轮_轨界面管理模型的开发及其在重载铁路运输中的运用

文章编号:1002 7610(2011)02 0023 06
轮/轨界面管理模型的开发及其在重载铁路运输中的运用
H uimin Wu,等(美)
摘 要:介绍了北美铁路运输技术中心(T T CI)正在开发的轮/轨界面管理(WR IM)模型。

WR IM考虑了运行条件、车辆动力学性能以及轮/轨接触特性对轮/轨界面的影响。

W RIM可以进行静态轮/轨接触分析和动态轮/轨相互作用趋势分析。

本文还给出了运用WRIM减少轮/轨界面处能量消耗的研究过程,并预测了轨道的打磨周期。

关键词:轮/轨接触界面;磨耗;美国
中图分类号:U270.331+.1 文献标识码:B
Development of the Wheel/Rail Interface Management
Model and its Application in Heavy Haul Operations
H uimin Wu,et al.(U.S.A.)
Abstract:T ranspor tatio n T echnolog y Center,Inc.(T T CI)is developing the Wheel/Rail Interface M anag ement(W RIM)mo del.W RIM considers the effects o f operating conditio ns,vehicles dynamic per formance,and w heel/rail contact feat ur es o n t he w heel/r ail inter face.WRIM can be used to perfor m st at ic wheel/rail contact analysis and dynamic wheel/rail inter act ion trend analysis.T his paper presents ex amples o f apply ing W RIM to investig ate the pr ocess fo r r educing the ener gy consumed at the w heel/r ail interface and to pr edict r ail gr inding interv als.
Key words:w heel/rail interface;w ear;U.S.A.
1 概述
滚动接触疲劳(RCF)及其引起的轮/轨维护管理均需要考虑运行条件、轨道条件以及轮/轨接触面的状况。

按照北美铁路协会战略研究计划,北美铁路运输技术中心(T T CI)正在开发一种轮/轨界面管理(WRIM)模型。

WRIM可以评估轨道条件、车辆动力学性能以及轮/轨型面对轮/轨接触状态、轮/轨磨耗和RCF的影响。

铁路部门可以利用WRIM提高铁路系统的性能,做出维护轮/轨的决定。

2 滚动接触疲劳和过度磨耗的根本原因
研究和运用经验[1 2]得出的结论认为:RCF和过度磨耗的根本原因在于高能量,高能量是由轮/轨间的高接触应力、切向力以及轮/轨界面间的蠕滑率产生的,其产生条件包括:
(1)车辆性能差;
收稿日期:2009 11 02 (2)轮/轨接触条件差;
(3)轨道条件差;
(4)轮/轨间润滑条件差。

上述的一个或者多个原因,都会造成轮/轨接触面间比正常接触状况更高的接触应力和切向力。

因此,降低轮/轨磨耗和RCF的一个关键措施就是减少轮轨接触界面的能量输入。

3 轮轨界面管理模型
3.1 模型结构
WRIM主要包含三大主要软件模块:轮轨接触分析(称为WRT OL),轮轨界面评估和轮轨界面管理。

图1给出了WRIM模型的流程图。

轮/轨接触分析模块和轮/轨界面评估模块可以分别用于轮轨静态接触分析和车辆动态性能趋势分析。

轮/轨界面管理模块利用轮轨静态接触分析和车辆动态性能趋势分析的结果,生成预测或者给出建议。

如图1所示,WRIM中还包括成本/效益评估模
块,该模块在决定优先改进和维修决策方面考虑了经
济因素的影响。

图1 WRIM流程图
3.2 轮/轨接触分析模块
轮/轨接触分析模块可以在轮/轨型面几何、施加
车轮垂向载荷以及估算横向力等条件下所测试的钢轨
型面的基础上,分析多组轮对的轮/轨接触状态。

当
然,轮/轨接触分析模块也可以分析设计的或测试过的
轮对在各种钢轨型面下的轮/轨接触状态。

评估参数
包括:
(1)接触位置;
(2)直线轨道的接触锥度;
(3)弯道处外轨最大接触角;
(4)弯道上滚动半径之差;
(5)曲线上外轨的共形接触情况;
(6)接触应力;
(7)接触面积。

分析包括大量不同磨耗阶段的各种形状的车轮,
这些车轮装用于不同性能的转向架。

程序通过在轨道
上对中放置每一条轮对计算接触参数,然后以小步长
横向移动轮对计算接触参数,直至车轮的轮缘根部接
触到钢轨为止。

轮对在轨道上不同的横向位置会生成
一组与位置对应的接触参数。

轮对在轨道上的横向移
动也可以是特定于某一横向范围内的移动。

轮轨接触分析模块输出的结果是分析接触参数的
分布。

所有的结果数据都存储在数据库文件中,以备
进一步分析。

结果数据可以用该模块的绘图功能绘制
图形。

图2给出了在曲线半径为291m的弯道上,内
侧钢轨的接触应力与相应接触位置的关系。

图2表
明,随着车轮轮缘向轨道外侧移动,与内侧钢轨接触的
车轮向着轨道外侧运动,这增加了钢轨侧翻的风险并
产生了较高的接触应力。

在这种情况下,建议打磨钢
轨外侧使其凸向轨头区域。

由于轮轨接触分析模块能够分析大量轮轨匹配下
图2 轮/轨接触分析模块结果示例
(W:在该范围内发生接触的车轮数量)
的接触状态,已被广泛用于设计轨道打磨样板以及设
计新车轮型面。

3.3 轮/轨界面评估程序
图3是轮/轨界面评估程序的起始界面,该模块包
含4项主要功能:轮轨相互作用确定、安定性分析、
RCF损坏评估以及数据复查。

图3 轮轨界面评估程序的4项功能
轮/轨界面评估程序可用于确定在下列指定运行
条件下的动态轮/轨相互作用:
(1)车辆类型;
(2)轨道曲率;
(3)轮/轨接触特征;
(4)轮/轨润滑条件;
(5)欠超高(与运行速度有关)。

动态轮轨相互作用是基于车辆动力学仿真软件
NUCARS的计算结果得出的。

所有的仿真结果存储
在结果数据库中,供进一步分析和绘制图形。

目前,在数据库中的仿真结果包括北美地区通用的8种不同类型的货车,这些货车装用常用的三大件转向架和悬挂改进型转向架。

覆盖表1中罗列的不同参数组合的运用仿真结果已多达4000多例。

通过引入真实运行参数(目前仅限于表1所罗列的),轮轨界面评估程序可以评估运行条件对车辆性能和轮轨相互作用的影响。

如果输入的参数值介于某两个仿真参数之间,则利用线性插值的方法得出相应的仿真结果。

表1 仿真中用到的车辆和轨道参数
参数工况描述车辆类型8种轨道曲率半径/m 873436 291 175 欠超高/m m -12.5
25.4
50.8
76.2
润滑 轨顶 t
轨侧 f 0.50.50.50.150.30.15
RRD2/m m 128640 RRD3/m m
-1
1
2
3
一条轮对上的2个车轮,与外侧钢轨发生两点接触的滚动圆半径差( RRD2)和左、右两轮之间的滚动圆半径差( RRD3),决定了轮/轨接触特性。

图4中 RRD2是车辆通过曲线时,车轮在外侧钢轨上的滚动圆半径RRD1与滚动圆半径RRD2之差。

RRD3是同一轮对上滚动圆半径RRD1与滚动圆半径RRD3之差。

RRD2和 RRD3共同决定了车辆的曲线导向能力。

图4 轮/轨接触特性示例
仿真中与轮/轨接触面相关的输出包括:(1)横向力和轨排力;(2)垂向力;(3)纵向力;(4)导向力矩;
(5)每一个接触位置的接触应力;(6)每一个接触位置的磨耗指数;
(7)车辆总的滚动阻力。

仿真结果表明, RRD2对输入到轮/轨接触面上的能量有很大的影响。

图5给出了32 4t 轴重漏斗车通过半径为291m 曲线时的仿真结果。

图5中给出的车辆滚动阻力也称作磨耗指数,它是轮轨接触面处描述能量消耗的指标。

磨耗指数由轮轨切向力和相应的蠕滑率的乘积得出,如下面公式所示:
磨耗指数=
n
T
x
x +T y y +M z z
式中:T x 、T y 和M z 是轮/轨接触面处的切向力和力矩; x 、 y 和 z 是轮/轨接触面处的蠕滑率。

图5表明,当 RRD2大于6mm 时,总滚动阻力与 RRD2几乎成线性比例增加。

以前的研究和试验得出的结论认为,严重的二点接触模式会产生较高的轮/轨相互作用力,导致轮轨间较严重的磨耗,发生RCF 的风险加大[3]。

图5还表明,在钢轨顶面和侧面肩角处实施恰当的摩擦控制,便可以大大减小轮轨间消耗的能量。

通过特定运行条件下计算出来的轮/轨相互作用力,轮/轨界面评估程序可以为每一个轮/轨接触点做安定性分析。

安定性理论专门用于研究接触斑处材料临界剪应力(K e)、法向接触应力(Po)、法向力(N )、切向力(T)和RCF 的形成与发展机理之间的关系,安定性理论已经广泛用于评估车轮和轨道的RCF 风险
[4 5]。

图5 总的滚动阻力与 RRD2的关系( f 、 t 分别为轨侧和轨顶的摩擦系数)
图6给出了一个在干摩擦条件下不同摩擦系数的安定性分析示例,在该示例中,轨顶的摩擦系数变化范
围为0 5~0 3,轨侧的摩擦系数变化范围为0 5~0 15。

使用的数据来自于32 4t 轴重车辆通过半径为291m 曲线时的仿真结果。

切向力减小使轮/轨接触点左移,使内、外轨顶部的接触状态位于安定限度范围内,外轨侧面的接触状态则处于法向应力正常分布范围内,从而降低了发生RCF 的风险。

程序中评估RCF 是基于Bursto w 提出的RCF 损伤函数[6],如图7所示。

图7中的磨耗和RCF 的拐点
与轮/轨钢材料的屈服应力、钢的磨耗速率以及接触面积的大小有关
[7]。

图8表明,在能量输入相同的条件下,钢材料的临界屈服应力越高,就越能延迟RCF 的形成,降低磨耗。

图9表明,在相同的临界剪切应力以及能量输入相同的条件下,接触面积越大,越能延迟RCF 的形成,降低磨耗。

应当指出的是,Bur stow 提出的钢轨寿命模型中,RCF 损伤函数的K e 为294M N/m 2,接触面积为60m m 2[6]。

图10给出了一个使用轮轨界面评估程序评估的RCF 损伤风险实例。

在这个例子中,半径为873m 曲线上内轨的RCF 损伤主要由导向轮产生(1位轮对和3位轮对)。

图8 RCF 损伤函数和屈服应力
3.4 轮轨界面管理模块
轮轨界面管理模块累积的数据,来自于轮轨接触分析模块和轮轨界面评估模块对一段选定轨道的分析结果。

轮轨界面管理模块据此预测轮轨磨耗(基于特定的磨耗率)和RCF 的形成(基于特定的RCF 损坏函数)。

预测过程中考虑了多种因素的影响,包括各种车辆不同的动力学性能、不同的轮轨匹配以及轨道条件等。

更进一步的是,该程序可以预测维护时间间隔,特别是轨道的打磨周期。

TT CI 目前正在开发上述模块,一旦完成,软件将自动地运行预测程序。

下面仅简单介绍轮轨界面管理模块中的几个基本概念。

在下节中讨论的应用实例将以手工方式基于基本概念完成这些步骤。

在北美地区货运车辆类型较多,轴重不同,动力学性能也不相同。

当然,轮/轨接触条件也不相同,其一般模式是:(1)新车轮配磨耗后的钢轨易于产生严重的两点接触。

RRD2甚至能达到12mm,这种接触模式会导致很差的曲线通过性能。

随着车轮的磨耗, RRD2逐渐降低。

(2)新车轮配新钢轨一般产生单点接触,或者根据钢轨的不同类型产生相应的接触形式,这种接触模式具有良好的曲线通过性能。

(3)磨耗后的车轮配新钢轨一般只产生单点接触,这种接触模式会在钢轨肩角处产生高的接触应力和大的接触锥度,大接触锥度增加了车辆在高速运行时的横向失稳风险。

(4)磨耗后的车轮配磨耗后的钢轨易于产生局部或全部共形接触。

根据钢轨和车轮磨耗的具体形状不同,这种接触模式的差别也会很大。

因此,为了在指定的轨道上评估轮轨的相互作用,就需要知道车辆的类型和轮轨接触模式在该段线路上的分布情况,或者至少是比较接近实际的分布情况。

例如,在一段半径为400m的曲线线路上,所运行的车辆60%是装用轴重为32 4t、常用三大件转向架的煤炭漏斗车,30%是装用轴重为29 8t、悬挂改进型转向架的敞车,10%是装用轴重为25t、常用三大件转向架的罐车。

处于这段曲线上的内、外轨具有典型的磨耗形状,基于仿真和经验,所有导向轮的轮缘都会与外轨发生轮缘接触。

在轮轨界面评估模块中,可以在仿真的结果数据库中对每种车辆以及任一单独的接触特性进行研究,研究内容包括车辆类型、轨道曲率、轨道欠超高、钢轨润滑、牵引力以及每个接触点的蠕滑率。

图9表明,在一特定的区域内,RCF的形成与轮轨接触数目相关。

通过利用轮轨接触分析模块的分析功能,可以确定一大组有代表性的车轮的接触特性分布(表2)。

计算过程中,钢轨轨头被划分为带状。

利用轮轨接触分析模块,可以计算出各个带状区域内的接触位置、接触面积和相应的接触应力。

然后对每个带状区域内发生轮/轨接触的情况进行累积,进而得出对磨耗和形成RCF的贡献度。

表2 车辆类型分布和轮轨接触特性%
轴重车辆类型
比例
RRD2=
12mm
RRD2=
6mm
RRD2=
共形的
32.4t
轴重煤炭漏斗车
60152065
29.8t
轴重敞车
30152065
25t
轴重罐车101520
65
4 WRIM的应用
4.1 调查车辆的性能改进措施
图11给出了一个利用WRIM研究不同措施对降低总滚动阻力的实例。

滚动阻力是轮轨接触面消耗能量的一个指标。

滚动阻力越大,要么轮轨之间的磨耗量越大,要么RCF的风险越大,或者二者均大。

降低滚动阻力可以减少能源的消耗,延长车轮和钢轨的寿命,并且可以节约燃料。

由图11可知,使用常用三大件转向架、在干燥钢轨并且轮轨型面不匹配的条件下,轮轨接触面处的能量消耗非常大。

通过选择不同的改进参数或者改善流程,可以预测不同的轮轨接触状况。

最终,根据成本/效益评估来选择降低能量消耗的策略。

图11 预测降低总阻力的方法
采用类似的方法,通过改变车辆或者轨道参数,可以研究其他的改进策略,如降低轮/轨间的相互作用力,包括降低横向力和轨排力等。

4.2 预测打磨间隔时间
WRIM模块已经用于预测铁路材料试验基地的轨道打磨时间间隔。

试验钢轨材料的硬度为H B370,临界屈服应力为477MN/m2。

新的钢轨材料已经在重载线路的2 曲线(审校者注:即半径为873m的曲线)段上进行了试验。

大约经过3 18亿t总重后,在内侧钢轨上发现了明显的RCF损伤(图12)。

在试验期间故意没有对该段钢轨进行打磨。

试验后对该段线路进行打磨,为完全磨去钢轨表面的缺陷,平均磨削深度在1 25mm~2mm 之间。

WRIM已经用于预测轨道的打磨时间间隔(大约0 2mm的深度)。

图13为该段线路上200个型面经过测试的车轮外形。

在该段线路上运行的车辆主要是轴重为32 4t的煤炭漏斗车,曲线上没有采取润滑措施。

基于轮轨接触分析,内轨的接触区域被划分为4部分,每部分的接触面积从60mm2到130mm2不等(图14)。

接触面积的数值用于决定能量方法中的拐点(见图9)。

车轮与内轨轨头接触区域的接触面积大
多为130mm 2和80mm 2。

分析过程中,车轮与内轨发生接触时,70%均发生在上述两个面积区域范围内。

由于车轮磨耗后形状各异,某些车轮与钢轨的接触朝向轨外侧,某些则朝向轨内侧甚至轨肩侧(见图14)。

装用轴重32 4t 常用三大件转向架的货车通过半径为873m 的曲线时,通过仿真计算,得出了导向
轮对和后续轮对轮/轨接触点处的牵引力和蠕滑率(T 值)。

将这些数值绘制到能量函数中,就可以把计算每个接触区域初始RCF 所需要的轮轨接触发生次数评估出来。

在这个实例中,包含130m m 2接触面积的接触区域因大多数车轮接触发生在该区域范围内,
故首先达到所需要的接触次数。

将轮轨接触次数换算成通过的质量,可以估计出初始RCF 发生在6400万t~8200万t 之间。

在铁路材料试验基地的钢轨,经过第一次打磨后的继续跟踪表明,RCF 发生时间间隔与程序预测的时间间隔一致。

5 结束语
正如本文所述的,WRIM 可以用于预测轮轨磨耗(基于特定的磨耗速率)和RCF 的形成(基于特定的RCF 损伤函数)。

预测过程中考虑了所研究的线路上来自各种车辆的不同动力学性能、不同轮轨型面匹配和线路条件等因素的影响。

更进一步,WRIM 可以预测维修时间间隔,特别是轨道打磨时间间隔。

WRIM 可以辅助铁路部门做出维修铁路的必要性和优先性方面的决定。

WRIM 还可以用于分析如何改善轮轨相互作用。

通过改变车辆和轨道参数,可以探讨改善轮轨相互作用力的方法,如改善横向力、轨排力和车辆的总滚动阻力等。

改进方法的选择由成本/效益评估来决定。

目前,WRIM 中还未考虑轨道激扰的影响,但将来必须考虑轨道激扰,因为轨道激扰对轮轨磨耗和RCF 的形成有相当大的影响。

WRIM 不是为轮轨间相互作用力进行微观分析而设计的,微观分析需要考虑所研究工况下的车辆细节以及轨道特性。

相反,WRIM 是为轮轨间的性能变化趋势研究以及维修计划而开发的。

因此,今后将会以权函数的方式考虑轨道的激扰。

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罗德君 翻译刘宏友 校。