• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

时速400公里高速铁路轮轨周期性短波不平顺的安全限值研究

胡晓依 成棣 孟凡迪 孙丽霞 闫子权 孙林林 郭林俊

胡晓依, 成棣, 孟凡迪, 孙丽霞, 闫子权, 孙林林, 郭林俊. 时速400公里高速铁路轮轨周期性短波不平顺的安全限值研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230676
引用本文: 胡晓依, 成棣, 孟凡迪, 孙丽霞, 闫子权, 孙林林, 郭林俊. 时速400公里高速铁路轮轨周期性短波不平顺的安全限值研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230676
HU Xiaoyi, CHENG Di, MENG Fandi, SUN Lixia, YAN Ziquan, SUN Linlin, GUO Linjun. Safety Limit for Periodic Short-Wave Irregularity of Wheel and Rail for High-Speed Railways at 400 km/h[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230676
Citation: HU Xiaoyi, CHENG Di, MENG Fandi, SUN Lixia, YAN Ziquan, SUN Linlin, GUO Linjun. Safety Limit for Periodic Short-Wave Irregularity of Wheel and Rail for High-Speed Railways at 400 km/h[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230676

时速400公里高速铁路轮轨周期性短波不平顺的安全限值研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230676
基金项目: 国家自然科学基金项目(52178441);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(N2022J009);中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划(2021YJ269)
详细信息
    作者简介:

    胡晓依(1972—),男,研究员,博士,研究方向为轮轨关系,轮轨系统高频耦合振动,故障诊断,E-mail:xiaoyihu@126.com

    通讯作者:

    成棣(1981—),男,副研究员,博士,研究方向为轮轨关系,轮轨系统高频耦合振动,E-mail:chengdi_1981@163.com

  • 中图分类号: U271.91;U211.5

Safety Limit for Periodic Short-Wave Irregularity of Wheel and Rail for High-Speed Railways at 400 km/h

  • 摘要:

    针对400 km/h速度等级高速铁路车轮多边形和钢轨波磨安全限值缺乏的问题,提出确定轮轨周期性短波不平顺安全限值的3个原则:基于《TB 10761—2013高速铁路工程动态验收技术规范》规定的轮轨垂向力不超过170.00 kN、基于由武广线实测数据拟合得到的弹条与钢轨振动加速度关系以及弹条共振疲劳断裂时由弹条加速度确定的钢轨振动加速度小于3 250.00 m/s2、基于轮轴至少服役30年换算确定的轮轴疲劳损伤寿命超过1 200万公里. 依据以上3个原则建立CR400BF型高速动车组的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,开展CR400BF动车组受大幅值轮轨周期性短波不平顺耦合激励时的轮轨力、钢轨振动加速度、轮轴疲劳损伤寿命计算;在此基础上,研究时速400公里高速铁路轮轨周期性短波不平顺的安全限值. 结果表明:120~200 mm波长、0.020 mm幅值的钢轨波磨与0.025 mm幅值的14~22阶多边形耦合激励时,轮轨力不超过170.00 kN;120~200 mm波长、0.040 mm幅值的钢轨波磨与0.020 mm幅值的14~22阶多边形耦合激励时,钢轨振动加速度不超过3 250.00 m/s2;在120~200 mm波长、0.040 mm幅值的钢轨波磨与0.030 mm幅值的14~22阶多边形耦合激励时,轮轴疲劳损伤寿命超过1 200万公里. 因此,建议将时速400 km/h高速铁路的轮轨周期性短波不平顺的安全限值定为0.020 mm,与时速350公里限值一致.

     

  • 图 1  车辆-轨道刚柔耦合动力学模型

    Figure 1.  Rigid and flexible coupled dynamics model of vehicle-track

    图 2  京沪高铁实测轨道不平顺

    Figure 2.  Measured track irregularity on Beijing—Shanghai high-speed railway

    图 3  6号车厢1位轮对实测车轮多边形

    Figure 3.  Measured wheel polygon of first wheelset of car 6

    图 4  地面测点测得的轮轨垂向力及钢轨振动加速度

    Figure 4.  Wheel rail force and rail vibration acceleration measured at ground measurement points

    图 5  轮轨垂向力及钢轨振动加速度仿真结果

    Figure 5.  Simulation results of wheel-rail vertical force and rail vibration acceleration

    图 6  钢轨振动加速度与弹条加速度关系

    Figure 6.  Relationship between rail vibration acceleration and elastic rail clip acceleration

    图 7  0.040 mm幅值波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的轮轨力

    Figure 7.  Wheel-rail force under coupled excitation of 0.040 mm amplitude corrugation and 0.030 mm amplitude polygon

    图 8  0.040 mm幅值波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的轮轨垂向力变化规律

    Figure 8.  Variation pattern of wheel-rail vertical force under coupled excitation of 0.040 mm amplitude corrugation and 0.030 mm amplitude polygon

    图 9  0.040 mm幅值波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的钢轨振动加速度

    Figure 9.  Rail vibration acceleration under coupled excitation of 0.040 mm amplitude corrugation and 0.030 mm amplitude polygon

    图 10  0.040 mm幅值波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的钢轨振动加速度变化规律

    Figure 10.  Variation pattern of wheel-rail vibration acceleration under coupled excitation of 0.040 mm amplitude corrugation and 0.030 mm amplitude polygon

    图 11  0.040 mm幅值的波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的轮轴动应力

    Figure 11.  Dynamic stress of wheel axle under coupled excitation of 0.040 mm amplitude corrugation and 0.030 mm amplitude polygon

    图 12  轮轴材料S-N曲线

    Figure 12.  S-N curve of wheel axle material

    图 13  0.040 mm幅值波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的损伤值

    Figure 13.  Damage values under coupled excitation of 0.040 mm amplitude corrugation and 0.030 mm amplitude polygon

    图 14  不同阶次车轮多边形条件下轮轨垂向力变化规律

    Figure 14.  Variation pattern of wheel-rail vertical force under wheel polygon conditions of different orders

    图 15  0.03 mm幅值波磨与0.030 mm幅值多边形耦合激励时的轮轨垂向力变化规律

    Figure 15.  Variation pattern of wheel-rail vertical force under coupled excitation of 0.030 mm amplitude corrugation and 0.03 mm amplitude polygon

    图 16  不同工况下的轮轨力

    Figure 16.  Wheel-rail force under different working conditions

    图 17  不同阶次车轮多边形条件下的钢轨振动加速度变化规律

    Figure 17.  Variation pattern of rail acceleration under wheel polygon conditions of different orders

    表  1  CR400BF动车组主要动力学参数

    Table  1.   Main dynamic parameters of CR400BF EMUs

    名称 参数取值
    车辆定距/m 17.8
    轴距/m 2.5
    轴重/t ≤17
    车轮直径/mm 850~920
    车轮型面 LMB10
    轮对质量/t 1.517
    轴箱质量/kg 100
    一系钢簧纵向/垂向刚度/(kN•m−1 919.8/886.0
    二系横向减振器节点刚度/(MN•m−1 8.5
    下载: 导出CSV

    表  2  轨道模型的基本参数

    Table  2.   Basic parameters of track model

    部位 参数 数值
    钢轨 弹性模量/GPa 210
    密度/(kg•m−3 7800
    泊松比 0.3
    扣件 垂向刚度/(MN•m−1 23
    横向刚度/(MN•m−1 30
    间距/m 0.6
    轨道板 弹性模量/GPa 36
    密度/(kg•m−3 2500
    泊松比 0.2
    水泥沥青砂浆层 弹性模量/GPa 0.2
    密度/(kg•m−3 2000
    泊松比 0.2
    底座版 弹性模量/GPa 33
    密度/(kg•m−3 2500
    泊松比 0.2
    下载: 导出CSV

    表  3  不同工况对应参数

    Table  3.   Parameters corresponding to different working conditions

    工况 波磨 多边形
    幅值/mm 波长/mm 幅值/mm 阶数/阶
    1 0.030 120 0.030 18
    2 0.030 140 0.030 20
    3 0.025 120 0.030 18
    4 0.025 140 0.030 20
    5 0.020 120 0.030 20
    6 0.020 120 0.025 20
    下载: 导出CSV
  • [1] 吴越. 高速列车车轮多边形磨耗机理及其影响研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2023.
    [2] 姜子清, 司道林, 李伟, 等. 高速铁路钢轨波磨研究[J]. 中国铁道科学, 2014, 35(4): 9-14.

    JIANG Ziqing, SI Daolin, LI Wei, et al. On rail corrugation of high speed railway[J]. China Railway Science, 2014, 35(4): 9-14.
    [3] LI G F, WANG H B, ZHOU Y B, et al. Research on the evolution of the wheel polygon based on the iterative model of long-term wear on both sides of the wheelset[J]. Vehicle System Dynamics, 2023, 61(10): 2570-2597. doi: 10.1080/00423114.2022.2120024
    [4] JOHANSSON A, NIELSEN J O. Out-of-round railway wheels—wheel-rail contact forces and track response derived from field tests and numerical simulations[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2003, 217(2): 135-146. doi: 10.1243/095440903765762878
    [5] LEWIS R, OLOFSSON U. Wheel-rail interface handbook[M]. Boca Raton: CRC Press, 2009.
    [6] CLARK R A, DEAN P A, ELKINS J A, et al. An investigation into the dynamic effects of railway vehicles running on corrugated rails[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 1982, 24(2): 65-76. doi: 10.1243/JMES_JOUR_1982_024_015_02
    [7] NIELSEN J O, EKBERG A, LUNDÉN R. Influence of short-pitch wheel/rail corrugation on rolling contact fatigue of railway wheels[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2005, 219(3): 177-187. doi: 10.1243/095440905X8871
    [8] EKBERG A, KABO E, NIELSEN J C O, et al. Subsurface initiated rolling contact fatigue of railway wheels as generated by rail corrugation[J]. International Journal of Solids and Structures, 2007, 44(24): 7975-7987. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2007.05.022
    [9] 王远, 佟岩. 高速动车组车轮多边形对车内噪声的影响[J]. 噪声与振动控制, 2018, 38(1): 147-150.

    WANG Yuan, TONG Yan. Influence of polygonal wheels on interior noise of high-speed trains[J]. Noise and Vibration Control, 2018, 38(1): 147-150.
    [10] 高闯, 孙守光, 任尊松, 等. 车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度影响研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(6): 185-193. doi: 10.3901/JME.2023.06.185

    GAO Chuang, SUN Shouguang, REN Zunsong, et al. Study on the influence of wheel polygon on the fatigue strength of high-speed train axle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(6): 185-193. doi: 10.3901/JME.2023.06.185
    [11] 胡晓依, 侯银庆, 宋志坤, 等. 基于柔性轮轨模型的车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动影响的仿真研究[J]. 中国铁道科学, 2018, 39(6): 81-89.

    HU Xiaoyi, HOU Yinqing, SONG Zhikun, et al. Simulation study on influence of harmonic wear of wheel on vibration of high-speed wheel-rail system based on flexible wheel-rail model[J]. China Railway Science, 2018, 39(6): 81-89.
    [12] 刘玉涛. 钢轨波磨下扣件弹条疲劳断裂机理研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2017.
    [13] 李谷, 张志超, 祖宏林, 等. 高速铁路典型轨道病害下轮轨力响应特性试验研究[J]. 中国铁道科学, 2019, 40(6): 30-36.

    LI Gu, ZHANG Zhichao, ZU Honglin, et al. Experimental study on wheel-rail force response characteristics under typical track defects of high speed railway[J]. China Railway Science, 2019, 40(6): 30-36.
    [14] 王忆佳. 车轮踏面伤损对高速列车动力学行为的影响[D]. 成都: 西南交通大学, 2014.
    [15] 刘国云. 关键部件性能演变的高速列车动力学性能分析及评估[D]. 成都: 西南交通大学, 2018.
    [16] 陈伟, 戴焕云, 罗仁. 高速列车车轮高阶多边形对车辆动力学性能的影响[J]. 铁道车辆, 2014, 52(12): 4-9.

    CHEN Wei, DAI Huanyun LUO Ren. Effect of high order polygons of wheels for high speed trains on dynamics performance of vehicles[J]. Rolling Stock, 2014, 52(12): 4-9.
    [17] 尹振坤, 吴越, 韩健. 高速列车车轮多边形磨耗对轮轨垂向力的影响[J]. 铁道学报, 2017, 39(10): 26-32.

    YIN Zhenkun, WU Yue, HAN Jian. Effect of polygonal wear of high-speed train wheels on vertical force between wheel and rail[J]. Journal of the China Railway Society, 2017, 39(10): 26-32.
    [18] 张富兵, 邬平波, 吴兴文, 等. 高速列车车轮多边形磨耗安全限值研究[J]. 铁道学报, 2021, 43(3): 42-51.

    ZHANG Fubing, WU Pingbo, WU Xingwen, et al. Research on safety limit of wheel polygonalization of high-speed train[J]. Journal of the China Railway Society, 2021, 43(3): 42-51.
    [19] ZHANG F B, WU P B, WU X W, et al. Research on safety limit of wheel polygonalization of high-speed train[J]. Journal of the China Railway Society, 2021, 43(3): 42-51.
    [20] NIELSEN J C O, EKBERG A. Acceptance criterion for rail roughness level spectrum based on assessment of rolling contact fatigue and rolling noise[J]. Wear, 2011, 271(1/2): 319-327.
    [21] 中国国家铁路集团有限公司机辆部. 动车组车轮等效锥度、多边形、径跳运用标准: 机辆动客函[2021]36号[S]. 北京: 中国国家铁路集团有限公司, 2021.
    [22] 中国铁路总公司. 高速铁路钢轨打磨管理办法: 铁总运[2014]357号[S]. 北京: 中国铁路总公司, 2014.
    [23] 中国国家铁路集团有限公司. 动车组总体技术条件(暂行): TJ/CJ 591—2022 CR450[S]. 北京: 中国国家铁路集团有限公司, 2022.
    [24] 胡晓依, 成棣, 闫子权, 等. 时速400公里速度级轮轨关系关键技术研究[R]. 北京: 中国铁道科学研究院集团有限公司, 2022.
    [25] 金学松, 吴越, 梁树林, 等. 高速列车车轮多边形磨耗、机理、影响和对策分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(16): 118-136. doi: 10.3901/JME.2020.16.118

    JIN Xuesong, WU Yue, LIANG Shulin, et al. Characteristics, mechanism, influences and countermeasures of polygonal wear of high-speed train wheels[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(16): 118-136. doi: 10.3901/JME.2020.16.118
    [26] 常崇义, 胡晓依, 刘丰收, 等. 高速铁路轮轨关系深化研究调研总报告[R]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2016.
    [27] 中国铁道科学研究院 高速铁路工程动态验收技术规范: TB 10716—2013[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2013.
    [28] ZHANG F B, WANG Q S, ZHANG Z Q, et al. Research on the influence of wheel polygonization on axle stress[J]. Shock and Vibration, 2021, 2021(1): 1-12.
    [29] MINER M A. Cumulative damage in fatigue[J]. Journal of Applied Mechanics, 1945, 12(3): 159-164. doi: 10.1115/1.4009458
  • 加载中
图(17) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  95
  • HTML全文浏览量:  35
  • PDF下载量:  20
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-19
  • 修回日期:  2024-05-27
  • 网络出版日期:  2025-07-25

目录

    /

    返回文章
    返回