1、1,鐵道車輛輪對結(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,3,第一節(jié) 輪對結(jié)構(gòu),4,1 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(dòng)力并能夠提高使用壽命。,5,2 輪對形狀尺寸與線路相互關(guān)系,輪緣 滾動(dòng)圓直徑 輪緣內(nèi)側(cè)距 車輪踏面斜度,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。

2、 滾動(dòng)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(dòng)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,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： 減少輪緣與鋼軌磨耗； 實(shí)現(xiàn)輪對自動(dòng)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

3、游（間）隙太大，會使輪對蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅增大，影響車輛運(yùn)行品質(zhì)；,9,安全通過轍叉,10,順利通過曲線,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 （mm）,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)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(dòng)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

4、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,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,17,磨耗型踏面（L

5、M）,18,磨耗型踏面（LMA）,19,輪對內(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,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),21,磨耗型踏面（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,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(dòng)）； 曲線通過性能要好（曲線通過時(shí)產(chǎn)生的橫向力要小）； 能夠順利通

6、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(shè)置要求,踏面設(shè)計(jì)目的性問題,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。,對踏面動(dòng)力學(xué)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(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

7、行運(yùn)動(dòng)波長短、頻率高，而且遠(yuǎn)離了車體的固有振動(dòng)頻率。,車輪踏面形狀對高速動(dòng)車運(yùn)動(dòng)特性的影響 國外內(nèi)燃機(jī)車 藤本裕日本 1999年第2期,性能認(rèn)識差異,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=1.0mm,29,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,30,等效斜度,31,等效斜度（續(xù)）,32,錐形踏面車輪滾動(dòng)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(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

8、yw rR=r0+ l yw,等效斜度,33,等效斜度,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,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,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(dòng)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)；,40,專題三：輪對低動(dòng)力設(shè)計(jì)方法,動(dòng)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。,41,專題三：輪對

9、低動(dòng)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：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(dòng)作用力。 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(dòng)不平衡質(zhì)量，避免質(zhì)心與形心出現(xiàn)位置偏差

10、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,鋼軌軌頭外形 輪軌接觸狀態(tài) 輪軌接觸幾何參數(shù),43,50kg/m鋼軌外型尺寸,60kg/m鋼軌外型尺寸,1. 鋼軌軌頭外型,44,UIC60 鋼軌外型,UIC54 鋼軌外型,UIC 鋼軌外型,45,50kg/m與60kg/m軌軌頭外型尺寸比較,46,2. 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),49,3. 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(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

11、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。,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,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

12、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(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)展過程,53,2 影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù),54,縱向超前量,55,3 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,56,1）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。,57,2）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(gè)點(diǎn)（假定個(gè)數(shù)分別為NW和NR

13、） 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)。,58,磨耗型踏面外型離散,59,50kg/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,60,兩種鋼軌 軌頂外型比較,61,62,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,64,輪軌跡線（無搖頭角）,65,輪軌跡線（有搖頭角）,66,4）輪軌接觸狀態(tài),67,鋼軌磨耗

14、位置,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,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,72,q=0 w=0,q=0 w=30,q=2.50 w=30,輪軌接觸點(diǎn)位置變化,73,輪對搖頭角對輪軌接觸狀態(tài)影響,74,q=0 w=0,q=2.50 w=30,滾動(dòng)圓半徑變化,75,q=0 w=0,q=2.50 w=30,輪軌接觸角變化,76,q=0 w=0,q=2.50 w=30,質(zhì)心垂直位移與側(cè)滾角變化,77,q=0 w=0,q=2.50 w=30,車輪踏面圓弧變化,78,第四節(jié) 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系,79,道岔系統(tǒng)平面視圖,80,道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài),81,轉(zhuǎn)轍區(qū)車輪與基本軌和尖軌相互作用關(guān)系,（a）左側(cè),（b）右側(cè),82,護(hù)軌與輪背接觸狀態(tài),83,叉心區(qū)輪軌接觸,84,道岔系統(tǒng),85,有害空間,固定式轍叉道岔視圖,86,有害空間,87,89