鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系課件

鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系1鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系主要內(nèi)容第一節(jié)輪對(duì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)第二節(jié)輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識(shí)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2鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系第一節(jié)輪對(duì)結(jié)構(gòu)3鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系1輪對(duì)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(duì)重量）；應(yīng)不僅能夠適應(yīng)車(chē)輛直線運(yùn)行，同時(shí)又能夠順利通過(guò)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。4鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系2輪對(duì)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(chē)輪踏面斜度5鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪緣：輪緣是保持車(chē)輛沿鋼軌運(yùn)行，防止車(chē)輪脫軌的重要部分。滾動(dòng)圓直徑：車(chē)輪直徑大小，對(duì)車(chē)輛的影響各有利弊：輪徑小可以降低車(chē)輛重心，增大車(chē)體容積，減小車(chē)輛簧下質(zhì)量，縮小轉(zhuǎn)向架固定軸距，對(duì)于地鐵車(chē)輛還可以減小建筑限界，降低工程成本；但是，小直徑車(chē)輪可使車(chē)輪阻力增加，輪軌接觸應(yīng)力增大，踏面磨耗較快，通過(guò)軌道凹陷和接縫處對(duì)車(chē)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(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系6鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系（3）

輪對(duì)內(nèi)側(cè)距7鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系

輪對(duì)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(duì)自動(dòng)對(duì)中作用；有利于車(chē)輛安全通過(guò)曲線；有利于安全通過(guò)轍叉；輪緣與鋼軌之間的游（間）隙太小，可能會(huì)造成輪緣與鋼軌的嚴(yán)重磨耗；輪緣與鋼軌之間的游（間）隙太大，會(huì)使輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅增大，影響車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)；8鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系安全通過(guò)轍叉9鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系順利通過(guò)曲線10鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪緣內(nèi)側(cè)距選取11鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌間隙計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軌距：1435mm輪對(duì)內(nèi)側(cè)距：1353mm輪緣厚度：32mm（單側(cè)），64mm（雙側(cè)）國(guó)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）12鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系為了使無(wú)論哪種踏面形狀均能夠防止車(chē)輪脫軌，因而車(chē)輪都設(shè)有輪緣。踏面錐度是使輪對(duì)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(méi)有錐度的平坦圓筒、日本軌檢車(chē)上，有利于軌道高低變形的測(cè)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?。?.踏面類(lèi)型13鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系車(chē)輪踏面外型車(chē)輪踏面幾何形狀是影響行車(chē)安全和運(yùn)行平穩(wěn)性的重要因素。14鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系錐形踏面(TB)15鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系錐形車(chē)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(chē)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(guò)‘冷硬’處理，以后的磨耗減慢，踏面外形也相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)的踏面形狀接近于磨耗型踏面。采用凹形車(chē)輪踏面，不僅可以減緩磨耗，延長(zhǎng)使用壽命，而且有利于車(chē)輛曲線通過(guò)，并使輪緣力有所降低。

磨耗型踏面形成16鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系磨耗型踏面（LM）17鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系磨耗型踏面（LMA）18鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪對(duì)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(chē)輪參數(shù)定義19鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌接觸分析車(chē)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(chē)輪外形SdShqRL3=10mmL3=12mm(StandardChina)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SYSZ40-00-00-02A(200kph)32.63228.19.8SYSZ40-00-00-00(160kph)33.23227.910.7S100232.5-

28.010.8XP5532.6-29.011.0車(chē)輪外形的主要參數(shù)鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系磨耗型踏面（XP55）21鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系中國(guó)標(biāo)準(zhǔn);中國(guó)軌道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00(160kph)；S1002歐洲標(biāo)準(zhǔn)外形；XP55TGV韓國(guó)外形車(chē)輪外形吻合鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系對(duì)脫軌安全性要高；對(duì)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(guò)性能要好（曲線通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的橫向力要?。?；能夠順利通過(guò)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(chē)輪踏面設(shè)置要求踏面設(shè)計(jì)目的性問(wèn)題23鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系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鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系一般地，在曲線通過(guò)方面采用磨耗型踏面有利，而在抑制蛇行運(yùn)動(dòng)、車(chē)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(chē)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(duì)踏面動(dòng)力學(xué)性能認(rèn)識(shí)差異25鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系在車(chē)輪橫移時(shí)，磨耗型踏面車(chē)輪的接觸角差、滾動(dòng)半徑差要比錐形踏面車(chē)輪的變化大，這使輸入車(chē)體的能量減少，車(chē)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(chē)輪相比，采用磨耗型踏面的車(chē)輪，其轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)短、頻率高，而且遠(yuǎn)離了車(chē)體的固有振動(dòng)頻率。車(chē)輪踏面形狀對(duì)高速動(dòng)車(chē)運(yùn)動(dòng)特性的影響《國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車(chē)》藤本裕[日本]1999年第2期性能認(rèn)識(shí)差異26鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系車(chē)輪踏面形狀和接觸參數(shù)對(duì)從鋼軌向車(chē)上輸入的能量影響27鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系兩種踏面對(duì)線路激擾響應(yīng)比較速度V=270km/h，波深a=1.0mm28鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系與車(chē)輪相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)車(chē)輪踏面錐度車(chē)輪踏面等效錐度（斜度）重力剛度重力角剛度29鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系Gearbox齒輪箱Coupling連掛Tractionmotor牽引馬達(dá)265kW

(360Hk)max5000rpm等效斜度30鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系

e等效斜度（續(xù)）31鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系錐形踏面車(chē)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(chē)輪踏面斜度為常數(shù)。當(dāng)輪對(duì)中心離開(kāi)對(duì)中位置向右移動(dòng)橫移量yw，那么左右車(chē)輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑分別為：rL=r0-lywrR=r0+lyw等效斜度32鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系等效斜度33鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪對(duì)重力剛度34鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系錐形踏面輪對(duì)重力剛度有使輪對(duì)恢復(fù)到原來(lái)對(duì)中位置的作用35鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪對(duì)重力剛度36鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪對(duì)重力角剛度有使輪對(duì)繼續(xù)偏離原來(lái)角位置的作用37鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪對(duì)重力角剛度38鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系合理的輪軌踏面外型不僅可以減緩磨耗，延長(zhǎng)使用壽命，而且有利于車(chē)輛曲線通過(guò)，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(duì)在不同橫移量時(shí)車(chē)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鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系專(zhuān)題三：輪對(duì)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(zhǎng)力作用時(shí)間。40鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系專(zhuān)題三：輪對(duì)低動(dòng)力設(shè)計(jì)方法減小簧下質(zhì)量。目前在減小輪對(duì)質(zhì)量上主要兩種方法：①采用空心車(chē)軸。在不降低車(chē)軸強(qiáng)度的條件下，盡可能采用空心車(chē)軸，這不僅有利于降低簧下質(zhì)量，而且還便于車(chē)軸疲勞裂紋內(nèi)部探傷。②采用小輪徑車(chē)輪。減小車(chē)輪直徑同樣可以起到降低輪對(duì)質(zhì)量的作用。

采用合理的車(chē)輪踏面。合理的車(chē)輪踏面對(duì)降低輪軌相互作用、保證車(chē)輛系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過(guò)能力具有重要的意義。采用彈性車(chē)輪。采用彈性車(chē)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(chē)輪質(zhì)量，降低車(chē)輪動(dòng)不平衡質(zhì)量。車(chē)輪設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，應(yīng)盡可能保證車(chē)輪質(zhì)心與形心重合，嚴(yán)格控制輪對(duì)動(dòng)不平衡質(zhì)量，避免質(zhì)心與形心出現(xiàn)位置偏差時(shí)形成輪軌間持續(xù)沖擊作用。41鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系第二節(jié)輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識(shí)鋼軌軌頭外形輪軌接觸狀態(tài)輪軌接觸幾何參數(shù)42鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系50kg/m鋼軌外型尺寸60kg/m鋼軌外型尺寸1.鋼軌軌頭外型43鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系UIC60鋼軌外型UIC54鋼軌外型UIC鋼軌外型44鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系50kg/m與60kg/m軌軌頭外型尺寸比較45鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系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46鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系磨耗型踏面輪軌接觸47鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系鋼軌磨耗后輪軌接觸狀態(tài)48鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系3.輪軌接觸幾何參數(shù)49鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌接觸幾何參數(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；左輪和左輪與左軌和右軌在輪軌接觸點(diǎn)處的接觸角；輪對(duì)側(cè)滾角；輪對(duì)中心上下位移；踏面等效斜度；重力剛度與重力角剛度。50鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系第三節(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(guò)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51鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系八十年代初期：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(duì)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(lái)處理空間輪軌接觸幾何關(guān)系問(wèn)題?；舅悸?暫時(shí)拋開(kāi)軌面的形狀，僅由輪對(duì)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(guò)程52鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系2影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)53鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系縱向超前量54鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系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55鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系1）輪軌接觸點(diǎn)求解準(zhǔn)則剛體假設(shè)。假定車(chē)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(shuō)車(chē)輪表面上任意點(diǎn)不能嵌入鋼軌內(nèi)部；同一側(cè)車(chē)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(chē)輪與鋼軌具有公切面。56鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系2）車(chē)輪踏面及軌頭外型數(shù)值離散輪對(duì)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）利用三次樣條函數(shù)對(duì)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(duì)中心坐標(biāo)系中，再次利用三次樣條函數(shù)，將左、右車(chē)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(zhǎng)的方法來(lái)等分各離散點(diǎn)。57鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系磨耗型踏面外型離散58鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系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鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系兩種鋼軌軌頂外型比較60鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系61鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌外形數(shù)據(jù)插值62鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌空間接觸示意圖3）跡線法基本原理63鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌跡線（無(wú)搖頭角）64鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪軌跡線（有搖頭角）65鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系4）輪軌接觸狀態(tài)66鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系鋼軌磨耗位置67鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系錐形踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化68鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系磨耗型踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化69鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系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70鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系搖頭角對(duì)踏面接觸點(diǎn)的影響搖頭角對(duì)軌面接觸點(diǎn)的影響71鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系q=0w=0q=0w=30q=2.50

w=30輪軌接觸點(diǎn)位置變化72鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系輪對(duì)搖頭角對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響73鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系q=0w=0q=2.50

w=30滾動(dòng)圓半徑變化74鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系q=0w=0q=2.50

w=30輪軌接觸角變化75鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系q=0w=0q=2.50

w=30質(zhì)心垂直位移與側(cè)滾角變化76鐵道車(chē)輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系q=0w=0q=2.50

w=30車(chē)輪踏面圓弧