基于损伤函数及典型线路工况组合的动车组车轮损伤预测方法

doi:10.3901/JME.2025.10.376

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (10): 376-385.doi: 10.3901/JME.2025.10.376

• 运载工程 • 上一篇

扫码分享

基于损伤函数及典型线路工况组合的动车组车轮损伤预测方法

肖乾¹, 石小牒¹, 陈道云¹, 刘新龙¹, 杨文斌¹, 昌超^1,2

1. 华东交通大学机车车辆智能运维铁路行业重点实验室南昌 330013;
2. 西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都 610031

收稿日期:2024-05-08 修回日期:2025-02-01 发布日期:2025-07-12
作者简介:肖乾，男，1977年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为轨道车辆轮轨关系、轨道车辆运维装备研究与开发。E-mail：jxralph@foxmail.com;陈道云(通信作者)，男，1988年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为结构疲劳可靠性。E-mail：chendaoyun@ecjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52372327，52202468)和江西省自然科学基金(20232BAB204104，20232BAB204003)资助项目。

Method for Predicting Wheel Damage in High-speed Trains Based on Damage Functions and Combinations of Typical Line Operating Conditions

XIAO Qian¹, SHI Xiaodie¹, CHEN Daoyun¹, LIU Xinlong¹, YANG Wenbin¹, CHANG Chao^1,2

1. Key Laboratory of Railway Industry on Intelligent Operation and Maintenance for Locomotive and Vehicle, East China Jiaotong University, Nanchang 330013;
2. State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031

Received:2024-05-08 Revised:2025-02-01 Published:2025-07-12

摘要/Abstract

摘要： 磨耗与滚动接触疲劳是动车组车轮的两种主要损伤形式，为对实际线路上运行的动车组车轮损伤进行预测。首先通过动力学软件UM建立复兴号动车组模型，根据实际高速铁路线路工况参数设计四个典型线路工况，将四个典型线路工况组合并进行动力学仿真，基于车辆模型的安全性和舒适性计算，验证车辆模型的有效性。通过各典型线路工况单独仿真下的轮轨蠕滑力及轮轨蠕滑率并结合车轮损伤函数，计算并获取各典型工况下的车轮磨耗及滚动接触疲劳损伤，基于损伤累积原则获取各典型线路工况下车轮损伤的累积值，与完整的组合线路工况下一次性仿真结果计算的车轮损伤进行对比，验证基于单独工况累积损伤预测组合工况损伤的可行性，同时进一步基于该原理对任意两种组合工况下的车轮损伤进行了预测，该方法为未来车轮损伤预测提供了一种高效且准确的新途径。

关键词: 磨耗, 滚动接触疲劳, 组合线路工况, 动车组车轮, 损伤预测

Abstract: Wear and rolling contact fatigue are the two main forms of damage to the wheels of high-speed trains. To predict the damage to the wheels of high-speed trains operating on actual lines, a model of the Fuxing high-speed train is first established using dynamic software UM. Four typical line conditions are designed based on actual high-speed railway line conditions parameters. The four typical line conditions are combined and dynamically simulated. Based on the safety and comfort calculation of the vehicle model, the effectiveness of the vehicle model is verified. By separately simulating the wheel-rail creep force and wheel-rail creep rate under each typical line working condition, combined with the wheel damage function, the wheel wear and rolling contact fatigue damage under each typical working condition are calculated and obtained. Based on the damage accumulation principle, the cumulative damage of the wheels under each typical line working condition combination is obtained. Compared with the one time simulation results under the completed and combined line working condition, the feasibility of predicting combined working condition damage based on individual working condition cumulative damage is verified. Furthermore, based on this principle, the wheel damage under any two combined working conditions is predicted, providing an efficient and accurate new approach for future wheel damage prediction.

Key words: wear, rolling contact fatigue, combined line working condition, EMU wheels, damage prediction

中图分类号:

U270

肖乾, 石小牒, 陈道云, 刘新龙, 杨文斌, 昌超. 基于损伤函数及典型线路工况组合的动车组车轮损伤预测方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(10): 376-385.

XIAO Qian, SHI Xiaodie, CHEN Daoyun, LIU Xinlong, YANG Wenbin, CHANG Chao. Method for Predicting Wheel Damage in High-speed Trains Based on Damage Functions and Combinations of Typical Line Operating Conditions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(10): 376-385.

参考文献

[1] 丁军君，孙树磊，李芾，等. 车轮滚动接触疲劳与磨耗耦合关系数值模拟[J]. 机械工程学报，2012，48(16)：86-90. DING Junjun，SUN Shulei，LI Fu，et al. Numerical simulation on the coupling relationship between wheel rolling contact fatigue and wear[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48(16)：86-90.
[2] 王文健，刘启跃. 轮轨滚动接触疲劳与磨损耦合关系及预防措施研究[J]. 中国铁道科学，2009，30(4)：137-139. WANG Wenjian，LIU Qiyue. Research on the coupling relationship between wheel/rail rolling contact fatigue and wear and preventive measures[J]. China Railway Science，2009，30(4)：137-139.
[3] 周宇，王钲，卢哲超，等. 钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法验证[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2021，49(3)：411-420. ZHOU Yu，WANG Zheng，LU Zhechao，et al. Verification of prediction method for the coexistence of rolling contact fatigue crack initiation and wear of rails[J]. Journal of Tongji University (Natural Science)，2021，49(3)：411-420.
[4] BUTINI E，MARINI L，MEACCI M，et al. An innovative model for the prediction of wheel-Rail wear and rolling contact fatigue[J]. Wear，2019，436-437：203025.
[5] HU Yue，ZHOU Lu，DING Haohao，et al. Investigation on wear and rolling contact fatigue of wheel-rail materials under various wheel/rail hardness ratio and creepage conditions[J]. Tribology International，2020，143：106091.
[6] SPANGENBERG U，FROHLING R D，ELS P S. The effect of rolling contact fatigue mitigation measures on wheel wear and rail fatigue[J]. Wear，2018，398-399：56-68.
[7] 侯茂锐，陈秉智，成棣，等. 两种典型动车组车轮磨耗演变规律及其动力学影响研究[J]. 机械工程学报，2022，58 (4)：191-201.HOU Maorui，CHEN Bingzhi，CHENG Di，et al. Research on the evolution law of wear of two typical high-speed train wheels and its dynamic influence[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(4)：191-201.
[8] 肖乾，姜雄峰，刘海涛，等. 铁道车轮踏面损伤实时监测方法研究综述[J]. 华东交通大学学报，2021，38(4)：99-112. XIAO Qian，JIANG Xiongfeng，LIU Haitao，et al. Review on real-time monitoring methods for tread damage of railway wheels[J]. Journal of East China Jiaotong University，2021，38(4)：99-112.
[9] 邹强，江波，张华，等. 基于SIMPACK的大功率机车车轮踏面损伤预测[J]. 机械，2022，49(5)：33-40.ZOU Qiang，JIANG Bo，ZHANG Hua，et al. Prediction of tread damage of high-power locomotive wheels based on SIMPACK[J]. Machinery，2022，49(5)：33-40.
[10] 邹凯. 高速铁路邻近车站曲线最小半径研究[J]. 铁道标准设计，2017，61(5)：35-39. ZOU Kai. Study on the minimum radius of curves near high-speed railway stations[J]. Railway Standard Design，2017，61(5)：35-39.
[11] 翟婉明．车辆-轨道耦合动力学[M]．4版. 北京：科学出版社，2007．ZHAI Wanming. Vehicle-track coupling dynamics[M]. 4th ed. Beijing：Science Press，2007.
[12] 国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会. 机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范：GB/T 5599—2019[S]. 北京：国家铁路局，2019.State Administration for Market Regulation，National Standardization Administration. Specification for dynamic performance assessment and testing verification of rolling stock：GB/T 5599—2019[S]. Beijing：National Railway Administration of the People’ s Republic of China，2019.
[13] 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 the damage mechanism of wheel tread based on the wheel-rail relationship[J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49(18)：23-29.
[14] CLEVERAND W S．Robust locally weighted regression and smoothing scatterplots[J]．Journal of the American Statistical Association，1979，74：829-836．
[15] 张亚禹，孙守光，王斌杰，等. 高速动车组构架载荷分类验证研究[J]. 机械工程学报，2021，57(6)：156-163.ZHANG Yayu，SUN Shouguang，WANG Binjie，et al. Verification study on the load classification of high-speed EMU bogies[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(6)：156-163.
[16] 柴同，袁逸萍，马军岩，等. 基于K-CNN和N-GRU的风电机组发电机状态预测[J]. 机械强度，2023，45(5)：1043-1049.CHAI Tong，YUAN Yiping，MA Junyan，et al. State prediction of wind turbine generators based on K-CNN and N-GRU[J]. Journal of Mechanical Strength，2023，45(5)：1043-1049.

基于损伤函数及典型线路工况组合的动车组车轮损伤预测方法

Method for Predicting Wheel Damage in High-speed Trains Based on Damage Functions and Combinations of Typical Line Operating Conditions

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]	黄勉, 杨冰, 廖贞, 吕培锦, 肖守讷, 阳光武, 朱涛. 受电弓滑板磨耗研究综述[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 193-213.
[2]	付昊宁, 关庆华, 王鹏, 温泽峰. 地铁弹性车轮对钢轨波磨段扣件弹条的减振作用[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 240-249.
[3]	陈玉洪, 黎嘉欣, 张更娥, 温泽峰, 陶功权. 基于多目标优化的地铁车轮低轮缘磨耗型面设计[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 261-271.
[4]	张沭玥, 王文健, 林强, 郭俊, 刘启跃, Maksym Spriyagin, Qing Wu. 表面缺陷间距及排列对钢轨滚动接触疲劳损伤影响[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 194-205.
[5]	盈亮, 陈智刚, 戴明华, 王大恩, 胡平, 韩小强. 热塑性PA6碳纤维/铝基纤维金属层板温热胀形性能及失效行为研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 116-126.
[6]	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.
[7]	吴吉展, 魏沛堂, 吴少杰, 刘怀举, 朱才朝. 航空齿轮钢滚动接触疲劳性能预测与表面完整性优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 81-93.
[8]	石怀龙, 王开云, 戴焕云, 徐艳辉, 陈吉永, 刘志强. 变轨距机车动力学性能分析与踏面磨耗预测[J]. 机械工程学报, 2024, 60(24): 282-295.
[9]	贺志远, 陈果, 陈家运, 刘曜宾, 盛嘉玖, 尉询楷. 考虑弹流润滑的滚动轴承裂纹萌生及演化模型[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 164-176.
[10]	吴越, 胡晓依, 王佳诺, 金学松, 成棣, 肖新标, 侯茂锐. 基于全尺寸轮轨滚动试验台的高速车轮多边形磨耗再现试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 229-239.
[11]	李牧皛, 刘鹏飞. 复杂轮轨摩擦条件下驱动方式对地铁轮轨动态相互作用影响研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(14): 215-226.
[12]	李霞, 吴磊, 温泽峰, 金学松, 王安斌. 钢弹簧浮置板轨道焊接接头处钢轨波磨研究Ⅰ：初始演化[J]. 机械工程学报, 2023, 59(8): 245-252.
[13]	陈帅, 吴磊, 陶功权, 温泽峰, 王衡禹. 基于摩擦温升效应的地铁车轮磨耗特性研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(4): 213-220.
[14]	范伟, 赵鑫, 罗易飞, 温泽峰, 金学松. 机车牵引齿轮瞬态啮合接触模拟研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(22): 401-410.
[15]	张峻瑞, 张军, 马贺, 窦蕴平. 轮对通过磨耗后固定辙叉的试验研究及接触分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(18): 304-311.