鐵道車輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系

1、1鐵道車輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系鐵道車輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系2主要內(nèi)容第一節(jié) 輪對(duì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識(shí)第三節(jié) 輪軌接觸幾何關(guān)系求解第四節(jié) 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系3第一節(jié) 輪對(duì)結(jié)構(gòu)41 輪對(duì)設(shè)計(jì)要求l 應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度，以保證在容許的最高速度和最大載荷下安全運(yùn)行（減輕輪對(duì)重量）；l 應(yīng)不僅能夠適應(yīng)車輛直線運(yùn)行，同時(shí)又能夠順利通過(guò)曲線和道岔，而且應(yīng)具備必要的抵抗脫軌的要求；l 應(yīng)具備阻力小和耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，這樣可以只需要較小的牽引動(dòng)力并能夠提高使用壽命。52 輪對(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系輪對(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系l 輪緣l 滾動(dòng)圓直徑l 輪緣內(nèi)側(cè)距l(xiāng) 車輪踏面斜度6 輪緣：輪緣

2、是保持車輛沿鋼軌運(yùn)行，防止車輪脫軌的重要部分。 滾動(dòng)圓直徑：車輪直徑大小，對(duì)車輛的影響各有利弊：輪徑小可以降低車輛重心，增大車體容積，減小車輛簧下質(zhì)量，縮小轉(zhuǎn)向架固定軸距，對(duì)于地鐵車輛還可以減小建筑限界，降低工程成本；但是，小直徑車輪可使車輪阻力增加，輪軌接觸應(yīng)力增大，踏面磨耗較快，通過(guò)軌道凹陷和接縫處對(duì)車輛振動(dòng)的影響增大。輪徑大的優(yōu)缺點(diǎn)則與之相反。2 輪對(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系輪對(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系7（3） 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距8 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距保證輪緣與鋼軌之間有一定游（間）隙，可以：v 減少輪緣與鋼軌磨耗；v 實(shí)現(xiàn)輪對(duì)自動(dòng)對(duì)中作用；v 有利于車輛安全通過(guò)曲線；v 有利于安全通過(guò)轍叉；輪緣與鋼軌之間

3、的游（間）隙太小，可能會(huì)造成輪緣與鋼軌的嚴(yán)重磨耗；輪緣與鋼軌之間的游（間）隙太大，會(huì)使輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅增大，影響車輛運(yùn)行品質(zhì)；9安全通過(guò)轍叉10r0+yy-0rRy2bo順利通過(guò)曲線11輪緣內(nèi)側(cè)距選取12輪軌間隙計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軌距：1435mm輪對(duì)內(nèi)側(cè)距：1353mm輪緣厚度：32mm（單側(cè)），64mm（雙側(cè)）國(guó)內(nèi)輪軌間隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm）歐洲輪軌間隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm）13v 為了使無(wú)論哪種踏面形狀均能夠防止 車輪脫軌，因而車輪都設(shè)有輪緣。v 踏面錐度是使輪對(duì)具有復(fù)原功能和轉(zhuǎn)向功能的根本原因，也是引起蛇行運(yùn)動(dòng)的根源。 圓筒踏面（踏面為

4、沒(méi)有錐度的平坦圓筒、日本軌檢車上，有利于軌道高低變形的測(cè)定） 圓錐踏面（踏面帶有一定的錐度） 圓弧踏面（磨耗型踏面，踏面帶有圓?。?. 踏面類型14車輪踏面外型車輪踏面幾何形狀是影響行車安全和運(yùn)行平穩(wěn)性的重要因素。15錐形踏面 (TB)16錐形車輪踏面和鋼軌頭部的接觸面積很小，接觸應(yīng)力很高，因此在車輪運(yùn)用初期，局部位置的磨耗很快，使踏面不久即呈現(xiàn)凹陷。當(dāng)磨耗范圍逐漸遍及整個(gè)踏面并與軌頭的輪廓外形相吻合后，接觸應(yīng)力就明顯減小，表面又經(jīng)過(guò)冷硬處理，以后的磨耗減慢，踏面外形也相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)的踏面形狀接近于磨耗型踏面。采用凹形車輪踏面，不僅可以減緩磨耗，延長(zhǎng)使用壽命，而且有利于車輛曲線通過(guò)，并使輪緣力

5、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 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距 滾動(dòng)圓半徑 輪緣 輪緣厚度 輪緣角度 輪緣高度 踏面 等效踏面錐度 回轉(zhuǎn)半徑差 接觸角度差4. 車輪參數(shù)定義車輪參數(shù)定義輪軌接觸分析車輪磨耗特性參數(shù)車輪磨耗特性參數(shù) Sh: 輪緣高輪緣高 Sd: 輪緣厚度輪緣厚度 qR: 輪緣形狀限度輪緣形狀限度車輪外形車輪外形SdShqRL3 = 10 mmL3 = 12 mm(Standard China)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SYSZ40-00-00-02A (200 kph)32.63228.19.8SYSZ40-00-00-00 (160 kph)33.23227.910.7

6、S100232.5-28.010.8XP5532.6-29.011.0車輪外形的主要參數(shù)車輪外形的主要參數(shù)21磨耗型踏面（XP55） 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ; 中國(guó)軌道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002歐洲標(biāo)準(zhǔn)外形； XP55 TGV 韓國(guó)外形車輪外形吻合車輪外形吻合23 對(duì)脫軌安全性要高； 對(duì)中性能強(qiáng)； 運(yùn)行穩(wěn)定性要好（不發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)）；運(yùn)行穩(wěn)定性要好（不發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)）； 曲線通過(guò)性能要好（曲線通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的橫向力曲線通過(guò)性能要好（曲線通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的橫向力要?。?；要?。?； 能夠順利通過(guò)道岔； 耐磨性要好，即使產(chǎn)生了磨耗，其形狀變化也要小。5. 車輪踏面設(shè)置要求

7、踏面設(shè)計(jì)目的性問(wèn)題踏面設(shè)計(jì)目的性問(wèn)題24錐型踏面輪軌接觸斑磨耗型踏面輪軌接觸斑兩種踏面接觸面積比較25一般地，在曲線通過(guò)方面采用磨耗型踏面有利，而在抑制蛇行運(yùn)動(dòng)、車體振動(dòng)方面錐形踏面有利。實(shí)際上，現(xiàn)階段研究結(jié)果表明，在抑制車體蛇行運(yùn)動(dòng)和提高穩(wěn)定性方面，磨耗型踏面有時(shí)也能夠取得良好的效果。對(duì)踏面動(dòng)力學(xué)性能認(rèn)識(shí)差異26在車輪橫移時(shí)，磨耗型踏面車輪的接觸角差、滾動(dòng)半徑差要比錐形踏面車輪的變化大，這使輸入車體的能量減少，車體振動(dòng)激烈程度降低。在適當(dāng)運(yùn)行速度下，與采用錐形踏面的車輪相比，采用磨耗型踏面的車輪，其轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)短、頻率高，而且遠(yuǎn)離了車體的固有振動(dòng)頻率。車輪踏面形狀對(duì)高速動(dòng)車運(yùn)動(dòng)特性的影

8、響車輪踏面形狀對(duì)高速動(dòng)車運(yùn)動(dòng)特性的影響國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車 藤本裕日本 1999年第2期性能認(rèn)識(shí)差異27車輪踏面形狀和接觸參數(shù)對(duì)從鋼軌向車上輸入的能量影響第2種變化 錐形踏面第1種變化圓弧踏面能量輸入率0.200.150.100.050.028兩種踏面對(duì)線路激擾響應(yīng)比較速度V=270km/h，波深a=1.0mm29與車輪相關(guān)的幾個(gè)參數(shù) 車輪踏面錐度 車輪踏面等效錐度（斜度） 重力剛度 重力角剛度30Gearbox 齒輪箱齒輪箱Coupling連掛連掛Traction motor 牽引馬達(dá)牽引馬達(dá)265 kW(360 Hk)max 5000 rpm等效斜度31e等效斜度（續(xù)）32錐形踏面車輪滾動(dòng)圓附近成

9、斜率為0.l的直線段，在直線段范圍內(nèi)車輪踏面斜度為常數(shù)。當(dāng)輪對(duì)中心離開(kāi)對(duì)中位置向右移動(dòng)橫移量yw，那么左右車輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑分別為：rL=r0- l ywrR=r0+ l ywwLRyrr2wLReyrr2等效斜度3304812160.00.40.81.2eyw/mm 磨 耗 踏面 錐形 踏面等效斜度34輪對(duì)重力剛度)(2)(2rrlltgWFtgWF)()(2lrlrgytgtgWFFFWrNlNr+-l35bbyy22錐形踏面LRLLRRtgtg)()()()(2LRgygytgtgyWyFKbwtgtgyWyFKLRgygy)()(2輪對(duì)重力剛度有使輪對(duì)恢復(fù)到原來(lái)對(duì)中位置的作用3604

10、8121604080120160 磨耗踏面 錐形踏面Kgy / N.m-1yw/mm輪對(duì)重力剛度37輪對(duì)重力角剛度sinsinLRgFbFM)()(sin2LRggtgtgbWMKconstWbKg有使輪對(duì)繼續(xù)偏離原來(lái)角位置的作用2brlFF3804812160.000.030.060.090.30.60.91.2 Kgyw /mm輪對(duì)重力角剛度39u 合理的輪軌踏面外型不僅可以減緩磨耗，延長(zhǎng)使用壽命，而且有利于車輛曲線通過(guò)，降低輪軌動(dòng)力作用；u 只要輪軌外型參數(shù)確定，利用輪軌接觸幾何關(guān)系，可以確定輪對(duì)在不同橫移量時(shí)車輪踏面等效斜度、等效重力剛度和等效重力角剛度等參數(shù)；40專題三：輪對(duì)低動(dòng)力設(shè)

11、計(jì)方法VmtF動(dòng)量定理：tVmF/降低作用力途徑有三種：1. 減小質(zhì)量；2. 減小速度變化量；3. 延長(zhǎng)力作用時(shí)間。41專題三：輪對(duì)低動(dòng)力設(shè)計(jì)方法1. 1.減小簧下質(zhì)量。減小簧下質(zhì)量。目前在減小輪對(duì)質(zhì)量上主要兩種方法：采用空心車軸。在不降低車軸強(qiáng)度的條件下，盡可能采用空心車軸，這不僅有利于降低簧下質(zhì)量，而且還便于車軸疲勞裂紋內(nèi)部探傷。采用小輪徑車輪。減小車輪直徑同樣可以起到降低輪對(duì)質(zhì)量的作用。2. 采用合理的車輪踏面。采用合理的車輪踏面。合理的車輪踏面對(duì)降低輪軌相互作用、保證車輛系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過(guò)能力具有重要的意義。3. 3.采用彈性車輪。采用彈性車輪。采用彈性車輪不僅可以降低

12、輪軌噪聲，而且還可以緩和輪軌沖擊，降低輪軌動(dòng)作用力。4. 4.嚴(yán)格控制車輪質(zhì)量，降低車輪動(dòng)不平衡質(zhì)量。嚴(yán)格控制車輪質(zhì)量，降低車輪動(dòng)不平衡質(zhì)量。 車輪設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，應(yīng)盡可能保證車輪質(zhì)心與形心重合，嚴(yán)格控制輪對(duì)動(dòng)不平衡質(zhì)量，避免質(zhì)心與形心出現(xiàn)位置偏差時(shí)形成輪軌間持續(xù)沖擊作用。42第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識(shí)v 鋼軌軌頭外形v 輪軌接觸狀態(tài)v 輪軌接觸幾何參數(shù)4350kg/m鋼軌外型尺寸60kg/m鋼軌外型尺寸1. 1. 鋼軌軌頭外型鋼軌軌頭外型44UIC60 鋼軌外型UIC54 鋼軌外型UIC 鋼軌外型45-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm R50 R6050kg/

13、m與60kg/m軌軌頭外型尺寸比較462. 輪軌接觸狀態(tài)輪軌接觸狀態(tài)踏面接觸踏面接觸輪緣接觸一點(diǎn)接觸兩點(diǎn)接觸47磨耗型踏面輪軌接觸48鋼軌磨耗后輪軌接觸狀態(tài)493. 輪軌接觸幾何參數(shù)輪軌接觸幾何參數(shù)wzywwrlwrrrrrrrlrwlrrlr50輪軌接觸幾何參數(shù)輪軌接觸幾何參數(shù) 左、右輪實(shí)際滾動(dòng)半徑； 左、右輪在輪軌接觸點(diǎn)處的踏面曲率半徑； 左、右軌在輪軌接觸點(diǎn)處的踏面曲率半徑； 左輪和左輪與左軌和右軌在輪軌接觸點(diǎn)處的接觸角； 輪對(duì)側(cè)滾角； 輪對(duì)中心上下位移； 踏面等效斜度； 重力剛度與重力角剛度。51第三節(jié) 輪軌接觸幾何關(guān)系求解v 輪軌接觸幾何關(guān)系求解發(fā)展過(guò)程v 影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)v

14、 空間輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法v 不同踏面輪軌接觸狀態(tài)比較 52n八十年代初期 ：n研究由分段圓弧組成的磨耗型踏面和磨耗型鋼軌相互接觸時(shí)的幾何參數(shù)以及各種因素對(duì)它們的影響 n八十年代中后期：n研究了任意形狀的輪軌空間幾何約束關(guān)系，并提出了一個(gè)具有足夠精度、適用于任意形狀的空間幾何約束關(guān)系的數(shù)學(xué)方法及計(jì)算程序；n九十年代初期 ：n提出了的思想來(lái)處理空間輪軌接觸幾何關(guān)系問(wèn)題。基本思路:暫時(shí)拋開(kāi)軌面的形狀，僅由輪對(duì)的位置（搖頭角、側(cè)滾角）以及踏面主輪廓線參數(shù)（滾動(dòng)半徑、接觸角）確定可能的接觸點(diǎn)。 1 輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)展過(guò)程53輪對(duì)內(nèi)側(cè)距軌距輪對(duì)橫移鋼軌軌頭外形軌底坡軌道超高軌道高度車輪踏面外形名義

15、半徑軸心到滾動(dòng)圓距離2 影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)54縱向超前量553 輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法v 基本假定 v 輪軌外形離散v 跡線法求解X ,1O3Z2Y561）輪軌接觸點(diǎn)求解準(zhǔn)則n剛體假設(shè)。假定車輪與鋼軌均為剛體，它們不存在影響接觸關(guān)系的彈性變形，或者說(shuō)車輪表面上任意點(diǎn)不能嵌入鋼軌內(nèi)部；n同一側(cè)車輪上的接觸點(diǎn)和鋼軌上的接觸點(diǎn)應(yīng)具有相同的空間位置；n輪軌接觸點(diǎn)處車輪與鋼軌具有公切面。572）車輪踏面及軌頭外型數(shù)值離散）車輪踏面及軌頭外型數(shù)值離散輪對(duì)踏面主輪廓線和軌頭外形離散成有限個(gè)點(diǎn)（假定個(gè)數(shù)分別為NW和NR）利用三次樣條函數(shù)對(duì)其平滑處理后，則Xr、Yr、Zr將是具有NW個(gè)元素的一維矩陣。在

16、輪對(duì)中心坐標(biāo)系中，再次利用三次樣條函數(shù)，將左、右車輪的、分別向左、右軌頂線中插值。為保證在計(jì)算接觸幾何關(guān)系時(shí)于斜度較大的區(qū)段有較高的精度，在計(jì)算程序的設(shè)計(jì)上，采用等弧長(zhǎng)的方法來(lái)等分各離散點(diǎn)。58680720760800-490-480-470-460-450滾動(dòng)圓半 徑/mm縱 向位置/mm磨耗型踏面外型離散磨耗型踏面外型離散59-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm50kg/m軌頭外型全部離散數(shù)據(jù)60kg/m軌軌頭外型離散數(shù)據(jù)-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm鋼軌鋼軌 軌頭外型離散軌頭外型離散60-40-2002040-40-3

17、0-20-10010z/mmy/mm R50 R60兩種鋼軌兩種鋼軌 軌頂外型比較軌頂外型比較61680720760800-500-480-460-440Z/mmY/mm 車輪踏面 鋼軌外形62輪軌外形數(shù)據(jù)插值輪軌外形數(shù)據(jù)插值63輪軌空間接觸示意圖輪軌空間接觸示意圖3）跡線法基本原理）跡線法基本原理64-0.50.00.51.0680720760800-480-470-460-450 Y /mmX/mmZ/mm輪軌跡線（無(wú)搖頭角）輪軌跡線（無(wú)搖頭角）65-60-3003060680720760800-480-470-460-450 Y /mmX/mmZ/mm輪軌跡線（有搖頭角）輪軌跡線（有搖頭

18、角）664）輪軌接觸狀態(tài)）輪軌接觸狀態(tài)67鋼軌磨耗位置68錐形踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化錐形踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化69磨耗型踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化磨耗型踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化70踏面上接觸幾何位置軌頭上接觸幾何位置0369121520406080100左 輪右輪踏 面接觸點(diǎn)位置（ mm）輪對(duì)橫移量（ mm）03691215010203040右軌左 軌軌頭 接觸點(diǎn)位置（ mm）輪對(duì)橫移量(mm)輪軌空間接觸幾何關(guān)系輪軌空間接觸幾何關(guān)系710369121520406080100002040踏 面接觸點(diǎn)位置(mm)輪對(duì)橫移量(mm)03691215010203040002040軌頭 接觸點(diǎn)位置(mm)輪對(duì)橫移量(mm)搖頭角對(duì)踏面接觸點(diǎn)的影響搖頭角對(duì)軌面接觸點(diǎn)的影響72q=0 w=0q=0 w=30q=2.50 w=30輪軌接觸點(diǎn)位置變化輪軌接觸點(diǎn)位置變化732468101214163040506070012345接觸點(diǎn)位置/mm搖頭角/deg輪對(duì)橫移/mm輪對(duì)搖頭角對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響輪對(duì)搖頭角對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響74q=0 w=0q=2.50 w=30滾動(dòng)圓半徑變化滾動(dòng)圓半徑變化75q=0 w=0q=2.50 w=30輪軌接觸角變化輪軌接觸角變化76q=0 w=0q=2.50 w=30質(zhì)心垂直位移與側(cè)滾角變化質(zhì)心垂直位移與側(cè)滾角變化77q=0 w=