鐵道車輛輪對結構關系[專用課件]

1、鐵道車輛輪對結構與輪軌接觸幾何關系,1,內容展示,主要內容,第一節(jié) 輪對結構認識 第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認識 第三節(jié) 輪軌接觸幾何關系求解 第四節(jié) 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關系,2,內容展示,第一節(jié) 輪對結構,3,內容展示,1 輪對設計要求,應該有足夠的強度，以保證在容許的最高速度和最大載荷下安全運行（減輕輪對重量）； 應不僅能夠適應車輛直線運行，同時又能夠順利通過曲線和道岔，而且應具備必要的抵抗脫軌的要求； 應具備阻力小和耐磨性好的優(yōu)點，這樣可以只需要較小的牽引動力并能夠提高使用壽命,4,內容展示,2 輪對形狀尺寸與線路相互關系,輪緣 滾動圓直徑 輪緣內側距 車輪踏面斜度,5,內容展示,輪緣：輪緣是

2、保持車輛沿鋼軌運行，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，減小車輛簧下質量，縮小轉向架固定軸距，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)缺點則與之相反,2 輪對形狀尺寸與線路相互關系,6,內容展示,3） 輪對內側距,7,內容展示,輪對內側距,保證輪緣與鋼軌之間有一定游（間）隙，可以： 減少輪緣與鋼軌磨耗； 實現(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）

3、隙太小，可能會造成輪緣與鋼軌的嚴重磨耗； 輪緣與鋼軌之間的游（間）隙太大，會使輪對蛇行運動的振幅增大，影響車輛運行品質,8,內容展示,安全通過轍叉,9,內容展示,順利通過曲線,10,內容展示,輪緣內側距選取,11,內容展示,輪軌間隙計算,標準軌距：1435mm 輪對內側距：1353mm 輪緣厚度：32mm（單側），64mm（雙側,國內輪軌間隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm） 歐洲輪軌間隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm,12,內容展示,為了使無論哪種踏面形狀均能夠防止 車輪脫軌，因而車輪都設有輪緣。 踏面錐度是使輪對具有復原功能和轉向功能的根本原因，也是引起蛇

4、行運動的根源,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，踏面帶有圓弧,3. 踏面類型,13,內容展示,車輪踏面外型,車輪踏面幾何形狀是影響行車安全和運行平穩(wěn)性的重要因素,14,內容展示,錐形踏面 (TB,15,內容展示,錐形車輪踏面和鋼軌頭部的接觸面積很小，接觸應力很高，因此在車輪運用初期，局部位置的磨耗很快，使踏面不久即呈現(xiàn)凹陷。 當磨耗范圍逐漸遍及整個踏面并與軌頭的輪廓外形相吻合后，接觸應力就明顯減小，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。此時的踏面形狀接近于磨耗型踏面,采用凹形車輪

5、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,內容展示,磨耗型踏面（LM,17,內容展示,磨耗型踏面（LMA,18,內容展示,輪對內側距 滾動圓半徑 輪緣 輪緣厚度 輪緣角度 輪緣高度 踏面 等效踏面錐度 回轉半徑差 接觸角度差,4. 車輪參數(shù)定義,19,內容展示,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,車輪外形的主要參數(shù),20,內容展示,磨耗型踏面（XP55,21,內容展示,中國標準 ; 中國軌道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002歐洲標準外

6、形； XP55 TGV 韓國外形,車輪外形吻合,22,內容展示,對脫軌安全性要高； 對中性能強； 運行穩(wěn)定性要好（不發(fā)生蛇行運動）； 曲線通過性能要好（曲線通過時產(chǎn)生的橫向力要?。?； 能夠順利通過道岔； 耐磨性要好，即使產(chǎn)生了磨耗，其形狀變化也要小,5. 車輪踏面設置要求,踏面設計目的性問題,23,內容展示,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,內容展示,一般地，在曲線通過方面采用磨耗型踏面有利，而在抑制蛇行運動、車體振動方面錐形踏面有利,實際上，現(xiàn)階段研究結果表明，在抑制車體蛇行運動和提高穩(wěn)定性方面，磨耗型踏面有時也能夠取得良好的效果,對踏面動力學性能認識差異

7、,25,內容展示,在車輪橫移時，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。 在適當運行速度下，與采用錐形踏面的車輪相比，采用磨耗型踏面的車輪，其轉向架蛇行運動波長短、頻率高，而且遠離了車體的固有振動頻率,車輪踏面形狀對高速動車運動特性的影響 國外內燃機車 藤本裕日本 1999年第2期,性能認識差異,26,內容展示,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,內容展示,兩種踏面對線路激擾響應比較,速度V=270km/h，波深a=1.0mm,28,內容展示,與車輪相關的幾個參數(shù),車輪踏面錐度 車輪踏面等效錐度（斜度）

8、重力剛度 重力角剛度,29,內容展示,等效斜度,30,內容展示,等效斜度（續(xù),31,內容展示,錐形踏面車輪滾動圓附近成斜率為0.l的直線段，在直線段范圍內車輪踏面斜度為常數(shù),當輪對中心離開對中位置向右移動橫移量yw，那么左右車輪的實際滾動圓半徑分別為,rL=r0- l yw rR=r0+ l yw,等效斜度,32,內容展示,等效斜度,33,內容展示,輪對重力剛度,34,內容展示,錐形踏面,輪對重力剛度,有使輪對恢復到原來對中位置的作用,35,內容展示,輪對重力剛度,36,內容展示,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,內容展示,輪對重力角剛度,38,內容展示,合理的輪軌踏面外

9、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系，可以確定輪對在不同橫移量時車輪踏面等效斜度、等效重力剛度和等效重力角剛度等參數(shù),39,內容展示,專題三：輪對低動力設計方法,動量定理,降低作用力途徑有三種,減小質量； 減小速度變化量； 延長力作用時間,40,內容展示,專題三：輪對低動力設計方法,減小簧下質量。目前在減小輪對質量上主要兩種方法：采用空心車軸。在不降低車軸強度的條件下，盡可能采用空心車軸，這不僅有利于降低簧下質量，而且還便于車軸疲勞裂紋內部探傷。采用小輪徑車輪。減小車輪直徑同樣可以起到降低輪對質量的作用。 采用

10、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。 嚴格控制車輪質量，降低車輪動不平衡質量。 車輪設計制造過程中，應盡可能保證車輪質心與形心重合，嚴格控制輪對動不平衡質量，避免質心與形心出現(xiàn)位置偏差時形成輪軌間持續(xù)沖擊作用,41,內容展示,第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)認識,鋼軌軌頭外形 輪軌接觸狀態(tài) 輪軌接觸幾何參數(shù),42,內容展示,50kg/m鋼軌外型尺寸,60kg/m鋼軌外型尺寸,1. 鋼軌軌頭外型,43,內容展示,UIC60 鋼軌外型,UIC5

11、4 鋼軌外型,UIC 鋼軌外型,44,內容展示,50kg/m與60kg/m軌軌頭外型尺寸比較,45,內容展示,2. 輪軌接觸狀態(tài),踏面接觸,踏面接觸 輪緣接觸,一點接觸,兩點接觸,46,內容展示,磨耗型踏面輪軌接觸,47,內容展示,鋼軌磨耗后輪軌接觸狀態(tài),48,內容展示,3. 輪軌接觸幾何參數(shù),49,內容展示,輪軌接觸幾何參數(shù),左、右輪實際滾動半徑； 左、右輪在輪軌接觸點處的踏面曲率半徑； 左、右軌在輪軌接觸點處的踏面曲率半徑； 左輪和左輪與左軌和右軌在輪軌接觸點處的接觸角； 輪對側滾角； 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,內容展示,第三節(jié) 輪軌接觸幾何關系求解,

12、輪軌接觸幾何關系求解發(fā)展過程 影響輪軌接觸幾何關系參數(shù) 空間輪軌接觸幾何關系求解方法 不同踏面輪軌接觸狀態(tài)比較,51,內容展示,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系，并提出了一個具有足夠精度、適用于任意形狀的空間幾何約束關系的數(shù)學方法及計算程序； 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系問題?；舅悸?暫時拋開軌面的形狀，僅由輪對的位置（搖頭角、側滾角）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,1 輪軌接觸幾何關系發(fā)展過程,52,內容

13、展示,2 影響輪軌接觸幾何關系參數(shù),53,內容展示,縱向超前量,54,內容展示,3 輪軌接觸幾何關系求解方法,基本假定 輪軌外形離散 跡線法求解,55,內容展示,1）輪軌接觸點求解準則,剛體假設。假定車輪與鋼軌均為剛體，它們不存在影響接觸關系的彈性變形，或者說車輪表面上任意點不能嵌入鋼軌內部； 同一側車輪上的接觸點和鋼軌上的接觸點應具有相同的空間位置； 輪軌接觸點處車輪與鋼軌具有公切面,56,內容展示,2）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點（假定個數(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個元素的一維矩陣。 在輪對中心

14、坐標系中，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。 為保證在計算接觸幾何關系時于斜度較大的區(qū)段有較高的精度，在計算程序的設計上，采用等弧長的方法來等分各離散點,57,內容展示,磨耗型踏面外型離散,58,內容展示,50kg/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,59,內容展示,兩種鋼軌 軌頂外型比較,60,內容展示,61,內容展示,輪軌外形數(shù)據(jù)插值,62,內容展示,輪軌空間接觸示意圖,3）跡線法基本原理,63,內容展示,輪軌跡線（無搖頭角,64,內容展示,輪軌跡線（有搖頭角,65,內容展示,4）輪軌接觸狀態(tài),66,內容展示,鋼軌磨耗位

15、置,67,內容展示,錐形踏面輪軌接觸點位置變化,68,內容展示,磨耗型踏面輪軌接觸點位置變化,69,內容展示,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系,70,內容展示,搖頭角對踏面接觸點的影響,搖頭角對軌面接觸點的影響,71,內容展示,q=0 w=0,q=0 w=30,q=2.50 w=30,輪軌接觸點位置變化,72,內容展示,輪對搖頭角對輪軌接觸狀態(tài)影響,73,內容展示,q=0 w=0,q=2.50 w=30,滾動圓半徑變化,74,內容展示,q=0 w=0,q=2.50 w=30,輪軌接觸角變化,75,內容展示,q=0 w=0,q=2.50 w=30,質心垂直位移與側滾角變化,76,內容展示,q=0 w=0,q=2.50 w=30,車輪踏面圓弧變化,77,內容展示,第四節(jié) 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關系,78,內容展示,道岔系統(tǒng)平面視圖,79,內容展示,道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài),80,內容展示,轉轍區(qū)車輪與基本軌和尖軌相互作用關系,a）左側,b）右側,81,內容展示,護軌與輪背接觸狀態(tài),82,內容展示,叉心區(qū)輪軌接觸,83,內容展示,道岔系統(tǒng),84,內容展示,有害空間,固定式轍叉道岔視圖,85,內容展示,有害空間,86,內容展示,87,內容展示,88,內容展示,89,內容展示