JM3不同廓形车轮踏面损伤多角度预测

doi:10.3901/JME.2025.10.359

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (10): 359-366.doi: 10.3901/JME.2025.10.359

• 运载工程 • 上一篇

扫码分享

JM₃不同廓形车轮踏面损伤多角度预测

周素霞^1,2, 雷振宇^1,2, 邵京^1,2, 李光^1,2, 孙宇铎³

1. 北京建筑大学机电与车辆工程学院北京 100044;
2. 北京建筑大学城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京 100044;
3. 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京 100081

收稿日期:2024-05-04 修回日期:2024-10-07 发布日期:2025-07-12
作者简介:周素霞，女，1971年出生，博士，教授，硕士研究生导师。主要研究方向为结构的疲劳与断裂、金属材料的微观损伤、车辆动力学。E-mail：sxzhou1971@163.com;雷振宇(通信作者)，男，1997年出生。主要研究方向为车辆动力学和轮轨关系。E-mail：601840909@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(51875032)和西城区拔尖创新团队资助项目。

Multi-dimensional Prediction of Wheel Tread Damage with Different Profiles of JM₃

ZHOU Suxia^1,2, LEI Zhenyu^1,2, SHAO Jing^1,2, LI Guang^1,2, SUN Yuduo³

1. School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;
2. Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urben Rail Transit Vehicles, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;
3. Metal & Chemistry Research Institude, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081

Received:2024-05-04 Revised:2024-10-07 Published:2025-07-12

摘要/Abstract

摘要： 针对我国大功率型重载机车在服役过程中发生的车轮踏面损伤问题，结合安定理论和损伤函数预测方法，从动力学角度展开分析，运用SIMPACK多体动力学仿真软件建立大功率型六轴机车模型。以国家铁路局规定的JM₃标准踏面廓形及其不同型号薄轮缘踏面廓形为基本变量，对曲线半径、运行速度等针对性变量开展动力学响应仿真，将其结果分别代入安定图以及损伤函数预测程序来进行损伤计算。通过对不同踏面模型对应工况、车轮轴位等作横向、纵向表征，从多个角度归结了损伤发展规律，认为在部分线路条件下使用JM₃薄轮缘型踏面代替其标准踏面能够有效减少车轮损伤的发展，并据此提出了缓解车轮损伤的运行建议和镟修策略。

关键词: 重载机车, 车轮踏面损伤, 损伤函数, 动力学响应, 薄轮缘

Abstract: Aiming at the problem of wheel tread damage in the service process of Chinese high-power heavy-duty locomotives, the shakedown theory and wheel damage function prediction methods are adopted to analyze from the perspective of dynamics. The six-axle locomotive model is established by using SIMPACK. Taking the JM₃ standard tread and its different types of thin flange tread profiles standardized by the National Railway Administration of People’s Republic of China as the basic variables, the dynamic response simulation is carried out for targeted variables such as curve radius and running speed. Then the results are substituted into the shakedown-map and wheel damage function prediction model to predict the tread damage law. By expressing the results of working conditions and axle positions corresponding to different treads horizontally and vertically, the damage logic is specifically attributed. The result shows that the use of JM₃ thin flange tread under some line conditions can effectively reduce the development of wheel damage, and based on this, the operation suggestions and repair strategies for alleviating wheel damage are put forward.

Key words: heavy-duty locomotive, wheel tread damage, damage function, dynamic response, thin flange

中图分类号:

U264

周素霞, 雷振宇, 邵京, 李光, 孙宇铎. JM₃不同廓形车轮踏面损伤多角度预测[J]. 机械工程学报, 2025, 61(10): 359-366.

ZHOU Suxia, LEI Zhenyu, SHAO Jing, LI Guang, SUN Yuduo. Multi-dimensional Prediction of Wheel Tread Damage with Different Profiles of JM₃[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(10): 359-366.

参考文献

[1] PEARCE T G，SHERRATT N D. Prediction of wheel profile wear[J]. Wear，1991，144：343-351.
[2] JENDEL T. Prediction of wheel profile wear-comparisons with field measurements[J]. Wear，2002，253(1/2)：89-99.
[3] STICHEL S，MOHR H，AGREN J，et al. Investigation of the risk for rolling contact fatigue on wheels of different passenger trains[J]. Vehicle System Dynamics，2008，46：317-327.
[4] 陶功权，王衡禹，赵鑫，等. 基于轮轨关系的车轮踏面损伤机理研究[J]. 机械工程学报，2013，49(18)：23-29.TAO Gongquan，WANG Hengyu，ZHAO Xin，et al. Research on wheel tread damage mechanism based on interaction of wheel and rail[J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49(18)：23-29.
[5] 李亨利，李芾，王新锐，等. 重载货车车轮磨耗与动力学性能演变[J]. 交通运输工程学报，2016，16(5)：49-56.LI Hengli，LI Pei，WANG Xinrui，et al. Evolution of wheel wear and dynamics performance of heavy haul freight car[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering，2016，16(5)：49-56.
[6] 杨斌，郭立昌，郭俊，等. 基于Tγ/A-磨损率模型的车轮磨耗仿真分析[J]. 机械工程学报，2017，53(22)：101-108.YANG Bin，GUO Lichang，GUO Jun，et al. Simulation analysis of wheel wear based on the model of Tγ/A-wear rate[J]. Journal of Mechanical Engineering，2017，53(22)：101-108.
[7] 张斌，付秀琴，张弘，等. 机车车辆车轮踏面剥离现状及其分析[J]. 铁道车辆，2005(5)：1-5，45.ZHANG Bin，FU Xiuqin，ZHANG Hong，et al. The present conditions and the analysis of wheel tread peeling on locomotives and rolling stock[J]. Rolling Stock，2005(5)：1-5，45.
[8] CAPRIOLI S，VERNERSSON T，HANDA K，et al. Thermal cracking of railway wheels：Towards experimental validation[J]. Tribology International，2016，94(2)：409-420.
[9] NIA S H，SICHANI MS，STICHEL S，et al. Wheel life prediction model-an alternative to the FASTSIM algorithm for RCF[J]. Vehicle System Dynamics，2018，56(7)：1051-1071.
[10] 江晓禹，金学松. 轮轨间的液态介质和表面微观粗糙度对接触表面疲劳损伤的影响[J]. 机械工程学报，2004(8)：18-23.JIANG Xiaoyu，JIN Xuesong. Elastic-plastic analysis of contact problems of wheel/rail with surface micro roughness[J]. Journal of Mechanical Engineering，2004(8)：18-23.
[11] EKBERG A，KABO E. Fatigue of railway wheels and rails under rolling contact and thermal loading-an overview[J]. Wear，2004，258(7)：1288-1300.
[12] JOHN T，JOHN S，JAVIER P. The development of a wheel wear and rolling contact fatigue model[R]. RSSB Report for Task T549，2007.
[13] 国家铁路局.机车车辆车轮轮缘踏面外形：TB/T449—2016[S]. 北京：中国铁道出版社，2016.National Railway Administration of People’s Republic of China. Wheel profile for locomotive and car：TB/T449— 2016[S]. Beijing：China Railway Publishing House，2016.
[14] 张铁，张军，盛友艺，等. 重载铁路不同磨耗阶段车轮与曲线钢轨的接触分析[J]. 机械工程学报，2014，50(18)：142-147.ZHANG Tie，ZHANG Jun，SHENG Youyi，et al. Analysis of the contact between wheel and rail with different wear profiles in curve on heavy haul railway[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(18)：142-147.
[15] 陈光雄，钱韦吉，莫继良，等. 轮轨摩擦自激振动引起小半径曲线钢轨波磨的瞬态动力学[J]. 机械工程学报，2014，50(9)：71-76.CHEN Guangxiong，QIAN Weiji，MO Jiliang，et al. A transient dynamics study on wear-type rail corrugation on a tight curve due to the friction-induced self-excited vibration of a wheelset-track system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(9)：71-76.
[16] TUNNA J，SINCLAIR J，PEREZ J. A review of wheel wear and rolling contact fatigue[J]. Part F：Journal of Rail and Rail and Rapid Transit，2007，221：271-289.
[17] 李志勇，文睿，危韧勇. 基于径向基神经网络的机车牵引能耗计算模型[J]. 铁道学报，2011，33(9)：27-30.LI Zhiyong，WEN Rui，WEI Renyong. Study on locomotive traction energy consumption calculation based on RBF neural network[J]. Journal of the China Railway Society，2011，33(9)：27-30.
[18] DIRKS B，ENBLOM R. Prediction model for wheel profile wear and rolling contact fatigue[J]. Wear，2011，271(1)：210-217.
[19] 孙宇，朱胜阳，翟婉明. 车轮踏面凹形磨耗对轮轨相互作用的影响研究[J]. 机械工程学报，2018，54(4)：109-116.SUN Yu，ZHU Shengyang，ZHAI Wanming. Influence of tread hollow-worn wheel on wheel/rail interaction[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(4)：109-116.
[20] 赵鑫，温泽峰，王衡禹，等. 中国轨道交通轮轨滚动接触疲劳研究进展[J]. 交通运输工程学报，2021，21(1)：1-35.ZHAO Xin，WEN Zefeng，WANG Hengyu，et al. Research progress on wheel/rail rolling contact fatigue of rail transit in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering，2021，21(1)：1-35.

JM₃不同廓形车轮踏面损伤多角度预测

Multi-dimensional Prediction of Wheel Tread Damage with Different Profiles of JM₃

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杨逸凡, 陈是扦, 王开云, 肖绯雄, 马呈祥. 基于模态共振原理的重载机车一系钢弹簧结构优化研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 247-256.
[2]	张行, 富宽, 陈铭浩, 李睿, 石新娜. 压差式多节串联管道机器人越障时动力学演化规律及减振分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 348-359.
[3]	刘仁哲, 王红兵, 陈是扦, 王开云. 变速工况下重载机车车轮多边形识别方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(24): 244-253.
[4]	朱继宏, 张亦飞, 侯杰, 李祥吉, 张卫红. 考虑动力学响应的天线座拓扑-自由尺寸协同优化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 20-31.
[5]	郭欣茹, 杨云帆, 凌亮, 陈哲, 王开云, 翟婉明. 防滑控制策略对机车车轮的损伤影响研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(22): 369-379.
[6]	陈清华, 杨云帆, 凌亮, 张涛, 王开云. 复杂轮轨摩擦条件下的重载机车防滑控制研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10): 179-186.
[7]	闫阳天, 李春, 杨阳, 缪维跑, 李志昊. 基于VMD方法的海上风力机结构TMD抗震[J]. 机械工程学报, 2022, 58(4): 155-164.
[8]	刘永锋, 陶功权, 刘子通, 赵鑫, 温泽峰. 轴式对大功率电力机车车轮第3类滚动接触疲劳的影响[J]. 机械工程学报, 2022, 58(12): 159-167.
[9]	张行, 崔灿, 廖宁生, 张仕民. 考虑流固耦合的管道机器人冲击环焊缝过程动力学建模与分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(23): 129-140.
[10]	梁喜仁, 陶功权, 陆文教, 关庆华, 温泽峰. 地铁钢轨滚动接触疲劳损伤研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(2): 147-155.
[11]	王玉光, 卢纯, 赵鑫, 温泽峰, JIN Xuesong. 高速动车组车轮滚动接触疲劳观测与模拟研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(4): 150-157.
[12]	胡林, 程启寅, 黄晶, 陈强. 自行车座椅高度对事故中骑车人动力学响应的影响[J]. 机械工程学报, 2018, 54(21): 81-89.
[13]	王志伟, 戚德彬. 两层计算机堆码包装动力学试验研究^*[J]. 机械工程学报, 2017, 53(3): 90-99.
[14]	李雨桐;王玉新. 力作用下并联机构奇异点动态稳定性[J]. , 2013, 49(3): 31-35.
[15]	陶功权王衡禹;赵鑫;杜星;温泽峰;郭俊;朱旻昊. 基于轮轨关系的车轮踏面损伤机理研究[J]. , 2013, 49(18): 23-29.