鐵道車輛輪對結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系課件

1、1鐵道車輛輪對結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系12主要內(nèi)容第一節(jié) 輪對結(jié)構(gòu)認(rèn)識第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識第三節(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2主要內(nèi)容第一節(jié) 輪對結(jié)構(gòu)認(rèn)識3第一節(jié) 輪對結(jié)構(gòu)3第一節(jié) 輪對結(jié)構(gòu)41 輪對設(shè)計(jì)要求應(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（減輕輪對重量）；應(yīng)不僅能夠適應(yīng)車輛直線運(yùn)行，同時(shí)又能夠順利通過曲線和道岔，而且應(yīng)具備必要的抵抗脫軌的要求；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力并能夠提高使用壽命。41 輪對設(shè)計(jì)要求應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度，以保證在容許的最高速度和52 輪對形狀尺寸與線路相互關(guān)系輪緣滾動圓直徑輪緣內(nèi)側(cè)距車輪

2、踏面斜度52 輪對形狀尺寸與線路相互關(guān)系輪緣6輪緣：輪緣是保持車輛沿鋼軌運(yùn)行，防止車輪脫軌的重要部分。滾動圓直徑：車輪直徑大小，對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，通過軌道凹陷和接縫處對車輛振動的影響增大。輪徑大的優(yōu)缺點(diǎn)則與之相反。2 輪對形狀尺寸與線路相互關(guān)系6輪緣：輪緣是保持車輛沿鋼軌運(yùn)行，防止車輪脫軌的重要部分。27（3） 輪對內(nèi)側(cè)距7（3） 輪對內(nèi)側(cè)距8 輪對內(nèi)側(cè)距保證輪緣與鋼軌之間有一定游（間）隙，可以：減少輪緣

3、與鋼軌磨耗；實(shí)現(xiàn)輪對自動對中作用；有利于車輛安全通過曲線；有利于安全通過轍叉；輪緣與鋼軌之間的游（間）隙太小，可能會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，會使輪對蛇行運(yùn)動的振幅增大，影響車輛運(yùn)行品質(zhì)；8 輪對內(nèi)側(cè)距保證輪緣與鋼軌之間有一定游（間）隙，可以：輪緣9安全通過轍叉9安全通過轍叉10順利通過曲線10順利通過曲線11輪緣內(nèi)側(cè)距選取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輪對內(nèi)側(cè)距：1353mm輪緣厚度：32mm（單側(cè)），64mm（雙側(cè)）國內(nèi)輪軌間隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm）歐洲輪軌間隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （

4、mm）12輪軌間隙計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軌距：1435mm國內(nèi)輪軌間隙：9=（113為了使無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。踏面錐度是使輪對具有復(fù)原功能和轉(zhuǎn)向功能的根本原因，也是引起蛇行運(yùn)動的根源。圓筒踏面（踏面為沒有錐度的平坦圓筒、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13為了使無論哪種踏面形狀均能夠防止 車輪脫軌，因而車輪都設(shè)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。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15錐形踏面 (TB)15錐形踏面 (TB)1

5、6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)過冷硬處理，以后的磨耗減慢，踏面外形也相對穩(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，延長使用壽命，而且有利于車輛曲線通過，并使輪緣力有所降低。 磨耗型踏面形成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17磨耗型踏面（LM）17磨耗型踏面（LM）18磨耗型踏面（LMA）18磨耗型踏面（LMA）19輪對內(nèi)側(cè)距滾動圓半徑輪緣輪緣厚度輪緣角度輪緣高度踏面等效

6、踏面錐度回轉(zhuǎn)半徑差接觸角度差4. 車輪參數(shù)定義19輪對內(nèi)側(cè)距4. 車輪參數(shù)定義輪軌接觸分析車輪磨耗特性參數(shù) Sh: 輪緣高 Sd: 輪緣厚度 qR: 輪緣形狀限度車輪外形SdShqRL3 = 10 mmL3 = 12 mm(Standard China)中國標(biāo)準(zhǔn)SYSZ40-00-00-02A (200 kph)32.63228.19.8SYSZ40-00-00-00 (160 kph)33.23227.910.7S100232.5-28.010.8XP5532.6-29.011.0車輪外形的主要參數(shù)輪軌接觸分析車輪磨耗特性參數(shù)車輪外形SdShqRL3 = 121磨耗型踏面（XP55）21磨耗

7、型踏面（XP55）中國標(biāo)準(zhǔn) ;中國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 韓國外形車輪外形吻合中國標(biāo)準(zhǔn) ;車輪外形吻合23對脫軌安全性要高；對中性能強(qiáng)；運(yùn)行穩(wěn)定性要好（不發(fā)生蛇行運(yùn)動）；曲線通過性能要好（曲線通過時(shí)產(chǎn)生的橫向力要?。荒軌蝽樌ㄟ^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)置要求踏面設(shè)計(jì)目的性問題23對脫軌安全性要高；5. 車輪踏面設(shè)置要求踏面設(shè)計(jì)目的性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25一

8、般地，在曲線通過方面采用磨耗型踏面有利，而在抑制蛇行運(yùn)動、車體振動方面錐形踏面有利。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。對踏面動力學(xué)性能認(rèn)識差異25一般地，在曲線通過方面采用磨耗型踏面有利，而在抑制蛇行運(yùn)26在車輪橫移時(shí)，磨耗型踏面車輪的接觸角差、滾動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)動波長短、頻率高，而且遠(yuǎn)離了車體的固有振動頻率。車輪踏面形狀對高速動車運(yùn)動特性的影響國外內(nèi)燃機(jī)車 藤本裕日本 1999年第2期

9、性能認(rèn)識差異26在車輪橫移時(shí)，磨耗型踏面車輪的接觸角差、滾動半徑差要比錐27車輪踏面形狀和接觸參數(shù)對從鋼軌向車上輸入的能量影響27車輪踏面形狀和接觸參數(shù)對從鋼軌向車上輸入的能量影響28兩種踏面對線路激擾響應(yīng)比較速度V=270km/h，波深a=1.0mm28兩種踏面對線路激擾響應(yīng)比較速度V=270km/h，波深a29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29與車輪相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)車輪踏面錐度30Gearbox 齒輪箱Coupling連掛Traction motor 牽引馬達(dá)265 kW(360 Hk)max 5000 rpm等效斜度30Gearbox 齒輪箱Co

10、upling連掛Tractio31e等效斜度（續(xù)）31e等效斜度（續(xù)）32錐形踏面車輪滾動圓附近成斜率為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)輪對中心離開對中位置向右移動橫移量yw，那么左右車輪的實(shí)際滾動圓半徑分別為：rL=r0- l ywrR=r0+ l yw等效斜度32錐形踏面車輪滾動圓附近成斜率為0.l的直線段，在直線段范33等效斜度33等效斜度34輪對重力剛度34輪對重力剛度35錐形踏面輪對重力剛度有使輪對恢復(fù)到原來對中位置的作用35錐形踏面輪對重力剛度有使輪對恢復(fù)到原來對中位置的作用36輪對重力剛度36輪對重力剛度37輪對重力角剛度有使輪對繼續(xù)偏離原來角位置的作用37輪

11、對重力角剛度有使輪對繼續(xù)偏離原來角位置的作用38輪對重力角剛度38輪對重力角剛度39合理的輪軌踏面外型不僅可以減緩磨耗，延長使用壽命，而且有利于車輛曲線通過，降低輪軌動力作用；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)；39合理的輪軌踏面外型不僅可以減緩磨耗，延長使用壽命，而且有40專題三：輪對低動力設(shè)計(jì)方法動量定理：降低作用力途徑有三種：減小質(zhì)量；減小速度變化量；延長力作用時(shí)間。40專題三：輪對低動力設(shè)計(jì)方法動量定理：降低作用力途徑有三種41專題三：輪對低動力設(shè)計(jì)方法減小簧下質(zhì)量。目前在減小輪對質(zhì)量上主要兩種方法

12、：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質(zhì)量的作用。 采用合理的車輪踏面。合理的車輪踏面對降低輪軌相互作用、保證車輛系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過能力具有重要的意義。采用彈性車輪。采用彈性車輪不僅可以降低輪軌噪聲，而且還可以緩和輪軌沖擊，降低輪軌動作用力。嚴(yán)格控制車輪質(zhì)量，降低車輪動不平衡質(zhì)量。 車輪設(shè)計(jì)制造過程中，應(yīng)盡可能保證車輪質(zhì)心與形心重合，嚴(yán)格控制輪對動不平衡質(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。41專題三：輪對低動力設(shè)計(jì)方法減小簧下質(zhì)

13、量。目前在減小輪對質(zhì)42第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識鋼軌軌頭外形輪軌接觸狀態(tài)輪軌接觸幾何參數(shù)42第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識鋼軌軌頭外形4350kg/m鋼軌外型尺寸60kg/m鋼軌外型尺寸1. 鋼軌軌頭外型4350kg/m鋼軌外型尺寸60kg/m鋼軌外型尺寸1. 鋼44UIC60 鋼軌外型UIC54 鋼軌外型UIC 鋼軌外型44UIC60 鋼軌外型UIC54 鋼軌外型UIC 鋼軌外型4550kg/m與60kg/m軌軌頭外型尺寸比較4550kg/m與60kg/m軌軌頭外型尺寸比較462. 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462. 輪軌接觸狀態(tài)踏面接觸踏面接觸一點(diǎn)接觸兩點(diǎn)接觸47磨耗型

14、踏面輪軌接觸47磨耗型踏面輪軌接觸48鋼軌磨耗后輪軌接觸狀態(tài)48鋼軌磨耗后輪軌接觸狀態(tài)493. 輪軌接觸幾何參數(shù)493. 輪軌接觸幾何參數(shù)50輪軌接觸幾何參數(shù)左、右輪實(shí)際滾動半徑；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；輪對側(cè)滾角；輪對中心上下位移；踏面等效斜度；重力剛度與重力角剛度。50輪軌接觸幾何參數(shù)左、右輪實(shí)際滾動半徑；51第三節(jié) 輪軌接觸幾何關(guān)系求解輪軌接觸幾何關(guān)系求解發(fā)展過程影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)空間輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法不同踏面輪軌接觸狀態(tài)比較 51第三節(jié) 輪軌接觸幾何關(guān)系求解輪軌接觸幾何關(guān)系求解

15、發(fā)展過52八十年代初期 ：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)以及各種因素對它們的影響 八十年代中后期：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；九十年代初期 ：提出了跡線法的思想來處理空間輪軌接觸幾何關(guān)系問題。基本思路:暫時(shí)拋開軌面的形狀，僅由輪對的位置（搖頭角、側(cè)滾角）以及踏面主輪廓線參數(shù)（滾動半徑、接觸角）確定可能的接觸點(diǎn)。 1 輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)展過程52八十年代初期 ：1 輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)展過程532 影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)532 影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)54縱向超前量54縱向超

16、前量553 輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法基本假定 輪軌外形離散跡線法求解553 輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法基本假定 561）輪軌接觸點(diǎn)求解準(zhǔn)則剛體假設(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，或者說車輪表面上任意點(diǎn)不能嵌入鋼軌內(nèi)部；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；輪軌接觸點(diǎn)處車輪與鋼軌具有公切面。561）輪軌接觸點(diǎn)求解準(zhǔn)則剛體假設(shè)。假定車輪與鋼軌均為剛體，572）車輪踏面及軌頭外型數(shù)值離散輪對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。在輪對中心坐標(biāo)系中，再

17、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，采用等弧長的方法來等分各離散點(diǎn)。572）車輪踏面及軌頭外型數(shù)值離散輪對踏面主輪廓線和軌頭外形58磨耗型踏面外型離散58磨耗型踏面外型離散5950kg/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)鋼軌 軌頭外型離散5950kg/m軌頭外型全部離散數(shù)據(jù)60kg/m軌軌頭外型離60兩種鋼軌 軌頂外型比較60兩種鋼軌 軌頂外型比較616162輪軌外形數(shù)據(jù)插值62輪軌外形數(shù)據(jù)插值63輪軌空間接觸示意圖3）跡線法基本原理63輪軌空間接觸示意圖3）跡線法基本原理6

18、4輪軌跡線（無搖頭角）64輪軌跡線（無搖頭角）65輪軌跡線（有搖頭角）65輪軌跡線（有搖頭角）664）輪軌接觸狀態(tài)664）輪軌接觸狀態(tài)67鋼軌磨耗位置67鋼軌磨耗位置68錐形踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化68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69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輪軌空間接觸幾何關(guān)系70踏面上接觸幾何位置軌頭上接觸幾何位置輪軌空間接觸幾何關(guān)系71搖頭角對踏面接觸點(diǎn)的影響搖頭角對軌面接觸點(diǎn)的影響71搖頭角對踏面接觸點(diǎn)的影響搖頭角對軌面接觸點(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72q=0 w=0q=0 w=30q=2.50 w=373輪對搖頭角對輪軌接觸狀態(tài)影響73輪對搖頭角對輪軌接觸狀態(tài)影響74q=0 w=0q=2.50 w=30滾動圓半徑變化74q=0 w=0q=2.50 w=30滾動圓半徑變化75q=0 w=0q=2.50 w=30輪軌接觸角變化75q=0 w=0q=2.50 w=30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