鋼軌的案例
西南交通大學金學松教授團隊：基于地鐵車內噪聲的鋼軌粗糙度接受/驗收準則| CJME論文推薦
Eng. 35, 36 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00696-2
研究背景及目的
隨著地鐵線路運營密度、運營速度以及載客量的增加，鋼軌波磨問題愈加嚴重，尤其在小半徑曲線處。嚴重的鋼軌波磨現象會進一步引發其他問題，如軌道車輛系統零部件破壞、嚴重的噪聲等。避免或減少這類問題的有效方法是鋼軌打磨，但目前各個地鐵運營公司對鋼軌波磨的限值尚無統一標準，過于嚴苛的限值要求會造成運維成本劇增，較為寬松的限值要求又會導致其他故障頻發。因此，單一的波磨限值，如ISO 3095，很難滿足經濟高效的運維要求。同時，隨著地鐵的快速發展，地鐵車內噪聲問題愈加嚴重，嚴重的地響乘客的乘坐體驗以及司乘人員的身心健康，控制鋼軌波磨是控制地鐵車內噪聲最行之有效的方法之一，為此，作者從車內噪聲的角度，研究基于車內噪聲控制的鋼軌波磨限值。
圖1 鋼軌粗糙度測試
試驗方法
首先需要建立鋼軌粗糙度與車內噪聲之間的量化關系，鋼軌粗糙度直接作用于輪軌系統，輻射輪軌噪聲，而地鐵運行于隧道內時，車內噪聲主要受輪軌噪聲的影響，因此，以輪軌噪聲為橋梁，建立鋼軌粗糙度與車內噪聲之間的量化關系。
展開 “高速重載系列鋼軌及異型材數字化高質量軋制關鍵技術及應用”科技成果評價會在北京召開
主要創新點如下：
1、研發出基于數字化虛擬制造的全軋制過程孔型系統智能設計技術，實現了鋼軌及異型材孔型系統智能設計-配輥-軋輥加工，使新產品研發效率大幅度提高，并降低了研制成本;
2、開發出全軋程熱力耦合三維模擬，精準預測軋件參數值，并用于生產過程質量穩定性控制，實現了系列鋼軌及異型材軋制全過程工藝優化和質量穩定性控制，產品內在質量穩定性和一致性顯著提高，鋼軌殘余應力顯著降低;
3、開發出基于大數據及在線控制的鋼軌軋制金屬流動預測-補償模型和全長尺寸高精度控制技術，解決了系列重軌全長尺寸形狀在線高精度控制難題，實現了百米高鐵軌通長波動值:軌高≤0.4mm,軌底寬≤0.7mm的國際領先指標;
4、研發出鋼軌局部潤滑軋制及表面質量控制技術，闡明了高溫高壓軋制條件下金屬流動、軋輥氧化皮粘結及局部磨損機理和規律，顯著減少了鋼軌軋疤等表面缺陷，鋼軌表面質量顯著提高，軋輥壽命延長1倍以上。
該項成果獲授權專利61件(其中發明專利37件)，制定國際標準2項，國家標準1項，行業標準1項，發表科技論文53篇，出版專著1部，實現了高質量高鐵百米軌、重載鐵路軌、道岔軌等高速重載系列鋼軌全覆蓋，并出口美國、澳大利亞等30多個國家，生產的高質量系列鋼軌大量應用在京滬高鐵、青藏鐵路、大秦重載鐵路等代表世界前沿水平的鐵路建設上;研制出了11個規格牌號的異型鋼材。成果顯著提升了我國在高質量鋼軌的國際影響力和競爭力，經濟效益、社會效益顯著。
來源：中國金屬學會官網
展開 ABAQUS 鋼軌非線性接觸分析案例 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、掌握鋼軌部件的三維模型繪制
2、理解接觸分析的非線性靜力學分析步的建立
3、學習非線性接觸分析的相互關系的設置
4、了解靜力學網格的劃分
5、學習載荷的施加
6、學習結果后處理的查看與對比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
案例介紹了使用ABAQUS進行鋼軌非線性接觸分析。
本案例提供了分析相關的分析文件。
軌道交通減振措施（上）
一、當前軌道工程中常用的減振措施
在現今軌道振動控制工程中，常用的減振措施主要為軌道減振措施，軌道減振措施根據減振效果進行分類，分為中等減振措施，高等減振措施和特殊減振措施；按照彈性部件使用位置不同，可分為鋼軌振動控制、軌下減振、枕下減振和道床下減振四大類。
1. 鋼軌振動控制措施
目前控制鋼軌振動的措施主要包括鋼軌重型化和無縫化、鋼軌維修，產品包括鋼軌吸振器、埋入式鋼軌，如圖1、圖2所示。
圖1鋼軌吸振器
鋼軌吸振器的種類很多，包括單點鋼軌吸振器、長條狀鋼軌吸振器以及迷宮式約束阻尼鋼軌吸振器、TRD等，這些措施主要控制鋼軌本身的振動，各措施的有效頻段因吸振器結構和阻尼材料的不同而不同。
圖2埋入式鋼軌
埋入式鋼軌是直接把鋼軌埋置于混凝土或軌枕板的鋼軌槽內。埋入式鋼軌最大的特點是鋼軌連續支承，由于鋼軌是埋入式，所埋入材料可將輪軌振動能量轉化為熱能并予以吸收，也大大地降低了鋼軌的輻射噪聲。
2. 軌下減振
軌下扣件是控制鋼軌振動向下傳遞的部件。目前地鐵上采用的扣件都具有一定的彈性，目的是降低軌道結構的振動，現今常用的減振扣件包括：軌道減振器扣件、LORD粘結墊板減振扣件、雙層彈性非線性減振扣件以及Vangard先鋒扣件等。
圖3減振扣件
3. 軌下減振
目前枕下采用的減振措施包括彈性短、長軌枕和梯形軌枕等。彈性短軌枕（彈性支承塊/LVT）軌道較早用于軌道減振中，但由于其對施工精度要求較高，現階段在城市軌道工程中使用較少。
圖4彈性軌枕
彈性長軌枕比彈性短枕穩定性好，且彈性墊板容易更換。不足之處在于軌枕之間的溝槽會影響緊急疏散效率。
梯形軌枕是在預應力縱向長梁下設置彈性聚氨脂高彈支墊，使其浮于混凝土基礎之上，達到減振效果。
展開 
500米！我國焊接出世界級長軌道
在成品區現場，32個巨大、壯觀的聯排龍門吊在5名工人的操作下，吊機下方的幾十個鉗夾協力抓起一段長500米、重達30噸的鋼軌，緩緩吊入發往銀西鐵路軌現場的運軌列車上。
面對西北高鐵日新月益的發展，確保旅客列車安全舒適，鋼軌焊接質量則成為了重點，而將高質量的鋼軌從河口基地焊接運出的就是這些在幕后默默付出著，用心堅守著的勞動者。
重點專項“激光強化技術在航空航天和軌道交通領域的工業示范應用”通過驗收
科技部高技術中心委派的專家組現場考察了鋼軌激光淬火加工車的作業過程，聽取了課題執行情況匯報，審查了相關材料，經質詢和討論，高度肯定了項目的研究成果，項目中全部5個課題的績效評價均為優秀。
項目全部五個課題都參與了匯報。華中科技大學武漢光電國家研究中心增材制造與激光制造團隊是該項目中鐵路鋼軌在線強韌化處理裝備的技術源頭，團隊成員胡乾午副教授主持課題4 “激光選區淬火高效在線強化成套設備研發” 的研究工作，團隊負責人曾曉雁教授和團隊成員王鄧志副教授和孟麗博士后分別參加了課題1 “激光沖擊與淬火強化技術基礎研究”、課題4和課題5 “激光選區淬火高效強化工藝研究與應用示范”的研究工作。
課題4提出的鋼軌激光選區淬火方法，在鋼軌表面形成“馬氏體強化區+珠光體軟基體”的復合結構，成功解決了此前鋼軌材料難以兼顧高硬度和高韌性的技術難題，為鋼軌在線激光強化延壽技術開辟了新的道路。
開發的高功率單光束激光多光斑高重頻選區淬火技術，將鋼軌激光選區淬火效率從5m/h提高到54m/h。研制的GCC-50型鋼軌激光淬火車，采用獨特的子母車結構，結構緊湊，操作簡便，能夠快速抵達和駛離現場，能夠滿足小半徑曲線鋼軌、道岔、尖軌等部件的激光淬火加工。
GCC-50型鋼軌激光淬火車采用基于視覺測量的鋼軌激光加工軟件系統，可以自動識別鋼軌輪廓，規劃選取激光淬火的掃描路徑，實現鋼軌在線激光淬火過程的智能化控制。GCC-50型鋼軌激光淬火車得到國家鐵路集團公司認證中心的新產品定型認可，是國際上首臺專業型鋼軌在線激光加工車。這種激光淬火車擁有自主知識產權，已經先后獲得中國和美國發明專利授權。
展開 高鐵軌道無縫？熱漲冷縮如何解決？
長度可以達到幾十公里甚至上百公里的長度，整個鋼軌沒有軌縫接頭。
在我們的記憶中，蜿蜒曲折的鐵道是用一根根長度相同的鋼軌連接而成的。在鋼軌街接的地方總會留有專為鋼軌受熱膨脹伸長而設的縫隙。如果沒有這個縫隙的話，鋼軌受熱伸長就會相互擠壓、扭曲、上拱，使整條鐵路變形。如果說現在的鐵軌沒有縫隙，那么問題來了：鐵軌的熱脹冷縮問題怎么解決呢？
于寶東：它的關鍵技術就是采用了高強度的彈性扣件扣壓住鋼軌的軌底，使鋼軌的熱脹冷縮變形，不能產生鎖定了它的熱脹冷縮地變形。
原來，無縫鋼軌在剛生產出來的時候，也是一節一節的，通過無縫鋼軌焊接機，將兩根鋼軌相鄰兩端升溫至1000度以上，然后兩根軌道擠壓到一起。這樣焊接出來的軌道，可以達到500米長。
經過焊接、打磨、檢驗一道道工序的鋼軌，將被運輸到鋪設現場，再與其它軌道再次焊接，最終成為幾百公里長的無縫軌道。
中國那么大從南到北都有鐵路，這么長的里程，這么大的覆蓋面積，用的都是這種無縫鋼軌技術嗎？
于寶東：中國的南方它的一年四季溫差不大，所以它更適合于鋪設無縫線路，在中國的北方夏天跟冬天的溫差比較大，鋼軌定期對它的應力進行釋放把扣件全部打開，南方就不用應力釋放。
那么，為什么要使用這種無縫軌道呢？難道真的只是為了消除火車的哐哐聲嗎？
于寶東：車輪會對鋼軌產生沖擊，列車運行速度過高的時候，會有脫軌的危險。當火車的時速超過140公里之后，就必須要使用無縫線路。
中國已經擁有全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網。高速鐵路運營里程約占世界高鐵運營里程的50%，穩居世界高鐵里程榜首。從濃煙滾滾的蒸汽機車到飛快疾馳的高鐵動車，從木質枕木到無縫鋼軌，技術的不斷進步，列車“咣當”聲也漸漸變成記憶中的聲音。
展開 城市軌道交通地下線振動噪聲整治技術研究與應用
圖4 測點示意圖
測試得到鋼軌豎向振動時域圖、頻域圖和分頻振級如圖5所示。整體道床和隧道壁的測試結果圖不再贅述。
圖5 鋼軌豎向振動測試結果
時域分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度最大值依次為160.6m/s2、2.4m/s2和0.9m/s2，振動幅值沿著鋼軌、道床至隧道壁衰減明顯。
頻域分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度在360Hz、360Hz和70Hz達到峰值。
Z振級分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的最大Z振級（VLZmax）依次為101.31dB、79.51dB和75.12dB。
展開 在有限元模型中施加鋼軌缺陷 ￥66
鋼軌軌面存在焊接頭不平順，另外在服役過程中難免會出現局部凹陷、波磨、擦傷等缺陷。在有限元模型中對其進行數值模擬時，需要編寫程序，對光滑軌面（圖1）網格節點進行修改，然后按照以下公式進行施加。其中，缺陷在縱向為余弦形狀（圖2），在橫向為拋物線形狀（圖3），也可以忽略橫向幾何變化，僅考慮公式前半部分。
其中，dm為缺陷最大深度，y0為缺陷施加的起始位置，w為缺陷橫向寬度，x0為缺陷橫向中心位置。通過指定上述參數，便可編寫matlab程序進行尋找需要添加缺陷的位置，施加缺陷幾何。
部分MATLAB程序如下：
rail_node=importdata('rail.txt');
[m,n]=size(rail_node);
y0=-100; %缺陷開始施加的縱坐標
CH=210; %施加缺陷的長度
L=30; %缺陷波長
dm=0.05; %缺陷波深
w=30; %缺陷橫截面寬度
x0=-742.488367; %缺陷橫截面中心位置
以施加波磨為例，施加前光滑的軌面如圖1所示，施加波磨后的軌面如圖4所示。
圖1
圖2
圖3
圖4
展開 淺談高鐵結構與新材料應用
鋼軌
我國鋼軌生產企業主要攀鋼、 鞍鋼、包鋼、武鋼和邯鋼。這 5 家鋼廠的主要生產設備，包括頂底復吹轉爐、爐外精煉、真空處理爐、大方坯連鑄機、萬能軋制機組、復合矯直機、鋼軌在線檢測中心和聯合機床等，采用先進的連鑄、萬能軋制等生產工藝，均已具備現代化的鋼軌生產能力，可滿足生產高速、重載鐵路等高檔次鋼軌的需要。
現行鐵路上鋼軌主要有強度等級為 880 MPa的U71Mn 鋼軌和980 MPa 的 U75V 微合金鋼軌。高速鐵路上廣泛使用的鋼軌是 U71MnG 鋼軌和 U75VG 鋼軌。
展開 基于ADAMS的車輛減速器制動性能分析
2.3 減速器區段鋼軌模型
減速器區段的浮動基本軌是減速器的重要組成部分。浮動基本軌通常采用50kg/m或60kg/m的鋼軌，兩端與線路上的固定鋼軌通過魚尾板連接，并通過減速器的專用鋼軌固定座進行固定，使其僅能垂直方向上下浮動[8,9]。當車輛駛入處于制動狀態的減速器時，車輪的厚度尺寸要大于減速器的開口尺寸，車輪將減速器的開口撐開，鋼軌承座帶動浮動基本軌一起抬升，鋼軌產生彈性變形，彈性變形力直接作用在鋼軌承座上，成為減速器制動力的一部分。因此，若將減速器區段的鋼軌當成剛體處理，將導致計算結果不準確，所以鋼軌應建立柔性體模型。
ADAMS中建立柔性體分為離散式和模態式2種方法[10]。離散式柔性是將剛體構件離散為多個實體塊，各實體之間通過柔性梁連接，只適用于簡單結構；模態式柔性體是由外部有限元軟件生成模態中性文件，再通過接口將其導入[11]。使用有限元軟件可以建立較為復雜的柔性體模型，且對模型的網格劃分可控，因此本文選用模態式方法建立柔性體鋼軌模型。
浮動基本軌變形帶來的附加制動力大小主要由基本軌的變形決定，當減速器的杠桿比一定時，車輪越厚，開口尺寸越小，則基本軌的浮起量越大，變形帶來的附加制動力也就越大。
根據浮動基本軌在工作中的實際狀態，對基本軌的兩端施加限制六個自由度的約束來模擬彈性扣件的固定效果。
建模過程為：①在有限元軟件中導入鋼軌模型并進行網格劃分；②定義材料屬性；③定義外部節點，即柔性體與剛體的連接位置；④設置單位；⑤創建鋼軌.mnf文件并將其導入ADAMS。浮動基本軌模態振型見圖4。
圖4 柔性鋼軌1階模態振型(6.86Hz)
2.4 車輛-鋼軌-減速器剛柔耦合模型
將減速器和車輛、鋼軌模型合并，得到車輛-鋼軌-減速器剛柔耦合模型，見圖5。其中，減速器氣缸制動及緩解過程是利用step函數及移動副驅動的方式來模擬的。
展開 
基于Abaqus/Ansys全平臺的Simpack車輛-柔性軌道聯合仿真分析（含視頻教程）
課程內容概覽：
課程涵蓋了Abaqus和Simpack在車輛-柔性軌-浮置板耦合動力學分析中的全面應用，包括Abaqus中柔性文件的建立過程、Simpack中柔性軌道和柔性體的編寫與生成方法、Simpack中車輛建立的詳細過程、剛柔耦合模型的搭接、不平順激勵文件的生成以及計算后處理等關鍵內容
1.ABAQUS中柔性文件的建立過程
柔性鋼軌的建模：詳細講解在Abaqus中如何建立柔性鋼軌的模型。
柔性鋼彈簧浮置板建模：介紹鋼彈簧浮置板的建模方法及其在Abaqus中的實現
2.Simpack中柔性軌道和柔性體的編寫與生成方法
柔性軌道.Ftr文件編寫：講解如何在Simpack中編寫柔性軌道的.Ftr文件。
柔性體.Fbi文件的生成：介紹通過Abaqus-Simpack接口生成柔性體.Fbi文件的方法。
3.Simpack中車輛建立的詳細過程
Simpack輪對建模：詳細講解Simpack中輪對的建模步驟。
Simpack構架建模：介紹車輛構架的建模方法。
Smpack整車搭接：展示如何將輪對、構架等部件搭接成整車模型
4.Simpack中剛柔耦合模型的搭接
柔性軌道和剛性輪對的剛柔耦合搭接：講解如何在Simpack中實現柔性軌道和剛性輪對的耦合。
鋼軌-浮置板-基礎連接的搭接：介紹鋼軌、浮置板和基礎之間的連接及搭接方法。
5.Simpack鋼軌不平順激勵文件生成
Simpack內部生成不平順（PSD法）：講解如何在Simpack內部使用PSD法生成不平順激勵文件。
Simpack外部導入已有不平順文件：介紹如何導入外部已有的不平順文件。
展開 ansys和LS-DYNA進行聯合軌道動靜態仿真對比（加上軌道不平順）
鋼軌和軌枕的垂向位移：
其中鋼軌垂向位移為0.877mm其中軌枕為0.465mm，為了驗證位移的正確性，在ANSYS中進行靜力計算，采用兩對個力模型軸重14t的轉向架對軌道的力進行加載結果如圖為0.9mm
加入軌道不平順的軌道模型：
為了接近仿真的真實性，加入軌道不平順如圖，
其中加入軌道不平順后輪軌力如圖：
其中靜止時也是69.9kN，動態最大為96.8kN，加入不平順后對輪軌力的影響較大。
鋼軌和軌枕位移：
其中軌枕和鋼軌垂向位移好像沒變，很奇怪。希望大佬批評指正。希望使用ls-dyna的人一起交流。我群號 198456828
展開 ANSYS-SIMPACK 【車-橋耦合】 聯合仿真
1課程介紹——以CHN60鋼軌、32m簡支橋梁為例
此次【車-橋耦合】分為兩種方法，對應兩個課程。方法一為快速解決求解效率而設定的梁單元建模，方法二則是更為精細的實體單元建模。兩種方法所采用的耦合搭接方式也是不同的，并且通過學習后也可相互調換。本課程旨在方法的講述，而非針對特種，不具普遍性、一般性的橋梁的建模敘述。當然，學會方法后，將其用到各自領域里面是非常輕松的一件事，包括但不限于：大跨度斜拉，懸索橋的車橋耦合，地震，風等。
【車-橋耦合】方法一
鋼軌與橋梁均采用梁單元建模，扣件間距設置為0.6m，實際橋跨支撐距離設置為30m（為方便建模所設，不必學此，學方法即可），在SIMPACK中采用類魚骨法進行軌-橋耦合搭接。話不多說，上才藝：
橫向響應
垂向響應
視頻中，為何鋼軌看起來變形很大，那是為了讓大家看清楚而設置了變形放大系數所致。為什么鋼軌變形動畫看起來像“我的世界”的像素風，那是由于本模型在不影響結果的情況下采用了粗的主節點集進行計算，以追求效率的極致體驗。該模型分分鐘跑出來，優勢顯而易見，遠遠超越了同模型的MATLAB自編程，或ansys移動荷載或abaqus移動荷載的計算效率。
【車-橋耦合】方法二
鋼軌采用梁單元建模，橋梁采用實體單元精細化建模，扣件間距設置為0.6m，實際橋跨支撐距離設置為30m（為方便建模所設，不必學此，學方法即可），在SIMPACK中采用一體式耦合搭接技術。話繼續不多說，上才藝：
注：左下兩幅為位移響應，右下兩幅為加速度響應。
視頻中，該模型由于內部網格節點數增多，其效率相比于方法一當然是下滑，但一組計算時間大約在10-20分鐘左右，實屬車橋耦合的可接受范圍之內。
展開 【案例】ANSYS動荷載過三跨簡支梁橋
本案例模擬的是移動荷載施加在鋼軌上，求解鋼軌、軌道板、橋梁的動力學相關參數指標。
模型效果展示如下：
所采用的建模方式為純APDL搭建
鋼軌考慮為梁單元，軌道板考慮為板單元，橋梁考慮為實體單元。
此案例為通用案例，旨在讓大家學習后可以自由發揮到各自的模型中，或者給大家提供建模計算方法，便于各位各自到其領域中發揮各自所長
接下來進行鋼軌、軌道板、橋梁動力學指標的效果展示
鋼軌、軌道板、橋梁的位移都是絕對位移！
如有需求，請咨詢：
