射机理的研究 , 加强低噪声高速车轮和钢轨技术以及减振降噪措施研究 .
金学松, 温泽峰, 肖新标, 赵鑫, 崔大宾, 吴兵, 钟硕乔, 周信
4.1 引言
由于列车长时间高速运行 , 列车和轨道结构材料服役环境会发生变化 , 各种隐患问题会逐步暴露出来 , 从而威胁到行车安全 . 从全世界高速铁路运营历史和经验看 ,轮轨关系问题极为突出 . 根据轮轨滚动接触副的基本功能和运营过程中出现的问题 ,轮轨关系问题的研究分为轮轨滚动接触基本理论问题、轮轨匹配研究、轮轨黏着和控制、接触表面磨损和滚动接触疲劳破坏、轮轨噪声、脱轨问题 . 它们的研究牵涉许多学科 , 如系统动力学、材料学、摩擦学、固体力学和计算方法等 . 本节就我国高速列车引进、消化、吸收和再创新以及大规模成功运用以来 , 就上述轮轨关系的几个问题所开展的研究工作进行回顾总结.
4.2 高速轮轨关系问题一般描述
到目前为止 , 高速列车商业运营速度接近 350 km/h, 试验速度超过 500 km/h. 它们的驱动、制动、正常的运行都要依靠轮轨滚动接触作用 . 轮轨滚动接触状态直接影响列车运行品质、运行安全以及运输成本 . 图 4.1(a) 表示一个单轮对沿轨道运动情况 ...轮对高速滚动过程中并伴随滑动和自旋运动, 由此在轮轨接触斑上除了正压力外, 还产生轮轨之间的切向分力和力偶分量, 如图 4.1(b) 中所示的直线箭头和弧线箭头...
4.3 轮轨滚动接触基本理论
...目前高速列车最高商业运营速度达到 350 km/h, 试验速度在 500 km/h 左右 . 轮轨在服役过程中 , 反复遇到加速、减速、轮轨接触表面不平顺 (车轮多边形磨耗、钢轨波浪形磨损、钢轨焊接接头和钢轨打磨留下的各种不规则情况 ), 轮轨滚动接触过程是一个速度在改变的非稳态弹塑性滚动接触过程 . 上述的滚动接触理论模型是难以用来清楚解释高速轮轨非稳态滚动现象和机理问题 . 赵鑫和李自力借助于商业软件 ANSYS/LS-DYNA, 发展了三维轮轨弹塑性滚动接触模型 , 分析了车轮滚过钢轨塌陷时引起的轮轨冲击行为 (Zhao 2012). 在他们的模型中 , 轮轨的实际几何尺寸、车辆的簧下质量、轨道的参数特征能够得到考虑 , 滚动速度可以仿真到 40 ∼ 140 km/h, 轮轨接触边界单元采用 “面对面 ” 的接触单元方法 . 图 4.4 表示三维弹塑性轮轨滚动接触计算模型 . 该模型能够分析轮轨系统较高频率振动 , 能够详细分析轮轨弹性滚动接触、弹塑性滚动接触之间差异 . 能够计算出轮轨弹塑性滚动接触状态下 , 接触斑上的详细信息、轮轨体内的弹塑性应力应变场...
4.4 高速轮轨型面匹配设计平台
...崔大宾 (2013) 等结合整个服役期车轮磨耗规律 , 首次提出了综合考虑车轮踏面设计共性问题与个性问题的车轮几何型面均良设计方法 . 此方法将踏面设计工作融入车辆系统设计之中 , 综合考虑了车轮的磨耗规律、轮轨匹配特性、踏面与悬挂系统的匹配特性、轨道不平顺以及速度等级等 , 设计流程如图 4.9 所示 . 图 4.9 中的共性设计部分主要在踏面设计过程中对轮轨接触特性进行分析 , 以便为踏面设计提供依据 .个性化设计部分采用现场测试与理论设计相结合的手段完成 ...
4.5 高速轮轨滚动黏着理论和机理问题
...相对试验研究由于轮轨接触的复杂性及影响黏着系数的因素众多 , 在对轮轨间“第三介质 ” 的研究方面 , 其物理模型和数值方法的建立仍然是一个难题 , 因此研究进展显得尤为滞后 . 目前国内外学者普遍采用弹性流体动力润滑理论并结合微观固体接触理论求解黏着问题 , 其理论模型如图 4.16 所示 ...
4.6 高速轮轨磨损和滚动接触疲劳问题
4.6.1 高速轮轨磨损问题
4.6.1.1 轮轨横断面磨损
高速列车性能好、线路状态好、建造质量高 , 且维修水平也较高 . 运营过程中出现的轮轨伤损问题主要是轮轨磨损问题 , 接触疲劳裂纹问题不像既有铁路那么严重 .轮轨磨损主要表现在轮轨横断面磨损和纵断面不均匀磨损 . 轮轨横断面磨损直接影响车辆稳定 , 纵断面不均匀磨损不仅影响车辆稳定性 , 还激发轮轨高频冲击振动 , 激发轮轨强烈的噪声 , 损坏列车和轨道零部件 . 目前从我国高铁运营几年来经验看 , 轮轨的镟修周期主要由轮轨磨损状态决定 , 普遍运营 2 × 105 km 左右, 因车轮踏面不合理的磨损, 就会导致晃车报警, 个别车辆轮对在达到十几万 km 运营里程就要晃车, 需要及时镟修...
4.6.1.2 车轮滚动方向 (纵向 ) 不均匀磨损
高速列车车轮周向圆度磨损状况经过长期跟踪分析发现 , 车轮多边形磨损现象较为普遍 , 主要的不圆磨损体现如下几种形式 : (1) 偏心磨损 , 如图 4.24(a) 所示 , 主要是由轮对初始几何偏心和质量偏心引起 ; (2) 三角形磨损复合高阶多边形磨损 , 如图4.24(b) 所示 , 主要由轮对第一阶弯曲共振变形和轮对高阶弯曲模态以及其他因素引起 ; (3) 月牙形磨损 , 如图 4.24(c) 所示 , 可能主要有车轮制动引起 , 或车轮加速打滑引起车轮圆周上较大的局部磨损量 ; (4) 高阶多边形磨损 , 如图 4.24(d) 所示 , 主要由轮对高阶弯曲共振和车轮镟削加工过程中设备的振动引起 .
4.6.1.3 高速钢轨波浪形磨损
...在钢轨波磨机理和理论研究方面 , 建立钢轨波磨仿真模型 , 模型中考虑车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨材料摩擦磨损模型 (李霞 2012, 温泽峰 2006), 如图 4.33 所示 , 该模型反映了车辆轨道瞬态耦合作用和轨面累积磨损或塑性累积变形的一个反复循环过程 ...
4.7 高速轮轨噪声问题
...高速列车轮轨噪声主要是滚动冲击噪声, 通常车轮径向模态振动在滚动接触过程中对轮轨振动和冲击贡献较大. 消除轮轨噪声应从振动和噪声的根源上解决问题, 即消除声源或控制声源. 车轮振动和声辐射关系的研究对从根本上解决噪声是十分重要的. 辐射的特性主要研究车轮噪声辐射的指向性, 即声场中同一距离、不同方向上的声压分布. 在实际中, 对车轮声辐射的测量是在声场中某一确定的点上, 因而了解车轮声场的空间分布以及其随不同速度的变化, 采取降噪措施具有重要的意义...
在高速轮轨噪声辐射机理研究方面, 目前还处于初级阶段. 由于高速列车安全运营的条件很严格, 目前全世界在轮轨降噪方面还不能从源头处采取有效主动控制措施.为了降低轮轨噪声对环境的影响, 主要有效的措施之一就是采用声屏障. 图 4.39(a) 为我们设计的新型 “鼻型” 声屏障实物照片和其单元板降噪原理示意图, 单元板面对列车一侧的是面板, 面板上的凸的像 “鼻子” 一样形状的能够有效的改变列车噪声源辐射出噪声的方向, 降低噪声二次反射到列车上 (周信等 2013). 图 4.39(b) 表示这样的声屏障可以安装在高速轨道的两侧, 能够有效隔掉列车的噪声尤其是降低轮轨噪声向环境辐射...
4.8 本节小结
高速列车安全运营是大规模发展和运用高速铁路技术的根本要求 , 在追求任何技术指标和经济指标时候 , 安全是放在第一位的指标 . 轮轨系统技术是高速列车的核心技术之一 . 从过去的十几年里 , 我国铁路发展速度快、规模大 , 虽然取得举世瞩目的成就 , 但是与日本欧洲国家相比 , 运用时间并不长 , 对高速轮轨系统技术和理论虽然取得如本文所述的部分结果 , 但是对本文所提及的高速轮轨关系问题还没有完全解决 , 需要长期地深入开展如下几个方面研究 :(1) 继续全面跟踪测试和统计分析我国已开行的高速线和未来开通的高速线轮轨运用状态和车辆动态性能之间的关系 , 全面掌握我国不同速度等级、不同地区轮轨磨耗和疲劳规律及其主要影响因素 ; (2) 对本文提出的轮轨几何型面匹配设计方法和设计的新型车轮型面 , 进一步完善 , 并付诸室内外试验验证 , 使新型的高速车轮型面尽早能够广的使用 ; (3) 全面开展轮轨选材试验研究 ,建立轮轨材料匹配数据库 , 同时长期开展轮轨新型材料研究和制备 ; (4) 继续完善轮轨接触表面激光毛化工艺技术和现场试验研究 , 尽快推广使用 ; (5) 完善车辆轨道耦合大系统环境下轮轨弹塑性滚动接触模型 , 努力在考虑自旋影响、接触表面状态影响、环境影响和缺陷影响方面取得突破 ; (6) 继续全面开展高速轮轨黏着理论和黏着控制技术研究 ; (7) 深入开展高速轮轨振动和声辐射机理的研究 , 加强低噪声高速车轮和钢轨技术以及减振降噪措施研究 .
