（光学工程专业论文）重载铁路曲线轮轨磨耗影响因素分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国经济的迅猛发展，铁路货运量逐年增加，重载运输已成为我国铁路货运的 发展方向。但是，车辆运行速度及轴重不断增大，一方面导致列车对线路动力破坏作用 加剧；另一方面，轨道线路对行车安全性及轮轨磨耗问题的影响愈加敏感。传统铁路线 路轨道结构参数设置缺乏充分考虑车线之间复杂的动力相互作用以及对轮轨磨耗的影 响。因此，从动力学角度进行重载铁路小半径曲线轮轨磨耗影响因素的分析，从而采取 相应的措施减缓轮轨磨耗，具有重要的理论价值与工程意义。 本文采用s i m p a c k 多体动力学分析软件建立重载货车动力学分析模型，考虑了货 车系统中的非线性环节，分析中以爱因斯磨耗数为评价指标，研究重载铁路小半径曲线 轮轨磨耗问题。 然后，本文分析了轨道结构参数( 主要包括曲线半径、超高、轨底坡、缓和曲线等 参数) 对轮轨动态相互作用性能及磨耗的影响规律。通过分析发现，不同磨耗阶段下的 钢轨型面对车辆曲线通过性能有较大影响；曲线半径为影响轮轨磨耗的决定性因素；适 当的超高设置有利于减轻导向轮外轮和钢轨的磨耗；适当增大内轨轨底坡可明显改善轮 轨接触状态，改善车辆曲线通过性能；提高缓和曲线线型可改善缓和曲线各衔接点处的 轮轨相互作用力。 最后，本文通过仿真模拟内外轨面摩擦系数的变化分析了轮轨接触面状态对轮轨磨 耗的影响，并且研究了曲线内外轨摩擦系数的合理匹配。结果表明，轨面摩擦系数的变 化对车辆曲线通过性能产生重要影响，曲线外轨磨耗量取决于外轨摩擦系数，并且受内 外轨摩擦系数差值大小的影响；曲线内轨磨耗量在小摩擦系数区间内取决于内轨摩擦系 数，而在中等摩擦系数区间时，取决于外轨摩擦系数。合理的内、外轨摩擦系数匹配， 可有效降低轮轨磨耗。 关键词：重载铁路；小半径曲线；轮轨磨耗；线路参数；摩擦系数 a b s t r a c t 麟t h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei n c r e a s eo fr a i l w a y t r a n s p d r t v o l u m ey e a rb yy e a rh e a v yh a u lr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m et h ed i r e c t i o no fr a i l w a v f r e i g h tt r a n s p o r td e v e l o p m e n ti nc h i n a h o w e v e r , b e c a u s eo f t h ei n c r e a s eo f t h ev e h i c l es d e e d a n da x l el o a d ，i tc a u s e st h a to no n e h a n d ，t h ed e s t r u c t i v ee f f e c t so ft r a i nd y n a m i c a ll o a do nt h e r a i l sa r eg e r i n gm o r es e r i o u s ；o nt h eo t h e rh a n d ，t r a c ka l i g n m e n tp a r a m e t e r sa n dw h e e l r a l l w e a rh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nv e h i c l e sr u n n i n gb e h a v i o r t h ed e s i g no ft h o s e p a r a m e t e r so f c o n v e n t i o n a lr a i l w a yd o e sn o tg i v es u f f i c i e n tt h o u 曲tt ot h ec o m p l i c a t e dw h e e l r a i ld y n a m i c i n t e r a c t i o na n dt h ee f f e c to ft h ew h e e l r a i lw e a r i ti so f g r e a tt h e o r e t i c a lv a l u ea n de n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c et oa n a l y z et h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h er a i l w a yw h e e l r a i lw e a r 岱o mt h e p e r s p e c t i v eo fd y n a m i c sa n dt oa d o p tc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st or e d u c et h ew h e e l 。r a i lw e 筑 t h es i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o du s e di nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h et h e o r yo fc o u p l e d v e h i c l e t r a c kd y n a m i c s d y n a m i ca n a l y s i sm o d e lf o rh e a v yh a u lr a i l w a yv e h i c l ec u r v i n gi s b u i l tb yu s i n gt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r es i m p a c k , a n dt h en o n l i n e a ra s p e c t so f t h ev e h i c l e s y s t e ma r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n e l k i n sw e a ri n d e xa st h ew h e e l r a i lw e a ri n d e xi su s e di n t h es t u d yo ft h ew h e e l r a i lw e a rp r o b l e mo nt h es m a l lr a d i u sc u r v e f o rh e a v yh a u lr a i l w a g t h e nt h ei n f l u e n c eo ft h et r a c ka l i g n m e n tp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gt h ep a r a m e t e r so f t h e c u r v e r a d i u s ，s u p e r e l e v a t i o n ，r a i lc a n t ，t r a n s i t i o nc u r v e ) 0 i lt h ew h e e l r a i ld y n a m i ci n t e r a c t i o n a n dw e a ri sa n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a tv e h i c l e c u r v i n gp e r f o r m a n c ei ss e r i o u s l yi n f l u e n c e d b yw o mr a i lp r o f i l e sa td i f f e r e n ts t a g e s ；c u r v er a d i u si st h ed e c i s i v ef a c t o ri n f l u e n c i n go n w h e e l r a i lw e a r ；i ti sb e n e f i c i a lf o rm er e a s o n a b l e s u p e r e l e v a t i o nt or e d u c et h e o u t e r w h e e l r a i lw e a ro ft h el e a d i n gw h e e l s e t ；i n c r e a s i n gt h ec a n to ft h ei n n e rr a i l e f f e c t i v e l y i m p r o v e st h ew h e e l r a i lc o n t a c ts t a t u sa n dt h ec u r v en e g o t i a t i o no ft h ev e h i c l e t h e i m p r o v e m e n to ft h et r a n s i t i o nc u r v ed e s i g nc a nd e c r e a s et h ei n t e r a c t i o nf o r c e so fw h e e la n d r a i la tt h ec o n n e c t i o no f t h ec i r c l ea n dt h et r a n s i t i o nc u r v e f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo ft h es t a t eo ft h ew h e e l r a i lc o n t a c ts u r f a c eo nt h ew h e e l r a i l w e a ri ss t u d i e d ，w h i c hc o n s i d e r st h er e a s o n a b l em a t c h i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ei n s i d e a n do u t s i d er a i l sb yc h a n g i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fi n s i d ea n do u t s i d er a i l si nt h e c a l c u l a t i o nm o d e l r e s u l t ss h o wt h a tc h a n g i n go ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n th a sa ni m p o r t a n t e f f e c to nt h ew e a ro fb o t ht h ew h e e la n dr a i l ；t h ew e a ro no u t e rr a i ld e p e n d so nt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n to ft h eo u t e rr a i l ，a n di se f f e c t e db yt h ef i - i c t i o nc o e f f i c i e n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 i n n e ra n do u t e rr a i l s ；t h ew e a ro nt h ei n t e rr a i l d e p e n d so ht h ei n t e rr a i lf r i c t i o nc o e f f i c i e n t w h i c hi ss m a l l ，a n dt h eo u t e rr a i lf r i c t i o nc o e f f i c i e n tt h a ti sm o d e r a t e t h ew h e e l 。r a i lw e a r c a nb er e d u c e de f f e c t i v e l yu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h er e a s o n a b l em a t c h i n go ft h ef i i c t i o n t o e 伍c i e n t so ft w or a i l s k e y w o r d s ：h e a v yh a u lr a i l w a y ；s h a r pc u r v e dt r a c k ；w h e e l r a i lw e a r ；t r a c ka l i g n m e n t p a r a m e t e r ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 铁路运输作为国民经济重要的基础设施，发挥着至关重要的作用，在交通运输体系 中占有重要地位。我国国土辽阔，人口众多，资源的分布和经济发展地域性明显，铁路 发挥着经济大动脉的作用。铁路货物运输有着成本低、运量大、运距长、低碳环保、受 自然环境影响小等诸多优点，在铁路、公路、水运、航空等运输方式当中具有突出优势， 为广大客户所选择。随着我国经济的高速发展，铁路运输也进入到一个快速发展时期， 高速、重载将成为铁路运输的主题。 重载运输通常可定义为通过加大列车编组，运用大轴重货车，大功率机车等技术手 段实现列车载运量大幅增加。重载运输的发展在中国起步较晚。上世纪八十年代后，我 国铁路运输能力受限，运输压力不断增加，货物大量积压，铁路货运能力急需扩充；我 国铁路工作者根据国内具体情况，并参考国外成功经验，决定发展我国铁路重载运输技 术，提高铁路货运效率。国内各铁路局在主要铁路干线上进行重载列车技术的运行试验。 1 9 8 4 年我国先后在运输压力较大的丰沙大京秦线、山海关沈阳和石家庄济南等运输 干线进行重载技术试验运行；之后，5 千吨级重载列车技术在京沪线和京广线上进行试 验，9 2 年底，我国第一条重载运煤专线一大秦线，建成通车，当时可开行6 千吨和l 万吨的重载列车单元，0 6 年初，大秦线两万吨级重载列车单元正式开行，我国铁路重 载技术通过不断探索努力，取得重大突破；0 7 年全年运量3 亿吨，创造了重载运输的 历史，通过我国铁路工作人员的不断努力，我国重载运输技术不断发展，达到世界先进 水平 。 但随着铁路货运列车行车速度的不断提高，以及轴重的日益增大，轮轨相互作用不 断加剧，随之而来的轮轨磨耗问题也日趋严重，每年都会给铁路运输业造成巨大的经济 损失。我国地域辽阔，地形复杂等自然条件使得我国铁路曲线线路长，约占线路总长的 l 3 ，其中小半径曲线总长约为1 3 6 万公里，而且大多是处在重载干线、运煤干线上， 因此，轮轨磨耗非常严重；按照曲线钢轨五年的平均寿命计算，则每年工务部门要对 2 5 2 0 公里进行更换，按照6 0 k g m 的钢轨计算，我国每年需更换钢轨三十万吨，仅此一 项耗费就超过1 0 亿元 2 ，大大增加了铁路运输成本。图1 1 为重载铁路常见的内轨压 溃和外轨侧磨失效形式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( a ) 内轨 贞面压溃( b ) 外轨侧面磨损 图1 - 1 重载线路钢轨主要的失效形式 轮轨间的摩擦非常复杂，既有踏面的滚动摩擦，又有轮缘与轨头侧面的滑动摩擦。 影响轮轨磨损的因素很多，首先，车轮与钢轨间的粘着一蠕滑特性对轮轨磨损有较大影 响；此外，轮轨表面廓形影响轮轨间的作用力，故轮轨之间的几何条件及接触几何同样 对轮轨磨损有重要影响；此外，轮轨磨损还与接触材料的硬度、韧性及热性能等物理性 能因素有一定关系【3 】。分析车轮与钢轨的磨损影响因素，研究减轻轮轨磨损的对策，延 长轮轨使用寿命，具有重要的现实意义和巨大经济效益。 1 2 轮轨磨耗问题研究现状 对于轮轨间的磨耗问题，目前广大学者主要从轮轨的疲劳磨损和钢轨的波浪形磨 耗两方面进行了大量研究。轮轨型面接触处的鱼鳞状裂纹、塌陷、剥离、斑脱及小半径 曲线钢轨的严重侧磨等是轮轨疲劳磨损的主要表现形式 4 。这些伤损的出现迫使铁路养 护部门工作量大增，须不断反复的调边、打磨，甚至更换钢轨及旋修车轮，对正常的铁 路运输效率有严重影响，也使铁路货运成本大大提高。而且轮轨问的疲劳伤损常常是隐 蔽地发生和发展，并突然出现，使轮轨失效，导致重大行车事故，危机铁路运输安全性。 近年来，国内外铁路学者针对轮轨接触疲劳问题进行了大量的研究。一方面、从 力学角度进行的研究：金学松、张继业等人结合我国部分铁路现场轮轨疲劳损伤调查情 况，通过非赫兹滚动接触理论分析计算了我国铁路轮轨接触表面作用力分布情况，结果 表明，轮轨型面不匹配和轨底坡设置不合理是我国铁路轮轨接触表面疲劳现象如此严重 的主要原因之一1 5 j ；h e l l i e rak 、俞展猷等人以轮轨的实际几何形状和受力状态为边界 条件，采用h e r t z 接触理论，通过有限元方法，详细地计算分析了钢轨内的弹性应力场 分布 6 - - 8 ；张炎等人将c o n t a c t 程序与有限元方法相结合，形成了统一的轮轨滚动接 触算法，并利用k a l k e r 三维弹性体非h e r t z 滚动接触理论和弹塑性有限元方法，分析计 算了不同工况参数下钢轨接触应力场的状态陟1 0 ；张军等人利用有限元参数二次规划 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 法，结合多重子结构技术，避免了解析或半解析法中的h e r t z 假设和弹性半空间假设， 对不同踏面的机车和车辆车轮分别与标准轨道相接触的三维有限元模型，进行大量弹性 接触计算和大量弹塑性接触计算，得出了机车车辆结构和运用参数对轮轨接触性能影响 的规律【l l j ；刘启跃、王文健等人利用j d 。1 轮轨摩擦模拟试验机进行了大量的钢轨疲劳 试验研究，分析了轮轨滚动磨损过程中磨损率对疲劳裂纹损伤的影响机理，以及轨底坡、 轨距和曲线半径等参数对轮轨接触斑行为的影响；通过改变载荷、车速、曲线冲角以及 不同钢轨材质等试验参数，研究了钢轨滚动接触疲劳磨损特性，分析了疲劳与磨损钢轨 预防措施的差异，给我国铁路养护部门提供了重要参考【1 2 1 3 j 。另一方面、从金属学角 度进行的数值分析和试验研究：机车车辆在紧急制动和牵引时会发生“空转”现象，此 时轮轨间产生剧烈的滑动摩擦，导致大量的轮轨表面材料被磨掉，而且会使接触区域材 料温度急剧升高，当轮轨发生大滑动时，接触区域表面温度最高可超过1 0 0 0 0 c ，导致 接触区表面材料的机械性能改变【1 5 l 。轮轨所用的钢材料主要为碳化体，接触温度达 到3 0 0 0 c 时，碳化体将开始分解，转变为奥氏体，而且这种变化速度随着温度的升高而 加快，而当轮轨滑动摩擦过后，钢轨中的奥氏体将迅速冷却，变成了韧性较差的马氏体； 在经过轮轨的反复碾压之后，接触表面的马氏体易被碾碎而脱落，而钢轨内部的马氏体 将成为轨头核伤的裂纹源；目前对轮轨型面、材料属性、轮轨作用力、轮轨接触表面状 态及相对滑动速度等因素对温度的影响规律的研究有较大局限性，试验手段无法完全实 现，数值方法也只能在许多简化假设条件下近似实现u 。 钢轨波浪形磨损是世界铁路线路上普遍存在的一种钢轨损伤形式，已有超过一百 年的历史，早在1 8 9 5 年印度铁路首次发现这一现象【l 引。钢轨波磨是重载铁路最为常见 的病害之一，近年来随着我国铁路不断向重载、高速发展，波磨的影响也越来越严重， 大大降低轮轨的使用寿命，引发轮轨噪声污染，增加工务部门的维修费用。世界各国学 者对波磨产生机制进行了大量的理论及试验研究。但是波磨的产生原因至今并未达成共 识，也没有有效的预防措施【4 j 。 根据波磨波长，可将波磨分成短波长波磨和长波长波磨。短波长波磨波长为 3 0 - 8 0 m m ，波深o 1 0 5 m m ，波深发展到一定阶段后逐渐稳定；常见于高速轻轴重直线 线路上，曲线内轨上同样存在，又可称其为波纹磨损或响轨。长波长波磨波长大于 1 0 0 m m ，波深一般小于2 m m ，波谷处塑性变形明显，波峰波谷有均匀的光泽：常见于 重载线路小半径曲线地段夕b o h , u 轨面。按照波磨磨耗类型则可将其分成磨损性、塑流性和 混合性波磨。磨损性波磨轨头磨耗不均匀，常见于淬火轨等硬度较高的钢轨，光带光滑， 磨损痕迹明显，波谷颜色没有差异，沿轨项宽度范围内，波磨纵向轮廓完全相似；塑流 性波磨轨头发生不均匀塑性变形，为过大的垂向载荷作用导致塑性变形而形成，波谷位 置塑性变形明显，表现为肥边、轨头压宽等现象；混合性波磨则为以上两方面综合作用 的结果，轨头不均匀磨耗，并有不均匀塑性变形。另外，z a r e m b s k i 和g r a s s i e 综合考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 波长确定机理和损伤机理，给出了6 种类型的波磨，并认为各类型波磨形成机理不同， 应分别予以研究3 1 。 表1 1 按波长确定机理和损伤机理分类 关于波磨产生的机理，世界各国研究者进行了深入的研究，提出了几种不同的理 论：自激振动理论、反馈振动理论、接触疲劳理论和从钢轨的冶金生产过程来分析的其 他理论【3 】。s u d a y 、龚积球等学者在自激振动理论方面进行了深入研究【1 9 2 ，他们认为 在一定条件下由于轮轨系统的固有特性使轮轨间产生自激振动，从而引起波磨的发生。 t a s s i l l y 等人认为波磨是由反馈振动而引起的，此观点认为，轮轨间的不平顺，如线路 上的钢轨接头、制造误差等将激起轮轨间的振动，从而导致更大的不平顺，在重复载荷 的作用下，振动逐步加强，从而促使波磨形成并进一步发展【2 1 | 。接触疲劳理论则认为， 钢轨表面滚动接触疲劳形成的随机性的疲劳斑点，引起簧下质量共振而形成波磨，随后 扩展到整个轨顶，裂纹密集处磨损加速，形成凹坑，即波磨的波谷。另外，f e l l e rh j 的腐蚀磨损理论，b a u m a n n 的冶金理论还有e i s e n m a n nj 的初始残余应力理论等为代表 性的理论，从刚轨冶金生产过程进行深入探讨引起波磨的各种原因。各国学者虽然对波 磨的产生机理进行了大量的深入研究，但至今仍然没有形成一个公认的理论体系。 1 3 轮轨减磨措施的研究 轮轨磨耗问题一直伴随着铁路运输，轮轨间的磨耗始终是铁路行业的一个棘手问 题，各国学者进行了长期研究。随着机车车辆结构的优化，牵引重量增加，运行速度不 断提高，轮轨磨耗问题愈加突出。 轮轨相互作用是一个很复杂的问题，由摩擦产生的磨耗与诸多因素有关：车轮和钢 轨之间的作用力，轮轨材料化学成分、力学性能、金相组织等。其中轮轨间的作用力影 响最大，而机车车辆的结构构造、转向架动力学性能、轮轨型面外形、轨道结构参数、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 轨面状态等都会对其产生影响。因此，铁路研究人员在轨道结构、轮轨磨耗型面及其优 化、钢轨涂油润滑等方面，对轮轨磨耗减缓措施进行了深入研究。 在轨道结构方面，广大学者主要从机车车辆动力学性能入手，改善车辆曲线通过性， 优化轮轨几何匹配关系，减缓和降低轮轨磨耗：对铁路线路曲线半径、轨底坡、超高、 曲线半径和缓和曲线等因素对轮轨磨耗的影响进行了理论分析和试验研究。赵国堂l 2 引、 陈鹏【2 3 】、司道林2 4 1 、李亨利圜等人利用动力学仿真软件，以磨耗指数为评价指标，仿 真分析了不同曲线半径、轨底坡和超高条件对轮轨磨耗的影响，指出小半径条件下轮轨 磨耗严重，特别是半径小于6 0 0 m 时，磨耗速率随半径减小磨耗显著增加；轨底坡影响 轮轨几何外形匹配，对轮轨作用力同样影响较大；适度的欠超高在保证行车安全条件下， 对轮轨减磨有利。段固敏【2 6 j 运用蠕滑中心法对曲线半径、超高、轨底坡、轨距加宽、 转向架固定轴距等影响曲线钢轨侧磨的因素进行了分析，在此基础上提出了对减少钢轨 侧磨的几点看法。王彩芸等 27 基于非h e r t z 滚动接触理论，利用数值计算方法分析了静 态接触情况下，曲线半径对轮轨接触质点间等效应力、接触斑粘滑区的分布、总滑动量 和摩擦功的影响；分析计算表明，小曲线半径处轮轨接触质点间的总滑动量，接触斑滑 移区的面积以及摩擦功都明显增大，导致曲线上钢轨磨损加剧。s h o i c h i h a s h i m o t o 2 8 1 、李向国【猢、宋晓文等采用动力学仿真分析和试验线路试铺等研究 方法，从缓和曲线线型及长度方面进行论证，对比分析了车辆的曲线通过性能、钢轨的 磨耗量，提出选用高次型缓和曲线和加长缓和曲线长度可改善车辆通过曲线时所受的动 态作用力，对减缓轮轨磨耗有积极作用。 在实际线路试验研究方面，胡自荣【3 1 1 、钟雯【3 2 等利用j d 一1 型轮轨模拟试验机，通 过调整轮轨冲角，研究了不同曲率半径对轮轨磨耗和钢轨滚动接触疲劳性能的影响；研 究表明，随曲率半径减小，钢轨磨损量增大，并且随曲线半径的减小，轮轨磨损速率的 增长也加快。我国工务部门利用实际线路，选取试验线路，调整轨道结构，通过定期观 测对比实际磨耗量来分析各因素的影响规律。上个世纪9 0 年代后，锦承线、叶赤线更 换5 0 k g m 钢轨，近年来随着铁路运量逐年上升，列车密度大幅增加等因素，钢轨强度 和耐磨性达不到现今运营要求，曲线钢轨侧磨日趋严重；半径4 5 0 m 以下的曲线平均换 轨周期为2 4 个月，不仅增加了养护维修工作量，还给运输带来了隐患；从2 0 0 0 年开始， 该段工务部门在朝阳叶柏寿区段选取几条典型试验线路，作为观察超高、轨距、轨底 坡、淬火轨、涂油等几种情况下的磨耗试验段：均从新轨开始，每月测量一次，共进行 1 8 个月的观测，结果如下表所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从上表可看出，减小曲线超高和增大内轨轨底坡均能有效减缓磨耗的发展，凭试验 经验可在保证安全性前提下，在超高公式计算结果基础上减小1 0 1 5 ；适当增大内轨 轨底坡，可增大内、外轮滚动接触半径差，利于通过曲线，达到减磨效果p3 | 。 在轮轨磨耗型面及优化方面，m - a r e 肼a 1 1 i 3 4 、h u i m i nw u 3 5 】、k e v i ns a w l e y 3 6 等运用动力学仿真软件，对不同工况下，不同磨耗程度的轮轨型面的车辆动力学性能进 行仿真分析，得出磨耗型面对车辆动力学性能的影响规律。金学松等【37 j 利用非h e r t z 滚 动接触理论，分析计算了轮轨滚动接触斑的作用力在不同轮轨型面接触时的分布情况； 通过b o s s i n e s q c e r r u t i 力位移公式，借助g a u s s 数值积分方法，计算分析了弹性位移、 应变和应力在两种不同型面轮轨滚动接触时体内分布情况。侯传伦等【3 踟利用现场实测 的重载铁路小半径曲线段轮轨不同磨耗程度的型面，应用a n s y s 软件建立轮轨三维接 触有限元模型；以实测轮轨型面及材料属性为边界条件，对比分析了不同程度磨耗车轮 和钢轨的静态接触；分析指出，随着钢轨侧磨量的增加，轮轨接触斑面积将逐渐增大， 钢轨最大m i s e s 等效应力逐渐降低，轮轨型面逐渐匹配，轮轨接触状态得到改善；在钢 轨开始磨耗阶段，轮轨接触状态变化较大，钢轨磨耗剧烈，此时轮轨易出现接触疲劳伤 损；当钢轨侧磨量超过5 m m 后，轮轨接触状态变化趋于平缓，此时钢轨处于稳定磨耗 阶段；因此，应该根据车轮和钢轨的实际型面状态综合考虑对机车车辆与线路的养护维 修。 在轮轨型面设计及优化方面，国外已进行多年的研究。由两段高次曲线构成的 s 1 0 0 2 型车轮踏面是欧洲铁路主要车轮外形；法国国营铁路曾试验了v 型、g v 型、c 9 型、马尔蒂型及其基于其衍生的r 型踏面；英国同样先后研究和试验了霍曼外形、r d 系列的r d 4 、r d 5 、r d 5 a 、r d 6 外形和p 系列的p 2 、p 3 、p 4 、p 5 、p 8 、p 9 外形；北 美铁道学会依据不同踏面设计方法设计的a a r 一1 ，a a r - 2 ，a a r - 3 和a a r 4 型踏面外 形，为美国所研制新型车轮的踏面外形；联邦德国将m u l l e r 提出的u l l e r 型踏面定为 标准型，在机车车辆全部采用这一踏面后，每年节省约人民币8 0 0 万元；日本的n 型 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 踏面经运行试验表明，对于侧压力，n 型踏面比旧型标准踏面在直道上可减少5 0 ， 在弯道上减少2 5 ，在整个试验速度范围内可显示出良好的运行性能。相对国外的研 究隋况，我国的研究工作起步较晚。上个世纪七十年代初，四方车辆研究所研究大量不 同磨耗阶段轮轨磨耗后的外形，经统计分析得到磨耗平均形状，在详细理论计算基础上， 首先设计出了s y 型磨耗型踏面；随后在此基础上，根据试验反馈和线路特点先后改进 设计出s y - 1 0 、s y - 2 0 、s y - 3 0 、s y - 4 0 以及s y - 5 0 型踏面；1 9 8 8 年，我国铁道部将l m 型和j m 型踏面作为机车车辆用车轮磨耗型踏面的标准型面，其中，l m 就是s y - 3 0 ， 为车辆所用，j m 就是s y - 5 0 ，为机车所用；九十年代中期，四方所针对j m 踏面磨耗 过限问题，在其基础上设计出j m l 、j m 2 、j m 3 型；广州机务段经调查分析，先后设计 了g 1 、g 2 、g 3 、g 4 四种新型踏面，且取得明显的减磨效果；之后，四方所根据铁道 部课题要求，专门研制了高速客车用的l m a 型踏面，该踏面在l m 型踏面基础上修改 了圆弧半径等参数，优化而得出，目前作为我国高速动车组所应用 3 9 1 。 近年来，我国铁路工务部门借鉴国外成功经验，采用轮轨涂油润滑方法，有效的减 轻了轮轨磨耗，显著提高了钢轨的使用寿命。轮轨涂油润滑主要通过涂油装置给车轮轮 缘和钢轨侧面涂油，通过第三介质作用，在金属表面形成边界润滑膜，其具有较小的剪 切强度，使轮轨的摩擦过程发牛在边界膜层内，可大大减小滑动阻力，同时又起到保护 钢轨的作用，能显著降低金属材料的磨损。边界润滑膜主要有三种形式，即物理吸附膜、 化学吸附膜和化学反应膜；顾名思义，物理吸附膜是通过分子间本身具有的吸引力使极 性分子发生定向排列吸附在金属表面上，但吸附力很弱，高温时不稳定；化学吸附膜则 是由极性分子的有价电子与金属基体表面的电子通过交换产生化学结合力吸附在金属 表面，具有一定抗热性，但仍不能承受高负荷作用，否则吸附膜破坏，失去保护作用； 化学反应膜是某些元素与金属表面发生化学反应形成化合物，构成表面化学反应膜，结 合力强，抗高压、高温，剪切强度低，润滑性能好等特点。轮轨润滑效果很大程度上决 定于边界膜的生成和正常发挥效用，也可以说润滑效果一定程度上取决于润滑剂的特 性，故而，对特定工况应选择合适的润滑剂。 润滑剂可分为润滑油、润滑脂、油性润滑剂、固体润滑剂；或者根据润滑材料分成 矿物性润滑油、润滑脂或润滑膏、固体润滑剂三类。矿物性润滑油( 如机油) 便于喷涂， 但由于其液态特性使其容易流动，污染踏面，降低了轮轨的粘着系数，同时不利于机车 的防火且污染环境，目前较少使用；润滑脂和润滑膏则具有较强的粘附性，不易流失， 与钢轨表面结合良好，润滑效果好，但由于其物理特性使其不易涂抹，易堵塞喷嘴和管 道，受现今工务养护技术限制；相比以上两种润滑剂，固体润滑剂具有较强的抗压能力， 同样能和钢轨表面结合良好，减磨效果好等优点，但其物理特性决定其比润滑脂类润滑 剂更不易涂抹，但就其本身减磨特性来讲，具有明显优势，是未来润滑剂的主要应用类 犁 删。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 针对以上几种润滑剂，各自施用方式也有明显差别。在预防曲线钢轨侧磨方面，对 于油脂类润滑剂，我国的涂覆方式有手动和电喷两种方式。郑州铁路局工务部门运用手 动涂油装置涂油小车( 如图1 2 ) ，钢轨涂油作业隔天进行；作业时先将油脂润滑剂装 入储油罐，用气筒给其加压后可进入手动喷射泵；作业列车入站后涂油工将设备安装好 并上车，进入作业区段后涂油工往复压动喷射泵进行喷油，作业完成后再将其拆卸；该 方式具有喷射压力大，管路不易堵塞，列车风影响小等优点，但压力往往不能恒定控制， 人为操作差别大，劳动力成本高，而且作业过程受车辆振动影响位置不能保证准确，有 时甚至导致踏面污染而使机车牵引失效中断运输；北京局采用的电动涂油装置( 如图 1 - 3 ) ，对线路磨耗区段每天进行一次涂油作业，部分区段每天进行两次涂油；电动涂油 具有操作省力、喷射压力恒定等优点，但由于润滑脂流动性特性使其在冬季应用时必须 对设备加热，使润滑剂稀释后，才能保证其有效喷出；对于固体润滑剂，武汉和成都铁 路局采用溶剂型润滑方式，该技术需先将润滑剂通过溶剂溶解分散在树脂类物质中，然 后通过齿轮泵将融为液态的润滑剂涂在钢轨表面，在溶剂挥发后，钢轨轨面形成润滑膜； 此方式不用列车供电，不受列车停站间隔影响，但当润滑剂和溶剂混合后的润滑材料仅 占10 左右，这将导致润滑剂承载能力不足；根据现场的测试结果，溶剂型润滑方式 对小半径曲线线路润滑效果不明显，经涂覆一次后，钢轨轨面在通过2 5 列重车后基本 没有润滑剂存留；济南、南昌、西安、上海铁路局部分线路采用“固液一固”润滑方 式( 如图1 4 ) ，先将固体润滑剂液化装入保温桶，在加热保温条件下进行涂覆，液态润 滑剂冷却后凝固，附着在钢轨表面：该方式不受列车停站间隔限制，无毒害，对钢轨剥 离掉块类疲劳伤损效果明显，但需保证喷油装置喷嘴在9 0 0 c 以上，润滑油需要预热融 化，涂油作业过程操作繁琐，成本相对较高，而且润滑剂承载能力一般，在中、大半径 曲线线路，快速区段减磨效果明显；太原铁路局推广应用固体润滑技术( 7 女h f n1 5 ) ，该 方式润滑装置安装在车上，润滑棒输出端与钢轨轨距角处通过接触摩擦，随车体运动进 行涂覆；其控制系统可按线路养护实际需求改变润滑棒涂覆量；该方式优点显著，可有 效减磨2 3 ，延长曲线钢轨寿命3 倍，不污染踏面，而且用量少、成本低、节能环保【4 l j 。 图1 2 手动涂油方式图1 3 电动涂油方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 _ 4 固一 葑一固涂油方式图1 - 5 车载涂油方式 对于钢轨涂油润滑的作用和减磨效果各国都进行了大量的理论分析和试验研究。美 国从1 9 7 6 年以来，在环形试验线和一些铁路运营线上进行了钢轨润滑试验，试验线路 有小半径曲线( 3 5 0 m 、4 3 8 m 半径) 和直线；首先在无润滑状态下，经过3 1 8 m t 运量后钢 轨重伤下道；在其后的润滑状态试验，其运量通常可达到1 2 2 m t 以上；1 9 8 1 1 9 8 3 年间， 在环行线上测定轮轨间作用力的变化，试验结果证实润滑对减磨有很大作用；在无润滑 时钢轨磨耗量为0 1 3 - - - 0 1 8 m m m t ，少量润滑、适量润滑和充分润滑时，磨耗量分别下 降为无润滑状态的1 5 、1 1 7 和1 8 0 ；轮缘磨耗量下降为1 1 7 ；而且，润滑后列车的牵 引动力耗能降低，良好润滑状态下耗能减少3 2 ，润滑同样能降低车轴扭矩和轨头温 度；通过在环行线和运营线上的试验表明，钢轨涂油润滑可有效延长轮轨寿命，减轻磨 耗，降低行车阻力和牵引动力能耗 4 2 1 。北高加索铁路局同样进行类似试验，结果表明： 小半径曲线区段，钢轨经润滑后寿命提高了0 1 5 1 5 倍；美国铁路协会试验结果表明， 中等程度润滑时，车轮和钢轨的耐磨性提高了1 6 - 2 1 倍；轻度润滑时，耐磨性提高了4 倍；直线区段列车牵引能源节省约3 0 ，曲线区段可节省约3 5 5 0 ，节能减磨效果 明显【4 引。1 9 8 5 年开始，我国北京铁路局京包上行钢轨部分区段进行了钢轨润滑减磨试 验，平均减磨可达5 0 以上，特别是周期性润滑后，效果更为明显，按此数据计算， 北京局管内京包上行线每年可减少更换钢轨4 7 k m ，当时可每年节约成本约3 0 万元， 经济效益显著m 】。 1 4 论文主要研究内容 近年来我国经济的飞速发展，极大的带动了我国铁路技术的提高，中国高铁创造了 最高试验运行速度，重载铁路屡屡突破运量记录，我国铁路正朝着高速、重载方向稳步 发展。轨道作为铁路运输工具的重要部分，其状态将对铁路运输能力和运输效率产生最 直接的影响。随着车辆轴重的提高，车辆与轨道间的动态作用力加大，车辆对轨道的破 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 坏作用加剧，轨道特征和状态对车辆运行安全性及轮轨磨耗的影响更为明显。另外，据 北方交大和北京铁路局的测试，曲线钢轨磨损量的8 5 9 5 是由货车车辆造成的。重 载铁路小半径曲线段轮轨磨耗问题严重影响了铁路货运效率，影响列车的安全运营，增 加了运输成本。因此，减缓轮轨间的磨耗对我国铁路具有重大的现实意义。 为减缓轮轨磨耗，延长钢轨的使用寿命，木文采用数值仿真分析的研究方法，对影 响重载铁路小半径轮轨磨耗的影响因素及其减磨措施进行研究。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 首先从我国的铁路发展现状、客观条件和经济效益等方面阐述了减缓重载铁路小 半径曲线段轮轨磨耗的意义，同时介绍了国内外关于轮轨磨耗及其减磨措施的研究现 状，并指出了通过研究轮轨磨耗的影响因素，采用合理减磨措施，可延长轮轨使用寿命， 提高铁路运输的经济效益。 ( 2 ) 以车辆动力学理论为基础，结合重载铁路曲线段实际线路参数设置，基于多体动 力学仿真软件，建立了重载货车曲线通过动力学分析模型，模型中对货车系统的非线性 环节进行简化处理，并选取爱因斯磨耗指数为磨耗评价指标。 ( 3 ) 采用动力学分析方法，分析计算了不同轨道结构参数( 包括曲线半径、超高、轨 底坡、缓和曲线线型及长度) 对轮轨曲线通过性能的影响，研究了多因素对轮轨磨耗的 影响规律，并据此提出减缓重载铁路小半径曲线段轮轨磨耗的减磨措施。 ( 4 ) 本文通过仿真内外轨摩擦系数的变化，分析了不同轨面状态( 曲线段内外轨摩擦 系数同时变化或者某一区段发生突变) 对车辆动力学性能的影响，研究了内外轨摩擦系 数对车辆曲线通过性能，特别是轮轨磨耗的影响规律。基于此规律，对重载曲线段内外 轨摩擦系数进行合理匹配，可改善车辆曲线通过性能，减轻轮轨磨耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l1 页 第二章重载货车动力学模型 近年来，计算机软硬件技术的迅速发展并与多刚体系统动力学相融合，为车辆动力 学等方面的研究提供了有力的支持。s i m p a c k 多体动力学软件以其高精度的建模和仿 真，特别是其优秀的动力学迭代算法，广泛应用于铁路机车车辆动力学仿真分析中。 铁路轮轨磨耗问题普遍存在，且影响因素复杂，不同的线路轨道结构参数设置导致 轮轨磨耗均不相同。本章首先简要介绍了s i m p a c k 软件的特点；其次对本模型所用 的转k 6 型转向架的结构特点进行分析；然后基于s i m p a c k 多体动力学分析软件，建 立重载货车曲线通过动力学模型，并对货车系统中的非线性环节进行简化处理；最后 对本文的轮轨磨耗评价方法进行了介绍。 2 1sim p a c k 软件概述 s i m p a c k 软件是由德国i n t e cg m b h 公司开发，应用于机械机电系统运动学动 力学仿真分析的多体动力学分析软件包。s i m p a c k 软件为德国航空航天局，在基于频 域求解技术的m e d y n a 软件基础上，开发的基于相对坐标系递归算法的动力学软件， 并很快应用于欧洲航空航天工业，其算法上的优势，将控制系统和多体计算技术结合， 可进行实时仿真。现今，s i m p a c k 铁路模块在世界各国广泛应用，其1 9 9 9 年既有4 9 的市场占有率。s i m p a c k 可仿真任何虚拟的机械机电系统，具有同类产品中最快的 解算速度，可分析系统振动特性、受力、加速度等，并且操作性友好，可快速建立模 型，利用多体系统的各种基本要素组建成复杂多体系统，并自动形成动力学方程，可 快速预测各种复杂机械系统整机的运动学动力学性能和系统中各零部件所受的各种复 杂载荷状况。 运动学动力学和先进的解算器是s i m p a c k 软件的核心模块，所有其他的模块 和接口可以直接建立在s i m p a c k 运动学动力学核心模块的基础上。s i m p a c k 运动学 动力学模块的基本特征如下：s i m p a c k 核心模块、可视化3 d 建模、s i m p a c k 时域 频域解算器、模态分析、准静态分析、动画与后处理、扩展的元素库( 铰、弹簧阻尼、 摩擦等) 、积分设置管理。 除了时域积分外，s i m p a c k 求解器还有非常强大的静力学求解能力，它不但可以 快速寻找到系统的静力学平衡位置，尤其重要的是，它还可以预测系统处于任意位置 平衡所需条件。同时，标准的求解器还可以进行频域分析，求解系统的固有频率与固 有振型。另外，在s i m p a c k 的n v h 模块中，还可在频域内分析系统的振动、冲击、 噪声。扩展的建模元素库提供了快速建模工具，任意类型的铰、标记或力元素都可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 很容易地实现，这在很大程度上节省了m b s 建模时间和模型出错率。 m o d e ls e t u p 图形化界面方便初学者建模，同时也为高级用户提供完整的建模控制 手段，其建模元器件库丰富，包括零件、关节、约束、力、碰撞、函数、控制元件等。 采用3 d 鼠标拾取，可内建c a d 模型，也可利用c a d 接口传入其他软件构建的复杂 c a d 模型。尤为重要的是，任何s i m p a c k 所建立的复杂模型，均可以在c o d ee x p o r t 模块中输出其全代码，可将模型嵌入至控