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1、铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系1内容展示主要内容第一节 轮对结构认识第二节 轮轨接触状态认识第三节 轮轨接触几何关系求解第四节 道岔区轮轨接触几何关系2内容展示第一节 轮对结构3内容展示1 轮对设计要求l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）；l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；l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。4内容展示2 轮对形状尺寸与线路相互关系轮对形状尺寸与线路相互关系l轮缘l滚动圆直径l轮缘内侧距l车轮踏面斜
2、度5内容展示轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮脱轨的重要部分。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。2 轮对形状尺寸与线路相互关系轮对形状尺寸与线路相互关系6内容展示（3） 轮对内侧距7内容展示 轮对内侧距保证轮缘与钢轨之间有一定游（间）隙，可以：v减少轮缘与钢轨磨耗；v实现轮对自动对中作用；v有利于车辆安全通过曲线；v有利于
3、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；8内容展示安全通过辙叉9内容展示顺利通过曲线10内容展示轮缘内侧距选取11内容展示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）12内容展示v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。v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
4、起蛇行运动的根源。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）3. 踏面类型13内容展示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内容展示锥形踏面 (TB)15内容展示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。采用凹形车轮踏面，不仅可以减缓
5、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。 磨耗型踏面形成16内容展示磨耗型踏面（LM）17内容展示磨耗型踏面（LMA）18内容展示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4. 车轮参数定义车轮参数定义19内容展示轮轨接触分析车轮磨耗特性参数磨耗特性参数 Sh: 轮缘高高 Sd: 轮缘厚度厚度 qR: 轮缘形状限度形状限度车轮外形车轮外形SdShqRL3 = 10 mmL3 = 12 mm(Standard China)中国标准SYSZ40-00-00-02A (200 kph)32.63228.19.8SYSZ40-00-00
6、-00 (160 kph)33.23227.910.7S100232.5-28.010.8XP5532.6-29.011.0车轮外形的主要参数外形的主要参数20内容展示磨耗型踏面（XP55）21内容展示中国标准 ;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 韩国外形车轮外形吻合车轮外形吻合22内容展示对脱轨安全性要高；对中性能强；运行稳定性要好（不发生蛇行运动）；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曲线通过性能要好（曲线通过时产生的横向力要小）；要小）；能够顺利通过道岔；耐磨性要好
7、，即使产生了磨耗，其形状变化也要小。5. 车轮踏面设置要求踏面设计目的性问题踏面设计目的性问题23内容展示锥型踏面轮轨接触斑磨耗型踏面轮轨接触斑两种踏面接触面积比较24内容展示一般地，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。对踏面动力学性能认识差异25内容展示在车轮横移时，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
8、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期性能认识差异26内容展示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27内容展示两种踏面对线路激扰响应比较速度V=270km/h，波深a=1.0mm28内容展示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）重力刚度重力角刚度29内容展示Gearbox 齿轮箱齿轮箱Coupling连挂连挂Traction motor 牵引马达牵引马达265 kW(360 Hk)max 5000 rpm等效斜度30内容展示e等效斜度（续）
9、31内容展示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：rL=r0- l ywrR=r0+ l yw等效斜度32内容展示等效斜度33内容展示轮对重力刚度34内容展示锥形踏面轮对重力刚度有使轮对恢复到原来对中位置的作用35内容展示轮对重力刚度36内容展示轮对重力角刚度有使轮对继续偏离原来角位置的作用37内容展示轮对重力角刚度38内容展示u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；u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
10、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；39内容展示专题三：轮对低动力设计方法动量定理：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内容展示专题三：轮对低动力设计方法1.1.减小簧下减小簧下质量。量。目前在减小轮对质量上主要两种方法：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。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. 采用合理的采用合理的车轮踏面。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
11、具有重要的意义。3.3.采用采用弹性性车轮。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。4.4.严格控制格控制车轮质量，降低量，降低车轮动不平衡不平衡质量。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。41内容展示第二节 轮轨接触状态认识v钢轨轨头外形v轮轨接触状态v轮轨接触几何参数42内容展示50kg/m钢轨外型尺寸60kg/m钢轨外型尺寸1. 1. 钢轨轨头外型钢轨轨头外型43内容展示UIC60 钢轨外型UIC54 钢轨外型UIC 钢轨外型44内容展示50kg/m与60
12、kg/m轨轨头外型尺寸比较45内容展示2. 轮轨接触状态轮轨接触状态踏面接触踏面接触轮缘接触一点接触两点接触46内容展示磨耗型踏面轮轨接触47内容展示钢轨磨耗后轮轨接触状态48内容展示3. 轮轨接触几何参数轮轨接触几何参数49内容展示轮轨接触几何参数轮轨接触几何参数左、右轮实际滚动半径；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。50内容展示第三节 轮轨接触几何关系求解v轮轨接触几何关系求解发展过程v影响轮轨接触几何关系参数v空间轮轨接触几何关系求解方
13、法v不同踏面轮轨接触状态比较 51内容展示n八十年代初期 ：n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 n八十年代中后期：n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；n九十年代初期 ：n提出了迹线法迹线法迹线法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。 1 轮轨接触几何关系发展过程52内容展示2 影响轮轨接触几何关系参数53内容展示纵向超前量54内容展示
14、3 轮轨接触几何关系求解方法v基本假定 v轮轨外形离散v迹线法求解55内容展示1）轮轨接触点求解准则n刚体假设。假定车轮与钢轨均为刚体，它们不存在影响接触关系的弹性变形，或者说车轮表面上任意点不能嵌入钢轨内部；n同一侧车轮上的接触点和钢轨上的接触点应具有相同的空间位置；n轮轨接触点处车轮与钢轨具有公切面。56内容展示2）车轮踏面及轨头外型数值离散）车轮踏面及轨头外型数值离散轮对踏面主轮廓线和轨头外形离散成有限个点（假定个数分别为NW和NR）利用三次样条函数对其平滑处理后，则Xr、Yr、Zr将是具有NW个元素的一维矩阵。在轮对中心坐标系中，再次利用三次样条函数，将左、右车轮的、分别向左、右轨顶线
15、中插值。为保证在计算接触几何关系时于斜度较大的区段有较高的精度，在计算程序的设计上，采用等弧长的方法来等分各离散点。57内容展示磨耗型踏面外型离散磨耗型踏面外型离散58内容展示50kg/m轨头外型全部离散数据60kg/m轨轨头外型离散数据钢轨钢轨 轨头外型离散轨头外型离散59内容展示两种钢轨两种钢轨 轨顶外型比较轨顶外型比较60内容展示61内容展示轮轨外形数据插值轮轨外形数据插值62内容展示轮轨空间接触示意图轮轨空间接触示意图3）迹线法基本原理）迹线法基本原理63内容展示轮轨迹线（无摇头角）轮轨迹线（无摇头角）64内容展示轮轨迹线（有摇头角）轮轨迹线（有摇头角）65内容展示4）轮轨接触状态）轮
16、轨接触状态66内容展示钢轨磨耗位置67内容展示锥形踏面轮轨接触点位置变化锥形踏面轮轨接触点位置变化68内容展示磨耗型踏面轮轨接触点位置变化磨耗型踏面轮轨接触点位置变化69内容展示踏面上接触几何位置轨头上接触几何位置轮轨空间接触几何关系轮轨空间接触几何关系70内容展示摇头角对踏面接触点的影响摇头角对轨面接触点的影响71内容展示q=0 w=0q=0 w=30q=2.50 w=30轮轨接触点位置变化轮轨接触点位置变化72内容展示轮对摇头角对轮轨接触状态影响轮对摇头角对轮轨接触状态影响73内容展示q=0 w=0q=2.50 w=30滚动圆半径变化滚动圆半径变化74内容展示q=0 w=0q=2.50 w
17、=30轮轨接触角变化轮轨接触角变化75内容展示q=0 w=0q=2.50 w=30质心垂直位移与侧滚角变化质心垂直位移与侧滚角变化76内容展示q=0 w=0q=2.50 w=30车轮踏面圆弧变化车轮踏面圆弧变化77内容展示第四节第四节 道岔区轮轨接触几何关系道岔区轮轨接触几何关系78内容展示道岔系统平面视图道岔系统平面视图79内容展示道岔区轮轨接触状态道岔区轮轨接触状态80内容展示转辙区车轮与基本轨和尖轨相互作用关系（a）左侧（b）右侧81内容展示护轨与轮背接触状态护轨与轮背接触状态82内容展示叉心区轮轨接触83内容展示道岔系统84内容展示有害空间固定式辙叉道岔视图固定式辙叉道岔视图85内容展示有害空间有害空间86内容展示87内容展示88内容展示89内容展示辙叉区段辙叉区段90内容展示道道岔岔区区轮轮轨轨接接触触断断面面离离散散91内容展示道岔区轮轨接触几何关系道岔区轮轨接触几何关系92内容展示思考题1.在国内车轮踏面和钢轨外型设计中，LM磨耗型踏面轮缘根部最小圆弧半径rw=14mm，CHN60钢轨轨肩部位的最小圆弧半径rr=13mm，当LM踏面和CHN60钢轨配合时可以有效地解决轮轨接触问题。请问，在这里车轮轮缘根部最小圆弧半径rw为什么一定要大于钢轨轨肩部位的最小圆弧半径rr？两者的大小相等或相反是否可行？2.与锥形踏面相比，磨耗型踏面具有哪些优点？93内容展示94内容展示
