铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系

1、1 铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系 2 主要内容 第一节 轮对结构认识 第二节 轮轨接触状态认识 第三节 轮轨接触几何关系求解 第四节 道岔区轮轨接触几何关系 3 第一节 轮对结构 4 1 轮对设计要求 l 应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）； l 应不仅能够适应车辆直线运行，同时又能够 顺利通过曲线和道岔，而且应具备必要的抵 抗脱轨的要求； l 应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以 只需要较小的牵引动力并能够提高使用寿命。 5 2 轮对形状尺寸与线路相互关系轮对形状尺寸与线路相互关系 l 轮缘 l 滚动圆直径

2、 l 轮缘内侧距 l 车轮踏面斜度 6 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。 2 轮对形状尺寸与线路相互关系轮对形状尺寸与线路相互关系 7 （3） 轮对内侧距 8 轮对内侧距 保证轮缘与钢轨之间有一定游（间）隙，可以： v 减少轮缘与钢轨磨耗； v 实现轮对

3、自动对中作用； v 有利于车辆安全通过曲线； v 有利于安全通过辙叉； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太小，可能会造成 轮缘与钢轨的严重磨耗； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太大，会使轮对蛇 行运动的振幅增大，影响车辆运行品质； 9 安全通过辙叉 10 r0+y y -0r R y 2b o 顺利通过曲线 11 轮缘内侧距选取 12 轮轨间隙计算 标准轨距：1435mm 轮对内侧距：1353mm 轮缘厚度：32mm（单侧），64mm（双侧） 国内轮轨间隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm） 欧洲轮轨间隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm） 13 v 为了使无论哪种踏面形状均

4、能够防止 车轮脱轨， 因而车轮都设有轮缘。 v 踏面锥度是使轮对具有复原功能和转向功能的 根本原因，也是引起蛇行运动的根源。 圆筒踏面（踏面为没有锥度的平坦圆筒、日 本轨检车上，有利于轨道高低变形的测定） 圆锥踏面（踏面带有一定的锥度） 圆弧踏面（磨耗型踏面，踏面带有圆弧） 3. 踏面类型 14 车轮踏面外型 车轮踏面几何形 状是影响行车安 全和运行平稳性 的重要因素。 15 锥形踏面 (TB) 16 锥形车轮踏面和钢轨头部的接触面积很小，接触 应力很高，因此在车轮运用初期，局部位置的磨 耗很快，使踏面不久即呈现凹陷。 当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与轨头的轮廓外 形相吻合后，接触应力就明显减小

5、，表面又经过 冷硬处理，以后的磨耗减慢，踏面外形也相 对稳定。此时的踏面形状接近于磨耗型踏面。 采用凹形车轮踏面，不仅可以减缓磨耗，延长使 用寿命，而且有利于车辆曲线通过，并使轮缘力 有所降低。 磨耗型踏面形成 17 磨耗型踏面（LM） 18 磨耗型踏面（LMA） 19 轮对内侧距 滚动圆半径 轮缘 轮缘厚度 轮缘角度 轮缘高度 踏面 等效踏面锥度 回转半径差 接触角度差 4. 车轮参数定义车轮参数定义 轮轨接触分析 车轮磨耗特性参数车轮磨耗特性参数 Sh: 轮缘高轮缘高 Sd: 轮缘厚度轮缘厚度 qR: 轮缘形状限度轮缘形状限度 车轮外形车轮外形 Sd ShqR L3 = 10 mm L3

6、= 12 mm (Standard China) 中国标准 SYSZ40-00-00-02A (200 kph) 32.63228.19.8 SYSZ40-00-00-00 (160 kph) 33.23227.910.7 S100232.5-28.010.8 XP5532.6-29.011.0 车轮外形的主要参数车轮外形的主要参数 21 磨耗型踏面（XP55） 中国标准 ; 中国轨道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002欧洲标准外形； XP55 TGV 韩国外形 车轮外形吻合车轮外形吻合 23 对脱轨安全性要高； 对中性能强； 运行稳定性要好（不发

7、生蛇行运动）；运行稳定性要好（不发生蛇行运动）； 曲线通过性能要好（曲线通过时产生的横向力曲线通过性能要好（曲线通过时产生的横向力 要小）；要小）； 能够顺利通过道岔； 耐磨性要好，即使产生了磨耗，其形状变化也 要小。 5. 车轮踏面设置要求 踏面设计目的性问题踏面设计目的性问题 24 锥型踏面轮轨接触斑 磨耗型踏面轮轨接触斑 两种踏面接触面积比较 25 一般地，在曲线通过方面采用磨耗型踏面 有利，而在抑制蛇行运动、车体振动方面 锥形踏面有利。 实际上，现阶段研究结果表明，在抑制车 体蛇行运动和提高稳定性方面，磨耗型踏 面有时也能够取得良好的效果。 对踏面动力学性能认识差异 26 在车轮横移时

8、，磨耗型踏面车轮的接触角差、 滚动半径差要比锥形踏面车轮的变化大，这使 输入车体的能量减少，车体振动激烈程度降低。 在适当运行速度下，与采用锥形踏面的车轮相 比，采用磨耗型踏面的车轮，其转向架蛇行运 动波长短、频率高，而且远离了车体的固有振 动频率。 车轮踏面形状对高速动车运动特性的影响车轮踏面形状对高速动车运动特性的影响 国外内燃机车 藤本裕日本 1999年第2期 性能认识差异 27 车轮踏面形状和接触参数对从钢轨 向车上输入的能量影响 第2种变化 锥形踏面第1种变化圆弧踏面 能量输入率 0.20 0.15 0.10 0.05 0.0 28 两种踏面对线路激扰响应比较 速度V=270km/h

9、，波深a=1.0mm 29 与车轮相关的几个参数 车轮踏面锥度 车轮踏面等效锥度（斜度） 重力刚度 重力角刚度 30 Gearbox 齿轮箱齿轮箱 Coupling连挂连挂 Traction motor 牵引马达牵引马达 265 kW (360 Hk) max 5000 rpm 等效斜度 31 e 等效斜度（续） 32 锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为0.l的直线段， 在直线段范围内车轮踏面斜度为常数。 当轮对中心离开对中位置向右移动横移量yw，那 么左右车轮的实际滚动圆半径分别为： rL=r0- l yw rR=r0+ l yww LR y rr 2 w LR e y rr 2 等效斜度 33

10、 0481216 0.0 0.4 0.8 1.2 e yw/mm 磨 耗 踏面 锥形 踏面 等效斜度 34 轮对重力刚度 )( 2 )( 2 rr ll tg W F tg W F )()( 2 lrlrgy tgtg W FFF W r N l N r+ - l 35 bb yy 2 2 锥形踏面 LR LL RR tg tg )( )( )()( 2 LR gy gy tgtg y W y F K b w tgtg y W y F K LR gy gy )()( 2 轮对重力刚度 有使轮对恢复到原来对中位置的作用 36 0481216 0 40 80 120 160 磨耗踏面 锥形踏面 K

11、gy / N.m-1 yw/mm 轮对重力刚度 37 轮对重力角刚度 sinsin LRg FbFM )()(sin 2 LR g g tgtg bW M K const WbK g 有使轮对继续偏离原来角位置的作用 2b r l F F 38 0 4 8 12 16 0.00 0.03 0.06 0.09 0.3 0.6 0.9 1.2 Kg yw /mm 轮对重力角刚度 39 u 合理的轮轨踏面外型不仅可以减缓磨耗， 延长使用寿命，而且有利于车辆曲线通过， 降低轮轨动力作用； u 只要轮轨外型参数确定，利用轮轨接触几 何关系，可以确定轮对在不同横移量时车 轮踏面等效斜度、等效重力刚度和等效

12、重 力角刚度等参数； 40 专题三：轮对低动力设计方法 VmtF动量定理：tVmF/ 降低作用力途径有三种： 1. 减小质量； 2. 减小速度变化量； 3. 延长力作用时间。 41 专题三：轮对低动力设计方法 1. 1.减小簧下质量。减小簧下质量。目前在减小轮对质量上主要两种方法：采 用空心车轴。在不降低车轴强度的条件下，尽可能采用空心 车轴，这不仅有利于降低簧下质量，而且还便于车轴疲劳裂 纹内部探伤。采用小轮径车轮。减小车轮直径同样可以起 到降低轮对质量的作用。 2. 采用合理的车轮踏面。采用合理的车轮踏面。合理的车轮踏面对降低轮轨相互作 用、保证车辆系统具有良好的运行稳定性和曲线通过能力具

13、 有重要的意义。 3. 3.采用弹性车轮。采用弹性车轮。采用弹性车轮不仅可以降低轮轨噪声，而且 还可以缓和轮轨冲击，降低轮轨动作用力。 4. 4.严格控制车轮质量，降低车轮动不平衡质量。严格控制车轮质量，降低车轮动不平衡质量。 车轮设计制 造过程中，应尽可能保证车轮质心与形心重合，严格控制轮 对动不平衡质量，避免质心与形心出现位置偏差时形成轮轨 间持续冲击作用。 42 第二节 轮轨接触状态认识 v 钢轨轨头外形 v 轮轨接触状态 v 轮轨接触几何参数 43 50kg/m钢轨外型尺寸 60kg/m钢轨外型尺寸 1. 1. 钢轨轨头外型钢轨轨头外型 44 UIC60 钢轨外型 UIC54 钢轨外型

14、 UIC 钢轨外型 45 -40-2002040 -40 -30 -20 -10 0 10 z/mm y/mm R50 R60 50kg/m与60kg/m轨轨头外型尺寸比较 46 2. 轮轨接触状态轮轨接触状态 踏面接触 踏面接触 轮缘接触 一点接触 两点接触 47 磨耗型踏面轮轨接触 48 钢轨磨耗后轮轨接触状态 49 3. 轮轨接触几何参数轮轨接触几何参数 w z y w w r l wr r rr r r r l r wl r rl r 50 轮轨接触几何参数轮轨接触几何参数 左、右轮实际滚动半径； 左、右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径； 左、右轨在轮轨接触点处的踏面曲率半径； 左轮和左

15、轮与左轨和右轨在轮轨接触点处的接触角； 轮对侧滚角； 轮对中心上下位移； 踏面等效斜度； 重力刚度与重力角刚度。 51 第三节 轮轨接触几何关系求解 v 轮轨接触几何关系求解发展过程 v 影响轮轨接触几何关系参数 v 空间轮轨接触几何关系求解方法 v 不同踏面轮轨接触状态比较 52 n八十年代初期 ： n研究由分段圆弧组成的磨耗型踏面和磨耗型钢轨相互接 触时的几何参数以及各种因素对它们的影响 n八十年代中后期： n研究了任意形状的轮轨空间几何约束关系，并提出了一 个具有足够精度、适用于任意形状的空间几何约束关系 的数学方法及计算程序； n九十年代初期 ： n提出了的思想来处理空间轮轨接触几何关

16、系问题。 基本思路:暂时抛开轨面的形状，仅由轮对的位置（摇头 角、侧滚角）以及踏面主轮廓线参数（滚动半径、接触 角）确定可能的接触点。 1 轮轨接触几何关系发展过程 53 轮对内侧距 轨距 轮对横移 钢轨轨头外形 轨底坡 轨道超高 轨道高度 车轮踏面外形 名义半径 轴心到滚动圆距离 2 影响轮轨接触几何关系参数 54 纵向超前量 55 3 轮轨接触几何关系求解方法 v 基本假定 v 轮轨外形离散 v 迹线法求解 X ,1 O 3 Z 2 Y 56 1）轮轨接触点求解准则 n刚体假设。假定车轮与钢轨均为刚体，它们 不存在影响接触关系的弹性变形，或者说车 轮表面上任意点不能嵌入钢轨内部； n同一侧

17、车轮上的接触点和钢轨上的接触点应 具有相同的空间位置； n轮轨接触点处车轮与钢轨具有公切面。 57 2）车轮踏面及轨头外型数值离散）车轮踏面及轨头外型数值离散 轮对踏面主轮廓线和轨头外形离散成有限个点 （假定个数分别为NW和NR） 利用三次样条函数对其平滑处理后，则Xr、Yr、 Zr将是具有NW个元素的一维矩阵。 在轮对中心坐标系中，再次利用三次样条函数， 将左、右车轮的、分别向左、右轨顶线中插值。 为保证在计算接触几何关系时于斜度较大的区段 有较高的精度，在计算程序的设计上，采用等弧 长的方法来等分各离散点。 58 680720760800 -490 -480 -470 -460 -450

18、滚动圆半 径/mm 纵 向位置/mm 磨耗型踏面外型离散磨耗型踏面外型离散 59 -40-2002040 -40 -30 -20 -10 0 10 z/mm y/mm 50kg/m轨头外型全部离散数据 60kg/m轨轨头外型离散数据 -40-2002040 -40 -30 -20 -10 0 10 z/mm y/mm 钢轨钢轨 轨头外型离散轨头外型离散 60 -40-2002040 -40 -30 -20 -10 0 10 z/mm y/mm R50 R60 两种钢轨两种钢轨 轨顶外型比较轨顶外型比较 61 680720760800 -500 -480 -460 -440 Z/mm Y/mm

19、车轮踏面 钢轨外形 62 轮轨外形数据插值轮轨外形数据插值 63 轮轨空间接触示意图轮轨空间接触示意图 3）迹线法基本原理）迹线法基本原理 64 -0.5 0.0 0.5 1.0 680 720 760 800 -480 -470 -460 -450 Y /mm X/mm Z/mm 轮轨迹线（无摇头角）轮轨迹线（无摇头角） 65 -60 -30 0 30 60 680 720 760 800 -480 -470 -460 -450 Y /mm X/mm Z/mm 轮轨迹线（有摇头角）轮轨迹线（有摇头角） 66 4）轮轨接触状态）轮轨接触状态 67 钢轨磨耗位置 68 锥形踏面轮轨接触点位置变化

20、锥形踏面轮轨接触点位置变化 69 磨耗型踏面轮轨接触点位置变化磨耗型踏面轮轨接触点位置变化 70 踏面上接触几何位置轨头上接触几何位置 03691215 20 40 60 80 100 左 轮 右轮 踏 面接触点位置（ mm） 轮对横移量（ mm） 03691215 0 10 20 30 40 右轨 左 轨 轨头 接触点位置（ mm） 轮对横移量(mm) 轮轨空间接触几何关系轮轨空间接触几何关系 71 03691215 20 40 60 80 100 0 0 2 0 4 0 踏 面接触点位置(mm) 轮对横移量(mm) 03691215 0 10 20 30 40 0 0 2 0 4 0 轨头

21、 接触点位置(mm) 轮对横移量(mm) 摇头角对踏面接触点的影响摇头角对轨面接触点的影响 72 q=0 w=0 q=0 w=30q=2.50 w=30 轮轨接触点位置变化轮轨接触点位置变化 73 2 4 6 8 10 12 14 16 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 接触点位置/mm 摇头角/deg 轮对横移/mm 轮对摇头角对轮轨接触状态影响轮对摇头角对轮轨接触状态影响 74 q=0 w=0 q=2.50 w=30 滚动圆半径变化滚动圆半径变化 75 q=0 w=0 q=2.50 w=30 轮轨接触角变化轮轨接触角变化 76 q=0 w=0 q=2.50 w=30 质心垂直位移与侧滚角变化质心垂直位移与侧滚角变化 77 q=0 w=0