基于实测车轮型面的固定辙叉型面均优设计方法研究

The contact between wheel and rigid frog is one of the main problems of wheel/rail interaction. And how to improve the ride comfort of trains through the frog and to prolong the service life of the rigid frog have become the urgent problems..The research on the interaction mechanism between wheel and rigid frog would be carried out by field tracing test, experiment analysis, numerical simulation and other means. The wheel profiles and rigid frog profiles in a line are firstly measured through the wheel/rail profile admeasuring apparatus and the wear rules are analyzed. The train-frog system dynamic models are established to study the dynamic performance of trains through the frog. The wheel/frog elastic-plastic finite element modes and experiment rig are built to research on the wheel/frog contact properties and the accumulated plastic deformation rules of frog. And the frog wear prediction model is established to analyze the relation between the abrasion loss and the service time. Aiming for the ride comfort of most wheels through frog and wear resistance of frog, the uniform optimization design principles, theory and methods of rigid frog profile are studied to implement the individualized design in different lines..It’s a breakthrough on the design method of the rigid frog geometrical profile. And there is good engineering application value in improving the security of rigid frog, easy maintenance, etc. So it could further meet the needs of the rapid development of railway and urban rail transit in our country.

轨道车辆车轮与固定辙叉之间的接触问题是轮轨关系研究的主要难题之一，如何提高列车通过辙叉的平顺性及延长固定辙叉的使用寿命已经成为急需解决的问题。.本项目拟通过现场跟踪实测、试验分析、数值模拟等手段，开展轮叉相互作用机理的研究。首先利用轮轨型面测量设备实测某线路的轨道车辆车轮型面、固定辙叉型面并分析其磨耗规律；建立列车与辙叉系统动力学模型，研究列车通过辙叉时的动力学性能；建立车轮与辙叉弹塑性接触有限元模型和试验台，研究轮叉接触特性及辙叉累积塑性形变规律；建立辙叉的磨耗预测模型，研究磨耗量与服役时间的关系。以绝大部分车轮通过辙叉的平顺性和辙叉的耐磨性为目标，研究固定辙叉型面的均优设计原则、理论和方法，可实现不同线路的个性化设计。.本项目不仅对固定辙叉几何型面的设计方法上取得突破，而且在提高固定辙叉的安全性、易维护性等方面具有良好的工程应用价值，能够进一步满足我国铁路和城市轨道交通快速发展的需要。

我国铁路快速发展，对车辆和轨道系统提出更高的要求，尤其是固定辙叉存在不可避免的“有害空间”问题，这让固定辙叉产生比普通钢轨更严重的损伤，养护维修工作量剧增，固定辙叉磨耗机理与轮叉型面匹配研究是轮轨关系研究领域中的关键问题。.本项目将车辆与固定辙叉区轨道视为一个整体大系统，以车辆动力学、道岔动力学、轮轨有限元方法为基础，以岔区轮轨关系为联系纽带，应用仿真与试验的方法研究车辆通过固定辙叉的动力特性、接触特性及行车的平稳性，对固定辙叉心轨进行磨耗预测。.应用轮轨型面测量仪对现场车轮型面进行了跟踪测量，总结所测车轮型面磨耗规律，为后续动力学与静力学分析提供数据基础。.建立了车辆-固定辙叉系统动力学模型和轮叉接触有限元模型，研究了车轮磨耗对过叉性能的影响。.搭建了全尺寸轮对-固定辙叉试验台，对轮对通过辙叉的试验进行研究，分析轮对在翼轨与心轨间的过渡位置及过叉平顺性，对过度位置建立有限元模型进行接触计算分析其接触状态。结合理论分析得出：车轮在距离理论尖端225mm至237mm位置处于心轨翼轨同时接触，过渡区段轮叉等效应力较大，易产生严重磨耗；轮对过叉过程中，垂向位移有明显的降低，且过叉速度越小，垂向位移相对降低值越大。.提出了轮轨磨耗预测新方法，建立变截面固定辙叉心轨磨耗预测模型，对距离理论尖端480mm位置心轨进行磨耗预测，分析机车车辆车轮对心轨磨耗的影响，得到固定辙叉心轨最大磨耗深度、磨耗量与列车通过量的关系，比较固定辙叉关键截面心轨最大磨耗深度与磨耗量，分析心轨垂向高度与列车通过量的关系，掌握固定辙叉心轨演化规律，为固定辙叉型面优化和养护维修标准的提出提供理论支撑。