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《北京交通大学》 2017年
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重载铁路轮轨磨耗预测及钢轨型面优化研究

王璞  
【摘要】:重载铁路运输运能大、效率高、运输成本低,是世界铁路货物运输发展的共同趋势。在铁路轮轨系统存在的诸多病害中,车轮与钢轨的磨耗现象一直是最为普遍并且难以解决的问题。轮轨磨耗引起车轮与钢轨型面的改变,进而会导致轮轨接触状态和系统动力性能发生变化,对列车运行稳定性、安全性及系统各部件使用寿命都会产生较大影响。对于重载铁路而言,轮轨磨耗问题尤为突出,养护维修工作巨大,磨耗超过一定限度如果没有及时更换,则可能引起列车脱轨等重大事故。本文针对重载铁路发展过程中凸显出的轮轨磨耗问题,在对既有研究进行调研分析的基础上,创建了较完善的轮轨磨耗演化发展的数值仿真预测模型,可对实际运营条件下车轮和钢轨的磨耗分布特征、发展过程、规律进行分析预测。首次对轨道柔性在磨耗计算中的影响进行了探索研究。对关键参数、措施对于轮轨磨耗具体分布发展的影响规律进行了系统的研究。提出了一种新的钢轨型面优化数学模型方法,并采用此方法对重载铁路R75钢轨型面进行了优化设计,给出了R75钢轨优化型面。主要研究工作和成果如下:(1)创建了轮轨磨耗演化发展的数值仿真预测模型·针对轮轨磨耗问题目前的研究现状及存在的问题,对重载铁路轮轨磨耗演化过程的数值模拟进行了深入研究,提出并建立了整套的轮轨磨耗演化发展预测模型。模型由车辆-轨道耦合动力学计算、轮轨滚动接触分析、材料摩擦损失模型、复杂运营条件的模拟策略、型面更新自适应步长方法等内容组成。基于Archard材料磨损理论模型,在车辆轨道耦合动力学仿真和轮轨局部接触分析基础上进行轮轨接触斑磨耗深度分布计算;通过多工况仿真并引入无量纲的权重因子来实现对实际铁路复杂运营条件的合理模拟;采用了一种自适应步长算法进行轮轨型面的更新,可有效减少误差累积、改善数值模型的稳定性和可靠性。开展数值试验对轮轨接触斑网格密度对于粘着区滑动区分布、蠕滑力分布、轮轨磨耗深度分布、轮轨磨耗速率指标等的影响进行了系统分析,对磨耗模型中合理的接触斑网格密度取值进行了探讨。(2)针对既有研究空白,首次对软道柔性对于轮软磨耗计算的影响进行了探索研究·既有磨耗数值仿真研究中均未考虑轨道柔性的影响,针对此研究空白,本文对柔性轨道对轮轨磨耗的影响进行了探索研究。首先,基于Pearce-Sherratt摩擦功磨耗理论建立了一种简化的轮轨磨耗计算模型,以提高磨耗计算速度。通过与所建立的精确磨耗模型对比,对简化模型的合理性进行了验证。然后基于有限单元浮动坐标方法(FE/FFR)建立柔性轨道模型,通过缩减模态技术减少钢轨振动变形模态坐标数目、消除高频模态以减小计算代价。然后通过合理的轮轨接触算法和钢轨几何型面更新策略实现车辆系统与柔性轨道系统的动力学耦合。最后基于所建模型通过数值试验明确了理想轨道条件下和不平顺轨道条件下柔性轨道对于轮轨磨耗发展的影响特性。(3)系统研究掌握了实际运营条件下重载铁路车轮及钢轨磨耗演化发展规律。通过系统的仿真分析,掌握了重载铁路直线地段和曲线地段钢轨的磨耗分布特征和发展规律、以及车辆通过曲线条件下不同位置车轮的磨耗分布发展特性,同时也验证了所建立的磨耗预测模型的合理性。并对大秦铁路实际线路运营条件下重载车辆各车轮的实际磨耗发展过程进行了数值仿真预测。(4)率先对关键材料、结构参数及措施对于轮轨磨耗分布发展的影响规律进行了系统研究,为线路设计、运营、养护提供了理论依据和参考。设计开展了系统的数值试验,对轮轨材料硬度、钢轨轨底坡、货车轴重、运行速度等主要的材料结构参数及钢轨润滑等减磨措施对于轮轨磨耗水平以及具体分布发展状况的影响规律、特点进行了系统研究,并提出了系列的建议和原则。为线路设计、运营管理及养护维修提供了理论依据和参考。(5)提出了一种新的钢轨型面优化模型方法,并给出了重载铁路R75钢轨优化型面,可有效改善轮轨动力相互作用,减缓磨耗发展。对重载铁路钢轨型面的优化设计问题进行了深入研究,提出了一种新的钢轨型面优化数学模型方法。将钢轨型面参数化处理,表示为一系列离散点坐标变化量的广义函数。然后以所有可能轮轨接触情形下接触点附近轮轨型面共形度最高为原则设计优化目标函数。在目标函数构造过程中,编制了轮轨接触几何算法以实现轮轨接触点位置的快速探测。为了满足一些基本限制,施加了一系列线性/非线性约束条件。这样,将钢轨型面优化问题创新性地抽象为一个典型的单目标多变量多约束非线性数学优化问题。采用序列二次规划算法(SQP)结合拉格朗日方程、拟牛顿方法实现对此优化模型的快速准确求解。基于所建立的优化模型,对我国重载铁路R75钢轨型面进行优化设计以更好地匹配LM型车轮型面,并提出了 R75优化型面。分别从型面几何特征、轮轨接触几何关系、车辆-轨道系统动力学性能并最终从轮轨磨耗发展方面对优化型面和原始型面进行了系统的对比分析。结果表明,优化型面可有效改善轮轨接触几何关系及动态相互作用,有效减缓轮轨磨耗的发展,可考虑作为我国重载铁路钢轨设计的一个较好的选择。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U211.5

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨军民;;我国铁路重载运输的发展[J];发展;2011年01期
2 王彩芸;王文健;郭俊;刘启跃;;曲线半径对钢轨磨损影响的数值计算与试验分析[J];摩擦学学报;2010年06期
3 司道林;王继军;孟宏;;钢轨轨底坡对重载铁路轮轨关系影响的研究[J];铁道建筑;2010年05期
4 李霞;金学松;胡东;;车轮磨耗计算模型及其数值方法[J];机械工程学报;2009年09期
5 李霞;温泽峰;张剑;金学松;;轨底坡对轮轨滚动接触行为的影响[J];机械强度;2009年03期
6 李霞;温泽峰;金学松;;钢轨轨底坡对LM和LM_A两种轮对接触行为的影响[J];机械工程学报;2008年03期
7 张剑;温泽峰;孙丽萍;金学松;;基于钢轨型面扩展法的车轮型面设计[J];机械工程学报;2008年03期
8 李亨利;李芾;傅茂海;黄运华;;曲线几何参数对货车转向架曲线通过性能的影响[J];中国铁道科学;2008年01期
9 陈鹏;高亮;郝建芳;;铁路曲线上轮轨磨耗影响参数的仿真研究[J];中国铁道科学;2007年05期
10 侯亚捷;陈雷;张显锋;;关于澳大利亚铁路货车的介绍与思考[J];铁道车辆;2007年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 张良威;重载货车轮轨磨耗研究[D];西南交通大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姚永明;李国芳;丁旺才;;基于Archard模型的车轮磨耗对车辆动力学性能的影响[J];中国机械工程;2017年19期
2 冯仲伟;;小半径曲线上动车组运行安全性仿真研究[J];中国铁道科学;2017年05期
3 陆文教;陶功权;王鹏;付青云;关庆华;温泽峰;;地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响[J];工程力学;2017年08期
4 丁军君;杨阳;李芾;黄运华;蒋宽;;基于槽型轨的低地板有轨电车车轮磨耗及优化研究[J];铁道学报;2017年07期
5 全顺喜;;60 kg/m钢轨和60N钢轨轮轨接触几何关系对比分析[J];铁道标准设计;2017年06期
6 黄龙文;李正美;安琦;;铁路曲线区段轮轨接触应力计算方法[J];华东理工大学学报(自然科学版);2017年01期
7 司道林;王猛;王树国;葛晶;;一种新型辙叉的动力学特性分析[J];铁道建筑;2017年01期
8 罗奇;计三有;余志刚;;基于ADAMS的穿梭车运动仿真及其速度优化控制[J];起重运输机械;2017年01期
9 钱瑶;王健;王平;安博洋;苏谦;徐井芒;;不同钢轨廓形下高速铁路轮轨型面匹配[J];西南交通大学学报;2017年02期
10 亓伟;李成辉;郑建;刘玉涛;;Ⅲ型轨枕有砟轨道动刚度特性研究[J];铁道建筑;2016年12期
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张显锋;30t轴重轻量化副构架式径向转向架研究[D];西南交通大学;2016年
2 殷晓耀;高速列车车轮踏面损伤分析及激光熔覆修复研究[D];华东交通大学;2016年
3 杨斌;基于Tγ/A-磨损率模型的铁路车轮磨耗仿真分析[D];西南交通大学;2016年
4 刘闯;30t轴重货车动力学性能研究[D];西南交通大学;2016年
5 段晓晖;重载铁路缓和曲线参数动力学分析[D];西南交通大学;2016年
6 梁骏宇;铁路货车自导向转向架关键参数匹配研究[D];西南交通大学;2016年
7 贺文锦;基于径向机构误差的快速货车转向架动力学性能研究[D];西南交通大学;2016年
8 耿大赢;重载货车轮轨磨耗影响因素分析[D];西南交通大学;2015年
9 沈鹏;基于线路试验的重载货车转向架动力学性能研究[D];西南交通大学;2015年
10 钟智丰;重载铁路小半径曲线钢轨磨耗研究[D];北京交通大学;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 许金国;傅茂海;;重载铁路轮轨磨损原因探讨[J];铁道机车车辆;2008年04期
2 李霞;温泽峰;金学松;;钢轨轨底坡对LM和LM_A两种轮对接触行为的影响[J];机械工程学报;2008年03期
3 曾向荣;李文英;高晓新;;城市轨道交通工程钢轨轨底坡取值的探讨[J];都市快轨交通;2006年06期
4 卜继玲,李芾,付茂海,黄运华;重载列车车辆轮轨作用研究[J];中国铁道科学;2005年05期
5 В.С.Лысюк ,邢纳新;曲线上车辆脱轨和钢轨磨耗的原因[J];国外铁道车辆;2005年05期
6 邢良平;广州地铁一号线轨底坡调整[J];铁道标准设计;2004年05期
7 金学松,温泽峰,张卫华;轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响[J];工程力学;2004年01期
8 金学松,温泽峰,张卫华;两种型面轮轨滚动接触应力分析[J];机械工程学报;2004年02期
9 李芾,傅茂海,卜继玲;200km/h提速客车径向转向架动力学性能研究[J];铁道学报;2004年01期
10 罗金保;运用重载技术实现大秦铁路扩能目标[J];中国铁路;2003年12期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 李亨利;货车径向转向架动力学特性及轮轨磨耗研究[D];西南交通大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 郭俊;赵鑫;金学松;刘启跃;;全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析[J];摩擦学学报;2006年05期
2 彭惠民;;轮轨摩擦改进系统[J];铁道机车车辆工人;2008年12期
3 翟婉明;铁路轮轨高频随机振动理论解析[J];机械工程学报;1997年02期
4 夏富杰,詹斐生,张卫华;轮轨几何接触的通解研究[J];机械工程学报;2000年08期
5 张卫华,周文祥,陈良麒,金学松,黄丽湘;高速轮轨粘着机理试验研究[J];铁道学报;2000年02期
6 赵国堂,田越,刘铁,赵钢;轮轨水平力连续测试技术的研究[J];铁道学报;2000年03期
7 姜向东;有关铁路轮轨噪声问题的探讨[J];中国铁路;2000年10期
8 覃为刚,唐怀平;轮轨水介质粘着分析[J];西南交通大学学报;2000年05期
9 俞展猷;轮轨磨耗机理与轮轨润滑[J];铁道机车车辆;2000年05期
10 金学松,沈志云;轮轨滚动接触力学的发展[J];力学进展;2001年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 孙琼;臧其吉;;关于轮轨滚动摩擦机理的探讨[A];第六届全国摩擦学学术会议论文集(上册)[C];1997年
2 沈钢;H.Chollet;叶志森;;轮轨外形及接触问题的进一步研究[A];中国铁道学会车辆委员会2004年度铁路机车车辆动态仿真学术会议论文集[C];2004年
3 赵鑫;温泽峰;金学松;;表面不平顺对轮轨滚动摩擦温度场的影响[A];中国铁道学会车辆委员会2004年度铁路机车车辆动态仿真学术会议论文集[C];2004年
4 李敬伟;王夏鍫;;轮轨粘着-蠕滑特性实验研究[A];第五届全国青年摩擦学学术会议论文集[C];1999年
5 王文健;郭俊;刘启跃;;轮轨磨损与滚动疲劳裂纹损伤关系及预防研究[A];2009年全国青年摩擦学学术会议论文集[C];2009年
6 刘启跃;王夏秋;;轮轨接触几何参数匹配问题探讨[A];第五届全国摩擦学学术会议论文集(下册)[C];1992年
7 张氢;胡晔;陆青;陈荔新;刘刚;;自动化码头电动小车的轮轨粘着影响因素分析[A];自主创新 实现物流工程的持续与科学发展——第八届物流工程学术年会论文集[C];2008年
8 李石磊;;二元结构固体润滑装置在机车轮轨减磨上的应用[A];郑州铁路局“十百千”人才培育助推工程论文集[C];2011年
9 张良威;李芾;;影响重载货车轮轨磨耗的曲线几何参数研究[A];实践 开拓 创新——2008年快速重载车辆转向架与轮轴学术研讨会论文汇编[C];2008年
10 高学军;李映辉;高庆;翟婉明;彭阳华;;基于Sato模型的轮轨非线性稳定性与分岔研究[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文摘要集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前9条
1 本报通讯员 杨晓文;引进国际新技术 根治轮轨摩擦顽症[N];人民铁道;2013年
2 ;中低速磁浮是交通安全和环保发展的撒手锏[N];人民政协报;2012年
3 李富永;京沪线为何选用轮轨技术?[N];中华工商时报;2004年
4 田音;京沪高速铁路缘何青睐轮轨技术[N];经理日报;2003年
5 沈颖;高速轮轨遭遇经济难题[N];南方周末;2003年
6 本报驻法国记者 郑园园;法国轮轨高速谱新篇[N];人民日报;2001年
7 王京一;京沪高铁轮轨技术占上风[N];经理日报;2005年
8 记者 邵斌;专家攻克高速铁路关键技术[N];大众科技报;2002年
9 柯言;骨气、勇气与能力[N];科技日报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙善超;轨道—车辆系统轮轨力辨识及应用研究[D];中国铁道科学研究院;2016年
2 刘吉华;轮轨材料滚动磨损和接触疲劳损伤行为的试验研究[D];西南交通大学;2016年
3 徐斌;基于Bayes滤波器的轨道车辆悬挂参数和轮轨力的估计方法研究[D];上海交通大学;2014年
4 王璞;重载铁路轮轨磨耗预测及钢轨型面优化研究[D];北京交通大学;2017年
5 张军;基于有限元法的轮轨蠕滑理论研究[D];大连理工大学;2003年
6 周文祥;非正交系坐标测量机理论及轮轨外形测量技术研究[D];西南交通大学;2005年
7 宋颖;高速车轮失圆对轮轨动力作用的影响及其监测方法研究[D];北京交通大学;2010年
8 申鹏;轮轨黏着特性试验研究[D];西南交通大学;2012年
9 农汉彪;轮轨垂向载荷连续测量与识别方法研究[D];西南交通大学;2012年
10 马心坦;轮轨滚动噪声预测与控制研究[D];北京交通大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 肖南;基于超声波的轮轨界面研究[D];西南交通大学;2012年
2 黄洁;不同法向载荷下轮轨材料滚动摩擦磨损行为研究[D];西南交通大学;2015年
3 曹亚博;重载货车系统动力学建模及仿真分析[D];西南交通大学;2015年
4 白雪;踏面形状对地铁车辆动力学性能及轮轨磨耗影响研究[D];西南交通大学;2015年
5 丁昊昊;轴重和速度对轮轨材料滚动磨损与损伤性能影响[D];西南交通大学;2015年
6 刘志远;高速动车驱动系统动力学及轮轨粘滑振动研究[D];西南交通大学;2015年
7 陈迪来;轮轨局部激扰对机车动力学性能影响分析[D];西南交通大学;2015年
8 王宇;车轮失圆激扰下的轮轨动力响应分析[D];西南交通大学;2015年
9 应忠良;变轴重工况下轮轨磨损性能研究[D];西南交通大学;2015年
10 姚治锋;大轴重货车道岔通过性能及轮轨动态作用影响研究[D];西南交通大学;2015年
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