铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系 (1)

51
1 轮轨接触几何关系发展过程



八十年代初期 ： 研究由分段圆弧组成的磨耗型踏面和磨耗型钢轨相互接 触时的几何参数以及各种因素对它们的影响 八十年代中后期： 研究了任意形状的轮轨空间几何约束关系，并提出了一 个具有足够精度、适用于任意形状的空间几何约束关系 的数学方法及计算程序； 九十年代初期 ： 提出了迹线法的思想来处理空间轮轨接触几何关系问题。 基本思路:暂时抛开轨面的形状，仅由轮对的位置（摇头 角、侧滚角）以及踏面主轮廓线参数（滚动半径、接触 角）确定可能的接触点。
z [mm]
S1002 -10 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h -15 XP55
-20 y [mm]
5. 车轮踏面设置要求
对脱轨安全性要高；
对中性能强； 运行稳定性要好（不发生蛇行运动）； 曲线通过性能要好（曲线通过时产生的横向力 要小）；
重力角刚度
29
等效斜度
Traction motor 牵引马达
Gearbox 齿轮箱
265 kW (360 Hk) max 5000 rpm
Coupling连挂
30
等效斜度（续）
e
31
等效斜度
锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为0.l的直线段， 在直线段范围内车轮踏面斜度为常数。 当轮对中心离开对中位置向右移动横移量yw，那 么左右车轮的实际滚动圆半径分别为：
41
第二节 轮轨接触状态认识
钢轨轨头外形 轮轨接触状态 轮轨接触几何参数
42
1. 钢轨轨头外型
50kg/m钢轨外型尺寸
60kg/m钢轨外型尺寸
43
UIC 钢轨外型
UIC54 钢轨外型
UIC60 钢轨外型
44
50kg/m与60kg/m轨轨头外型尺寸比较
10 0
z/mm
-10 -20 -30 -40 -40
12
3. 踏面类型
圆筒踏面（踏面为没有锥度的平坦圆筒、日 本轨检车上，有利于轨道高低变形的测定）
圆锥踏面（踏面带有一定的锥度）
圆弧踏面（磨耗型踏面，踏面带有圆弧）
为了使无论哪种踏面形状均能够防止 车轮脱轨， 因而车轮都设有轮缘。 踏面锥度是使轮对具有复原功能和转向功能的 根本原因，也是引起蛇行运动的根源。
左、右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径；
左、右轨在轮轨接触点处的踏面曲率半径；
左轮和左轮与左轨和右轨在轮轨接触点处的接触角；
轮对侧滚角； 轮对中心上下位移； 踏面等效斜度； 重力刚度与重力角刚度。
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第三节 轮轨接触几何关系求解
轮轨接触几何关系求解发展过程 影响轮轨接触几何关系参数 空间轮轨接触几何关系求解方法 不同踏面轮轨接触状态比较
铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系
1
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 轮对结构认识 轮轨接触状态认识 轮轨接触几何关系求解 道岔区轮轨接触几何关系
2
第一节 轮对结构
3
1 轮对设计要求
应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）； 应不仅能够适应车辆直线运行，同时又能够 顺利通过曲线和道岔，而且应具备必要的抵 抗脱轨的要求； 应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以 只需要较小的牵引动力并能够提高使用寿命。
39
专题三：轮对低动力设计方法
F t m V 动量定理：
F m V / t
降低作用力途径有三种：
1. 减小质量； 2. 减小速度变化量； 3. 延长力作用时间。
40
专题三：轮对低动力设计方法
1. 减小簧下质量。目前在减小轮对质量上主要两种方法：①采 用空心车轴。在不降低车轴强度的条件下，尽可能采用空心 车轴，这不仅有利于降低簧下质量，而且还便于车轴疲劳裂 纹内部探伤。②采用小轮径车轮。减小车轮直径同样可以起 到降低轮对质量的作用。 2. 采用合理的车轮踏面。合理的车轮踏面对降低轮轨相互作 用、保证车辆系统具有良好的运行稳定性和曲线通过能力具 有重要的意义。 3. 采用弹性车轮。采用弹性车轮不仅可以降低轮轨噪声，而且 还可以缓和轮轨冲击，降低轮轨动作用力。 4. 严格控制车轮质量，降低车轮动不平衡质量。 车轮设计制 造过程中，应尽可能保证车轮质心与形心重合，严格控制轮 对动不平衡质量，避免质心与形心出现位置偏差时形成轮轨 间持续冲击作用。
• • • •
中国标准 ; 中国轨道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002欧洲标准外形； XP55 TGV 韩国外形
z [mm]
-5 -10 -15 -20 -25 -30 y [mm] S1002 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h XP55
8
安全通过辙叉
9
顺利通过曲线
r0 + y r0 - y
o
R
y
2b
10
轮缘内侧距选取
11
轮轨间隙计算
标准轨距：1435mm
轮对内侧距：1353mm
轮缘厚度：32mm（单侧），64mm（双侧）
国内轮轨间隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm） 欧洲轮轨间隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm）
13
车轮踏面外型
车轮踏面几何形 状是影响行车安 全和运行平稳性 的重要因素。
14
锥形踏面 (TB)
15
磨耗型踏面形成
锥形车轮踏面和钢轨头部的接触面积很小，接触 应力很高，因此在车轮运用初期，局部位置的磨 耗很快，使踏面不久即呈现凹陷。 当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与轨头的轮廓外 形相吻合后，接触应力就明显减小，表面又经过 ‘冷硬’处理，以后的磨耗减慢，踏面外形也相 对稳定。此时的踏面形状接近于磨耗型踏面。
4
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
轮缘
滚动圆直径 轮缘内侧距 车轮踏面斜度
5
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
① 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。 ② 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。
能够顺利通过道岔；
耐磨性要好，即使产生了磨耗，其形状变化也 要小。
踏面设计目的性问题
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两种踏面接触面积比较
锥型踏面轮轨接触斑
磨耗型踏面轮轨接触斑
24
对踏面动力学性能认识差异
一般地，在曲线通过方面采用磨耗型踏面 有利，而在抑制蛇行运动、车体振动方面 锥形踏面有利。
实际上，现阶段研究结果表明，在抑制车 体蛇行运动和提高稳定性方面，磨耗型踏 面有时也能够取得良好的效果。
26
车轮踏面形状和接触参数对从钢轨 向车上输入的能量影响
0.20 0.15
能量输入率
0.10 0.05
0.0
圆弧踏面
第1种变化 第2种变化 锥形踏面
27
两种踏面对线路激扰响应比较
速度V=270km/h，波深a=1.0mm
28
与车轮相关的几个参数
车轮踏面锥度 车轮踏面等效锥度（斜度） 重力刚度
6
（3） 轮对内侧距
7
轮对内侧距
保证轮缘与钢轨之间有一定游（间）隙，可以：
减少轮缘与钢轨磨耗；
实现轮对自动对中作用；
有利于车辆安全通过曲线；
有利于安全通过辙叉； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太小，可能会造成 轮缘与钢轨的严重磨耗； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太大，会使轮对蛇 行运动的振幅增大，影响车辆运行品质；
R50 R60
-20
0 y/mm
20
40
45
2. 轮轨接触状态
一点接触
踏面接触
两点接触 踏面接触 轮缘接触
46
磨耗型踏面轮轨接触
47
钢轨磨耗后轮轨接触状态
48
3. 轮轨接触几何参数
w l rl r rl r wl
yw rr zw rrr rwr
r
49
轮轨接触几何参数
左、右轮实际滚动半径；
rL=r0- l yw rR=r0+ l yw
rR rL l 2 yw
rR rL le 2 yw
32
等效斜度
1.2
磨 耗 踏面 锥形 踏面
0.8
le
0.4 0.0 0
4
8 yw/mm
12
16
33
轮对重力刚度
W
l -
Nr + r
Nl
W Fl tg ( l ) 2 W Fr tg ( r ) 2
车轮磨耗特性参数
• Sh: 轮缘高
28.1 27.9 28.0 29.0
9.8 10.7 10.8 11.0
• Sd: 轮缘厚度 • qR: 轮缘形状限度
磨耗型踏面（XP55）
21
车轮外形吻合
Comparison between Wheel profiles
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 0 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
有使轮对恢复到原来对中位置的作用
35
轮对重力刚度
160 120
Kgy / N.m-1
80 40 0 0
磨耗踏面 锥形踏面
4
8 yw/mm
12
16
36
轮对重力角刚度
Fl

Fr
M g FRb sin FL sin
bW sin tg ( R ) tg ( L ) 2 Mg
Comparison between Wheel profiles
40 50 60 70 80 90 100
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China)- SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 30
5
0
-5
25
性能认识差异
• 在车轮横移时，磨耗型踏面车轮的接触角差、 滚动半径差要比锥形踏面车轮的变化大，这使 输入车体的能量减少，车体振动激烈程度降低。 • 在适当运行速度下，与采用锥形踏面的车轮相 比，采用磨耗型踏面的车轮，其转向架蛇行运 动波长短、频率高，而且远离了车体的固有振 动频率。
车轮踏面形状对高速动车运动特性的影响 《国外内燃机车》 藤本裕[日本] 1999年第2期
2b
K g
K g Wb l const
有使轮对继续偏离原来角位置的作用
37
轮对重力角刚度
1.2 0.9
K g
0.6 0.09 0.06 0.03 0.00 0 0.3 12 16
8 4 mm / yw
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合理的轮轨踏面外型不仅可以减缓磨耗， 延长使用寿命，而且有利于车辆曲线通过， 降低轮轨动力作用； 只要轮轨外型参数确定，利用轮轨接触几 何关系，可以确定轮对在不同横移量时车 轮踏面等效斜度、等效重力刚度和等效重 力角刚度等参数；
采用凹形车轮踏面，不仅可以减缓磨耗，延长使 用寿命，而且有利于车辆曲线通过，并使轮缘力 有所降低。
16
磨耗型踏面（LM）
17
磨耗型踏面（LMA）
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源自文库
4. 车轮参数定义
轮对内侧距 滚动圆半径 轮缘 轮缘厚度 轮缘角度 轮缘高度 踏面 等效踏面锥度 回转半径差 接触角度差
W Fgy Fr Fl tg ( r ) tg ( l ) 2
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轮对重力刚度
锥形踏面
R L l

2l y 2b

ly
b
tg ( R ) R tg ( L ) L
W tg ( R ) tg ( L ) K gy y 2y W w tg ( R ) tg ( L ) l K gy y 2y b Fgy Fgy
19
轮轨接触分析
车轮外形的主要参数
Sd
L3 = 12 mm (Standard China) 中国标准 32 32 -
车轮外形
L3 = 10 mm 32.6 33.2 32.5 32.6
Sh
qR
SYSZ40-00-00-02A (200 kph) SYSZ40-00-00-00 (160 kph) S1002 XP55