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41 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。52 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l 轮缘内侧距l 车轮踏面斜度6轮缘：轮缘是

2、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

3、（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10r0+yy-0rRy2bo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）13v 为了使无论哪种踏面形状均能够防止 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

4、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，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

5、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SdShqRL3 = 10 mmL3 = 12 mm(Standard China)中国标准SYSZ40-00-00-02A (200 kph)32.63228.19.8SYSZ40-00-00-00 (160 kph)33.23227.910.7S1

6、00232.5-28.010.8XP5532.6-29.011.0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）Comparison between Wheel profilesS1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55-30-25-20-15-10-50510150102030405060708090100110120130140y mmz mmS1002SYSZ40-00-00-00 for 160 km/hSYSZ40-00-00-0

7、2A for 200 km/hXP55 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Comparison between Wheel profilesS1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55-20-15-10-50530405060708090100y mmz mmS1002SYSZ40-00-00-00 for 160 km/hSYSZ40-00-00

8、-02A for 200 km/hXP55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

9、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，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0.200.150.100.050.028两

10、种踏面对线路激扰响应比较速度V=270km/h，波深a=1.0mm29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30Gearbox 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31e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 ywrR=r0+ l ywwLRyrr2wLReyrr2等效斜度3304812160.

11、00.40.81.2eyw/mm 磨 耗 踏面 锥形 踏面等效斜度34轮对重力刚度)(2)(2rrlltgWFtgWF)()(2lrlrgytgtgWFFFWrNlNr+-l35bbyy22锥形踏面LRLLRRtgtg)()()()(2LRgygytgtgyWyFKbwtgtgyWyFKLRgygy)()(2轮对重力刚度有使轮对恢复到原来对中位置的作用36048121604080120160 磨耗踏面 锥形踏面Kgy / N.m-1yw/mm轮对重力刚度37轮对重力角刚度sinsinLRgFbFM)()(sin2LRggtgtgbWMKconstWbKg有使轮对继续偏离原来角位置的作用2brl

12、FF3804812160.000.030.060.090.30.60.91.2 Kgyw /mm轮对重力角刚度39u 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：减小质量；减小速度变化量；延长力作用时间。41专题三：轮对低动力设计方法减小簧下质量。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

13、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。 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有重要的意义。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。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

14、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4350kg/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44UIC60 钢轨外型UIC54 钢轨外型UIC 钢轨外型45-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm R50 R6050kg/m与60kg/m轨轨头外型尺寸比较462. 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493. 轮轨接触几何参数轮轨接触几何参数wzywwrlw rrrrrrrlrw lrrlr50轮轨接触几何参数轮轨接触几何参数 左、

15、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 52n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

16、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553 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 , 1O3Z2Y561）轮轨接触点求解准则n刚体假设。假定车轮与钢轨均为

17、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。572）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。58680720760

18、800-490-480-470-460-450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59-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm50kg/m轨头外型全部离散数据60kg/m轨轨头外型离散数据-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm钢轨钢轨 轨头外型离散轨头外型离散60-40-2002040-40-30-20-10010z/mmy/mm R50 R60两种钢轨两种钢轨 轨顶外型比较轨顶外型比较61680720760800-500-480-460-440Z/mmY/mm 车轮踏面 钢轨外形62轮轨外形数据插值轮

19、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64-0.50.00.51.0680720760800-480-470-460-450 Y /mmX/mmZ/mm轮轨迹线（无摇头角）轮轨迹线（无摇头角）65-60-3003060680720760800-480-470-460-450 Y /mmX/mmZ/mm轮轨迹线（有摇头角）轮轨迹线（有摇头角）664）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0

20、369121520406080100左 轮右轮踏 面接触点位置（ mm）轮对横移量（ mm）03691215010203040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710369121520406080100002040踏 面接触点位置(mm)轮对横移量(mm)03691215010203040002040轨头 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72q=0 w=0q=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732468101214163040506070012345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74q=0 w=0q=2.50 w=30滚动圆半径变化滚动圆半径变化75q=0 w=0q=2.50 w=30轮轨接触角变化轮轨接触角变化76q=0 w=0q=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77q=0