铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系

轮轨接触⼏何关系轮轨接触⼏何关系班级：学号：姓名：轮轨接触⼏何关系是轮轨关系研究的基本内容，它不仅关系到车辆的动⼒学性能，也关系到轮轨之间的磨耗。

其研究结果可以⽤于横向稳定性计算、随机响应计算及动态曲线通过计算等，还可以⽤于轨道⼏何参数和轮轨外形的合理选择。

选择合适的轮轨⼏何，不仅可以改善车辆的动⼒学性能，还能降低轮轨间的磨耗，减少制造和维修成本，提⾼车辆的可靠性，延长车轮的使⽤寿命。

本⽂采⽤Simpack软件模拟轮轨接触，选⽤的车轮踏⾯为S1002，轨头为CHN_60。

1. S1002踏⾯外形S1002外形轮廓由车轮踏⾯作⽤区域之外的倒⾓、外侧斜度区域A、踏⾯区域B和C、踏⾯外形轮廓与轮廓外部区域的连接区域D、70o轮缘⾓长度区域E和轮缘区域F、G、H构成。

其中，外侧斜度区域A的斜度值可从6.5%⾄15%；踏⾯区域B和C由两段凹凸⽅向不同的⾼次曲线构成；连接区域D为⼀段半径为13mm的圆弧；70o轮缘⾓长度区域E为⼀条切线段；当车轮直径≥760mm时，轮缘⾼度h为28mm，轮缘区域F、G、H分别由半径为30mm、12mm和20.5mm的三段圆弧构成。

随着轮缘厚度的变化，轮缘及其踏⾯的连接区域也随之变化。

S1002踏⾯外形如图1-1所⽰。

图1-1 S1002踏⾯外形2. CHN_60轨⾯形状CHN_60钢轨顶⾯采⽤80-300-80的复合圆弧，具有与车轮踏⾯相适应的外形，能改善轮轨接触条件，提⾼抵抗压陷的能⼒；同时具有⾜够的⽀承⾯积，以备磨耗。

CHN_60踏⾯外形如图2-1所⽰。

图2-1 CHN_60轨⾯截⾯形状3. 轮轨⼏何关系参数轮轨⼏何关系重要参数有：车轮和钢轨型⾯、轨距、轨底坡、轮缘内侧距、名义滚动圆距轮对中⼼距离和车轮名义直径。

其⼏何关系平⾯图（见图3-1）和影响轮轨接触⼏何关系参数的平⾯图（图3-2）如下所⽰。

图3-1 轮轨接触⼏何关系平⾯图图3-2 影响轮轨接触⼏何关系平⾯图4. 轮轨接触⼏何关系的特征参数在机车车辆动⼒学研究中，除了要计算处接触点位置和相应参数值，另外，还要研究和动⼒学性能直接相关的轮轨关系特征参数，它们分别是：等效锥度、等效接触⾓、轮对重⼒刚度和重⼒⾓刚度。

rr = r0 + λ 0 y rl = r0 − λ 0 y
轮对中心运动轨迹为圆弧，其半径为：
R = br 0
λ0 y
r0 + λ y = R + b
r0
R
根据高等数学，任意曲线的曲率为： 1 = − d 2 y
R
dx 2
把 R值代入得方程：
d2 dx
y
2
+
λ0 y
br 0
=
0
取轮对初始条件：
x
v
Vx V
T
Vy
Vy
T
V
Vx
1）当轮对出现负的偏转角时，会产生负的横向蠕滑力； 2）当轮对出现正的偏转角时，会产生正的横向蠕滑力；
铁道车辆中蠕滑力的计算公式
Tx
v
Vy
T
V
Vx
Tx
Mz
≈ −2 f11
λa
r0
yw
Ty = TyL + TyR ≈ 2 f22ψ
(二) 蠕滑力对直线复位性能的影响
0
Tx
车轮的磨耗和脱轨事故主要发生在曲线上，所以曲线通过性 能也是车辆动力学的一个重要研究领域。
轮对纯滚通过的最小曲线： 车辆通过曲线时，外轨比内轨长，需要通过左右车轮滚动圆
半径差来弥补。 纯滚时，外侧车轮半径：r0+λy
内侧车轮半径：r0-λy
由
r0 + λ y = R + b
r0
R
得
R = br 0
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- λ yw rR=r0+ λ yw

步骤②
xc xo2 lx Rw tg w Rw 2 2 2 yc yo2 l l tg l 1 l 1 tg w yw x y w z x 2 1 lx zc zo2
R l l tg 1 l
w 2 x 2 x z
w
ly
轮缘 滚动圆直径 轮缘内侧距 车轮踏面斜度
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。
第三节
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
50kg/m钢轨外型尺寸
60kg/m钢轨外型尺寸
UIC54 钢轨外型
UIC60 钢轨外型
10 0
z/mm
-10 -20 -30 -40 -40
R50 R60
-20
0 y/mm
20
40
一点接触 踏面接触
两点接触 踏面接触 轮缘接触
sp 回转蠕滑率：
w1 r1 v
微量弹性变形 微量弹性滑动 蠕滑
蠕滑率
3、蠕滑力：
切平面 弹性滚动体 正压力 接触处 切平面法线方向 切向力
纵向蠕滑力 横向蠕滑力 回旋蠕滑力矩
轮轨接触蠕滑力示意图

介于纯滚动和纯滑动之间 蠕滑率较小时：线性关系 比例系数—蠕滑系数

蠕滑率较大时：非线性关系 极限值—摩擦力

铝合金
质量轻，耐腐蚀，但强度较低。
其他合金材料
如镍合金、钛合金等，具有特殊 性能，但成本较高。
02
轮轨接触几何关系
轮轨接触几何模型
点接触模型
假设轮轨接触点处的曲率中心与接触点重合，适用于 小变形和弹性接触。
面接触模型
考虑轮轨接触面的形状和曲率变化，适用于大变形和 塑性接触。
混合接触模型
结合点接触和面接触的特点，考虑轮轨接触的复杂性 和非线性特性。
垂直反力
车轮垂直于轨道方向产生的力，与轨道承受的重 量和轮轨接触点的分布有关。
轮对与轨道的相互作用模型
弹性接触模型
将轮轨接触视为弹性接触，通过 弹性力学理论描述轮轨接触点的 应力分布和变形。
有限元模型
利用有限元方法模拟轮轨接触和 应力分布，考虑了材料的非线性 特性和复杂的边界条件。
轮对与轨道的相互作用的影响因素
铁道车辆轮对结构与 轮轨接触几何关系
目录
• 轮对结构 • 轮轨接触几何关系 • 轮对与轨道的相互作用 • 轮轨接触的磨损与损伤 • 轮对与轨道的设计优化
01
轮对结构
轮对的组成
01
02
03
车轮
包括轮缘、踏面和轮毂， 是直接与轨道接触的部分， 承受车辆重量和传递制动 力。
车轴
连接车轮的轴，通过轴承 支撑车轮转动，传递牵引 力和制动力。
通过建立动力学模型，模拟列车运行过程 中轮对与轨道的动态响应，预测和解决潜 在的振动和稳定性问题。
实验设计法
优化算法
通过实验手段获取轮对与轨道在实际运行 中的性能数据，为设计提供依据和验证。
利用数学优化算法，如遗传算法、粒子群 算法等，对轮对与轨道的结构参数进行优 化，实现轻量化和性能提升。