日本轮轨关系研究现状综述_下_
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综述述评
日本轮轨关系研究现状综述(下)
王俊彪
马大炜
王成国
(接上期)
行利用Si、Mg、Mn等合金化铸铁材料以减轻磨耗的研究。同时,轮缘润滑也有改善磨耗的作用,但应避免导致滚动疲劳。
(2)接触位置和接触面压力。当列车通过直线区段时,在车轮踏面和轨道顶面相接触的情况下,仅的赫兹理论计算轮轨接触面积。但该理论不适用于曲线通过时实际轮轨的塑性变形,因而可应用FEM(三维弹塑性有限元法)模型计算接触面压力。新品轮轨的接触状态因轮轨断面形状而异,2点接触圆锥踏面的作用力较圆弧踏面大约高10%,因此,在同样轮重、横压条件下圆弧踏磨耗品组合接触时,接触位置有向轮边缘端下移的倾向,使接触面积减少而接触面压力增加。
(3)接触位置和滑行率。圆弧踏面在冲角0.3°时的总滑行率为圆锥踏面的39%。
(4)轮缘磨耗量预测。如上所述轮缘磨耗量和接触面压力、滑行率成正比,新品圆弧踏面的接触面压力为圆锥踏面的0.9,滑行率为圆锥踏面的0.39,因此,可根据新干线车辆圆锥踏面的实际轮缘磨耗值预测圆弧踏面车轮轮缘的磨耗值,为
圆锥踏面的0.9×0.39。
研究主要是提出定量评价接触面压力、滑行率影响的磨耗预测方法及减轻轮轨侧磨的对策。3.1.3日本铁路轮轨磨耗的实际状况和对策
(1)既有线轮缘磨耗量。调查结果表明圆锥踏面在运行12万km后的磨耗量为1~2mm,圆弧踏面在运行14万km后的磨耗量仅0~0.6mm。
(2)新干线R=400m和R=900m曲线轨道外侧的磨耗量。小半径曲线(R=400m)的磨耗量几乎是大曲线(R=900m)的3倍。
(3)改善轮轨磨耗的对策。根据减少接触面压力和打滑率的原理,为改善轮轨侧磨,可采用钢轨润滑以及通过轨头打磨优化轨道断面形状的方法。
3轮轨接触的摩擦和磨耗研究
3.1磨耗形态及轮轨磨耗的主要因素
3.1.1磨耗形态分类
(1)凝着磨耗。其磨耗量和接接触面压力和滑行率取决于轮轨断面形状和轨道条件,材料性能主要是摩擦系数、硬度等。
(2)研磨磨耗。由于硬质凹凸或粒子的切削作用所致。
(3)腐蚀磨耗。起因为环境条件和润滑剂的腐蚀作用。
(4)疲劳磨耗。由于轮轨接触其中凝着磨耗是轮轨磨耗的主体,以此作为研究对象,基于实际轮轨磨耗状况和室内磨耗试验的结果,研究车轮形状、轮轨作用力对磨耗的影响,并通过实测结果进行比较验证。
3.1.2磨耗的主要因素及磨耗量预测
研究结论提出轮轨磨耗(凝着磨耗)的主要因素是轮轨材质、轨道润滑状态、接触面压力和滑行率等。
(1)材料对磨耗的影响。采用高强度和耐磨性的热处理材料可延长使用寿命2~4倍,因此,正在进
触面压力、滑行率、材料性能有关,有垂向载荷,可按适用于弹性变形
部重复应力作用引起的表层疲劳破坏。面的最大接触应力约减少10%。在
3.2室内摩擦和磨耗试验
3.2.1摩擦试验
在φ170mm模型车轮的双筒式滚动接触试验台上试验摩擦系数和粘着力特性。试验分类为:①具有高耐磨性和耐蚀性的硬质薄膜(DLC)和TIN(钛合金);②具有低摩擦系数的软质固体润滑膜MOS2、DLC和Ag等。根据地铁、既有线和新干线等不同车辆的负荷条件,分别设定750、
王俊彪:中国铁道科学研究院研发中心,常务副主任,副研究员,北京 100081
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日本轮轨关系研究现状综述(下)
王俊彪等
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850、1000MPa的最大赫兹接触应触疲劳试验装置进行磨耗试验,试力,按40km/h转速对不同的复合验条件为摸拟新干线的60kg/m钢
层进行比较试验。结果表明,在润滑轨和圆弧踏面车轮,V=40km/h,状态下的牵引粘着系数接近0.1,采接触压力800MPa(轮重50kN),对用不同的复合层可改变牵引粘着系普通车轮和经过氧化处理的车轮进数的特性,其中复合层3的粘着力特行比较试验。试验结果表明,在210性无论在各种载荷条件下均可达到万转(3300km)后的氮化处理车轮极小的0.06,较通常润滑油为小,可磨耗量减少约为普通车轮的1/3。
用于防止爬轨导致的脱轨。3.3关于钢轨侧磨的研究
3.2.2室内磨耗试验
3.3.1研究目的
(1)试验条件和概况。模拟新干在直线区间,由于轮轨滚动接线的轮轨作用条件,包括轮轨形触疲劳导致的钢轨剥离和曲线区间状、由横压和接触位置决定的接触的内轨波状磨耗、外轨侧面磨耗、焊面压力、取决于冲角和接触位置的接部弯曲疲劳是轨道维修的主要课滑行率等,采用φ500mm车轮和题。为改善轮缘和钢轨的侧磨,可采φ350mm轨道轮的轮轨接触疲劳用改变钢轨热处理和钢轨侧涂油的试验装置,车轮形状为圆锥形或圆方法,研究荷重和滑行的影响,调查弧;按85kN轮重,横压34、17kN,钢轨侧磨的接触机理,定量评价力冲角0°、0.3°条件分别进行比较学因素(横压和滑行)对钢轨侧磨的试验。相当于列车运行滚动的轨道影响,改进轨道维修方法。轮转动速度为70~30km/h。
3.3.2钢轨侧磨的实际状况和接触条件
(2)试验结果。结果表明,轨典型的钢轨侧磨形态如图6所道轮断面磨耗形状的变化和实际轨示,最大磨耗量为2~3mm。影响道相一致。在试验载荷重复2.4×钢轨侧磨的因素有轮轨材质及其配106次后的冲角、车轮断面形状和横合、车辆条件(包括踏面形状)、轨道压、磨耗量的关系也和新干线的实条件(包括涂油、撒砂)、气象和环境测结果相吻合,其中,钢轨的侧磨条件。其中属于轮轨接触条件对曲耗量比轮缘磨耗大好几倍;冲角增线外轨侧磨的影响涉及有曲线半径、加使磨耗量增大,在圆锥车轮、横轨面有无热处理、通过吨位数、有无压34kN时,0.3°冲角磨耗量约为涂油和轮轨接触的力学条件(横压)0°的1.5倍。圆锥车轮的磨耗明显和车轮踏面形状等主要因素,相应
大于圆弧车轮;34kN横压作用的的对策有表面热处理和钢轨润滑等。轨侧磨耗量约为横压17kN时的1.8倍;在同样34kN横压条件下,圆弧车轮踏面的磨耗较圆锥踏面明显减少。
(3)研究结论。①冲角或横压增大导致轮轨接触应力和磨耗的增加。②耐磨性。应用φ500mm车轮和φ350mm轨条轮的轮轨高速接
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例如,在无涂油条件下,R=900m曲线外轨的磨耗量只有R=400m小半径曲线的1/3左右;圆弧踏面车轮的磨耗明显低于圆锥踏面车轮。该研究的主要研究对象是后者,包括对横压、冲角等接触条件的定量影响及其对策。3.3.3室内侧磨试验
室内试验应用轮轨接触疲劳试验装置,试验条件主要是φ500mm圆锥车轮、φ350mm轨条轮、速度45~70km/h、轮重85kN、横压34kN、冲角0°和0.3°、接触角1.4°,在室温和干燥条件下进行试验。试验方法为重复载荷作用后测量第10万次的磨耗形状、磨耗量、轮轨断面形状;约20万次后的磨耗面最低硬度(HS)。并在完成重复载荷240万次的疲劳试验后用光学显微镜和电子显微镜观察轮轨表面的磨耗状况及表层金相组织变化,并测定表面的残余应力。此外,有轮轨磨耗量及形状变化、表面硬度、磨耗形态和塑性流动状况等试验结果。
4钢轨波状磨耗及材料研究
波状磨耗是钢轨表面由于磨耗
或塑性变形导致的一定间隔的凹凸状磨耗,其振动频率较高,是导致列车运行时加剧垂向振动、噪声和轮轨部件恶化、道床沉降等的不利因
素,因此,是有关轮轨作用的重要课题之一。
4.1波状磨耗分类
(1)曲线内轨型。波长50~150mm,振动频率150~250Hz,其凹凸高度从-0.2~+0.3mm,主要发生在R=100~400m的小半径曲线区间。
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日本轮轨关系研究现状综述(下)王俊彪等
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发生铁锈,这是粘着系数下降的主要原因。
mBk1
mTlTk1
mw1
C1Zw1
(2)曲线外轨型。波长400~600mm,振动频率60~80Hz,以曲线外轨的侧部磨耗为主,多发生于R=800m以下的曲线区间。
(3)直线短波长型。波长30~50mm,振动频率800Hz,主要起源于轮轨接触部的共振。
(4)直线长波长型。波长300~500mm(既有线)和1200mm(新干线高速),振动频率60~80Hz,主要和车辆簧下质量、轨道系统的共振有关。
(5)其他国家根据列车运用条轻轨型、弹性枕木型和接触疲劳型等。
4.3波状磨耗的影响
4.3.1波状磨耗对振动和噪声的影响
钢轨波状磨耗产生噪声的机理是由于轨面连续凹凸引起列车通过时轮重的变化和相应的振动噪声。该噪声的频率取决于凹凸的波长和列车的运行速度。因此,通过钢轨打磨,使轨面凹凸平滑,可抑制车轮和轨道的振动而取得降低噪声的明显效果。
4.3.2波状磨耗对轮轨作用影响的
轨道不平顺
轨面凹凸
ZBC2Z
T
φTk1
mw2
C1
Zw2
接触弹簧
钢轨轨垫枕木上层道渣中层道渣下层道渣
图7轨道-车辆系统的动力学模型
动态模型
枕木道床动态
道床沉降方程
β=α.(p-b)2.y
道床沉降
件的不同将波状磨耗分为重载型、仿真计算
(1) 仿真计算条件(表3~5)。波状磨耗波长、波高以及车辆、轨道和负荷条件。
(2) 计算结果。波长和轮重变化、最大作用力的关系。4.3.3波状磨耗对轨道破坏的影响
波状磨耗对轨道破坏的影响有波状磨耗导致的轨道不平顺和道床预测道床的沉降(图8)。例如R=250m的曲线由于波磨严重,在同样荷重条件下的道床沉降量约为R
表3
计算用的波状磨耗形状
4.2波状磨耗的发生机理
(1)轨面表层的塑性流动。由于轮重变动导致滚动滑行的纵向蠕滑力作用,在钢轨纵向发生塑性流动。
(2)由于环境影响使轮轨粘着(3)对钢轨表面附着物的调查表明由于盐水环境在钢轨表面容易
图8
1.81.61.4
1.21.00.80.60.40.20.0
道床沉降的计算流程
系数减少而容易发生车轮的滚动滑行。沉降。利用轮轨作用模型(图7)可
R=280
mR=300m润滑(R=300m)
=400m曲线的2倍。因此,对波状磨耗的钢轨进行打磨有明显地减少道床沉降的效果。
图9
曲线半径和凹凸量
的冲角导致前轴的横向蠕滑力和后轴的纵向蠕滑力,加上钢轨接缝处轮重变化导致粘着力的变化,上述作用力的合力产生轮轨作用的滚动滑行,因此,产生轨面凹凸和内轨磨耗。4.4.2外轨磨耗
JR四国摆式车辆曲线运行表明,列车运行速度和钢轨波状磨耗波长的关系是,其振动频率约为60Hz与车辆簧下质量、轨道承载弹等,这是影响钢轨波状磨耗的重要
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MODERN URBAN TRANSIT
表4
计算用的车辆参数
4.4曲线区间产生波状磨耗的原因和对策
4.4.1小半径曲线(R≤400 m)内轨波状磨耗
在钢轨接缝等部位的轮重变化
首先引起波磨,其凹
凸量的发展主要受到曲线半径的影响(图9)。发生机理是由于曲当转向架曲线通过时
表5
轨道条件和输送条件
线内轨横压的作用,性系数组成振动系统的共振频率相
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4.5盐水环境下的波状磨耗
研究对象为山阳新干线新关门隧道,其在海底部分的轨道均为长波长磨耗(直线区段),该区间的高速列车运行速度为270km/h,波磨频率为60~70Hz,轨道弹性系数
R=280m
R=300m
K=60MN/m,300系或500系高速列车的簧下质量为850kg/轮,振动频率约为66Hz。
4.6关于钢轨材质的研究
4.6.1钢轨表面白色层产生机理和影响的分析
白色层是由于轮轨摩擦热作用在钢轨表面产生的热变态组织,当白色层达到一定厚度时具有膨胀性,因此,在白色层和基层金相组织之间境界面上发生有较大的拉伸残余应力,因而容易引起裂纹,是导致钢
原因,其发生机理主要是曲线外轨轨剥离坡坏的原因之一。
纵向蠕滑力的作用。对转向架后轴分析表明,钢轨表面的白色层通过曲线时外轨顶面磨耗频率分析厚度最大可达到50~60μm,当该厚结果也表明了该共振的作用。度超过20~30μm就可能引起裂纹。4.4.3减轻小半径曲线钢轨波状磨耗4.6.2调查结果
的对策
取样采用60kg/m钢轨,运行(1)内轨波磨。为减轻转向架前载荷达到1.6亿t,测试数据包括白轴的横压和内轨波磨,采用内轨润色的表面硬度分布、残余应力、深度滑已取得显著的效果(图10~11),方面的硬度分布和厚度测定。结果
同时为防止过度润滑引起的车轮打表明表面硬度为HV800~900,内滑和空转,开发了粘着系数大于水部拉伸残余应力为100~250MPa,润滑状态的新型润滑剂(摩擦调整材最大压缩残余应力在钢轨顶面部超料),喷射润滑剂的方式有车上方式过800MPa。
和地面方式。
(2)外轨磨耗。如前所述,影响5结束语
外轨磨耗的主要原因是车辆簧下质日本的轮轨关系研究成果对日
量和轨道弹性支持系统的共振,特本轨道交通的安全高效运行发挥重别是以轨道接缝处为甚,为此,提要作用。了解和借鉴日本轮轨关系出了减磨措施:在钢轨接缝部采用的研究模式和技术路线,对中国正高弹性的轨道垫板,以减小接缝处在快速发展的高速铁路和重载运输的轨道刚度;②调整钢轨接缝部的具有现实意义。
不平顺。
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参考文献
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收稿日期2008-11-03
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