车辆系统动力学第四讲

1、主要内容：第一节 轮对结构及其对动力学性能影响第二节 轮轨接触状态及影响因素第三节 轮轨接触几何关系求解第四节 道岔区轮轨接触几何关系第三节 轮轨接触几何关系求解一、轮轨接触几何问题提出一、轮轨接触几何问题提出不同踏面与钢轨之间的接触与匹配关系和特点，可通过左右车轮的滚动圆半径差和左右车轮接触角度差与轮对横移之间的变化关系表现出来。 轮轨接触关系求解时可以采用线性解析方法。单一圆弧踏面接触单一圆弧踏面接触 接触角度差引起作用于左右车轮上的重力在横向方向上的分量差异。即，采用圆弧形踏面，存在一个依靠重力使得轮轴返回对中位置的复原力。 轮轨接触几何关系求解，就成为在轮轨运动受限制的条件下，求解接触

2、点的轨迹？任意踏面进行轮轨几何关系计算原理：按轮轨形状的几何特点，选择一种合适的数学方法来表达车辆和钢轨的轮廓面，然后根据轮对和钢轨所处的几何位置进行坐标变换。轮轨位置确定以后，根据轮轨接触表面坐标值再确定接触点的位置；二、轮轨接触几何关系研究发展过程二、轮轨接触几何关系研究发展过程 迹轨迹法: 暂时抛开轨面的形状，仅由轮对的位置以及踏面主轮廓线参数确定可能的接触点。即当轮对中心线方向一定时，把整个车轮踏面看成一系列以轮对中心线为滚动轴的圆组成的旋转曲面，每个滚动圆上有且仅有一个可能的接触点，这些可能的轮轨接触点的集合形成一条在踏面上的空间曲线即迹线。三、轮轨接触几何关系求解三、轮轨接触几何关

3、系求解 1、参量选取 轮对的自由度只考虑横移和摇头两个自由度。 坐标系原点是轮对处于对中位置时的重心位置，也就是轨道中心线和车轮回转轴线的交叉点； 车轮与轨道接触点视为轮轴在对中位置时距离轨道中心为S距离的点，S约为轨距的一半。 2、迹线法计算原理 基本假定： 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； 车轮与钢轨的接触区域为一个点或斑，即车轮踏面与钢轨之间不存在共面或共线接触情况； 同一轮对的左轮和左轨、右轮和右轨同时接触，不存在一侧轮轨脱离现象。 3、轮对踏面及轨头外型数值离散和接触参数求解 离散过程中，首先根据设计图找出各圆弧段的圆心以

4、及各相邻分段的连接坐标。在计算接触几何关系时，为保证斜度较大的区段有较高精度，可采用等弧长的方法来等分各离散点。 在轮对踏面主轮廓线和轨头外形被离散成有限个点后，再利用三次样条函数对其平滑处理。 在轮对中心坐标系中，再次利用三次样条函数，将左右车轮的值分别向左右轨顶线中插值。4、计算结果 （1）轮轨接触空间迹线 （2）轮轨空间接触几何关系 比较两种踏面下的轮轨接触点突变特性可以看出，锥形踏面的突变要比磨耗型踏面明显得多、激烈得多。 下图显示了轮轨接触点在LM型车轮踏面和60Kg/m钢轨上的接触位置。可以看出，在新轮轨匹配时，轮轨接触点一般不会超过钢轨中线位置，且轮轨接触点分布相对均匀。 通过仿

5、真对比得出，轮对摇头角越大，越容易发生轮缘与钢轨贴靠现象，甚至出现两点接触； 仅从轮轨接触角度来看，适当加宽轨距有助于减少轮缘贴靠机率，并有利于减小轮缘磨耗、减轻钢轨侧磨。第四节 道岔区轮轨接触几何关系道岔是铁路轨道最薄弱环节之一，是限制列车速度的最主要线路部位。p本节在介绍道岔区轮/岔接触特点的基础上，给出了轮对与并列两股钢轨同时接触的判定方法以及轮缘槽位置车轮轮背与护轨接触的计算方法。p利用数值计算结果，分析了道岔区法伤两点接触和轮背接触时轮轨力作用与分配特点，以及道岔系统的振动特性。 一、道岔区轮轨接触特点 1、踏面与轮缘接触 2、护轨轮背接触护轨由平直段、两侧缓冲段和两端开口段组成，是

6、道岔的重要组成部分。作用：控制车轮运行方向、引导轮对进入相应的轮缘槽、防止其在有害空间冲击或爬上心轨尖端、保证行车安全。 如果轮对有向外侧的横移量，那么轮对轮背将与护轨发生接触，并产生横向冲击作用，迫使轮对回到对中位置，以使外侧车轮与钢轨间有足够的轮轨间隙，并以此防止心轨或辙叉过度磨损。 二、轮/岔两点接触判定方法 1、车轮与相邻钢轨同时接触判定方法在求解轮轨接触几何关系时，常采用插值法确定轮轨接触几何参数。求解道岔区轮对与两侧钢轨之间的接触参数可采用同样的方法进行。与常规轮轨接触关系求解不同的是，这里的一侧钢轨可能是一股，也可能是两股，与轮对在道岔区内的位置有关。 在迭代求解轮轨关系时，首先

7、求解轮对分别与左右两侧走行轨的最短“距离” ，同侧两股钢轨的轨顶外型数据，合并为一个轨顶外型数据文件参与接触几何关系求解。在满足 下，进一步求解该车轮分别到基本轨和尖轨的最短距离 ； 求得的轮轨最短距离中，出去初始理想状态下轮轨间的最短距离以及由于轮对横移、侧滚和轨道不平顺引起的轮轨法向量位移偏差外，所获得的插值即为接触点处的轮轨法向弹性压缩量，有效弹性压缩量 0 =0.55 。 迭代求解轮轨最小距离 时，需要考虑： 车轮踏面外形、基本轨或翼轨轨头外形、尖轨或心轨轨头外形 尖轨或心轨轨顶下降量及顶宽 道岔平面内相邻钢轨排列关系 轮对横移量、基本轨垂向和横向位移、尖轨或心轨垂向和横向位移等。 2、轮缘槽车轮轮背与护轨接触判定方法 在初始和标准状态下，轮轨之间的间隙量依据型面和轨头设计应为9.0mm。如无外界激扰，轮对将不会与护轨发生冲击，但是在车辆侧逆向通过道岔时，轮对在离开导曲线后其横