高速铁路轮/轨材料匹配性能研究

在研究高速铁路钢轨/车轮材料时,提高钢轨或车轮材料硬度可减少磨损,但单方面提高钢轨或车轮材料硬度,会导致与之配合的车轮或钢轨损伤更为严重,因此研究轮轨的匹配问题十分重要。研究根据赫兹接触理论,在MMS-2A磨损试验机上模拟不同钢轨和车轮匹配时的服役过程,并采用扫描电镜观察磨损表面,分析不同材料轮轨匹配服役后的损伤情况。结果表明:随着钢轨材料的含碳量增加,其磨损量下降,但与其相配的车轮的磨损量却随之增加;随着模拟轮轨硬度比的增加,摩擦副的总磨损量呈上升趋势。因此,为了取得摩擦副整体优良的使用性能,应该选择适当的钢轨钢和车轮钢,以达到轮轨之间最佳的硬度匹配。     

扣件参数对轮轨滑动接触热弹塑性的影响分析

利用有限元软件ANSYS建立热机直接耦合作用下的轮轨滑动接触热弹塑性有限元模型。采用与温度相关的变摩擦因数和材料参数,运用热机直接耦合法,考虑轮轨间非稳态热传导及轮轨与环境间热对流和热辐射的影响,考虑扣件系统对轮轨接触的影响,分析了不同扣件垂向刚度和扣件间距对钢轨受力和变形的影响。结果表明:轮轨接触斑附近钢轨的最大等效应力和弹性应变出现在钢轨接触表面上;在车轮滑过区域,钢轨最大等效应力和弹性应变发生在钢轨次表面上;钢轨的等效应力、最大变形和车轮垂向加速度在扣件垂向刚度为50 k N/mm时最小;从钢轨的应力、应变、变形和温升方面考虑,扣件间距在0.6~0.725 m间取值均较合理,车轮垂向加速度在扣件间距为0.6 m时最小。     

钢轨脱碳层对轮轨瞬态滚动接触行为的影响分析

采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型,将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆—轨道高频动力作用充分考虑在内,采用"面-面"接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为,得到了随时间变化的法、切向接触解。对比发现,屈服应力较低的脱碳层会增大钢轨表层的塑性变形,使得轮轨接触斑和黏着区增大,而最大法、切向接触应力和摩擦功相应降低;厚度有限(一般小于1 mm)的脱碳层对接触斑形状与尺寸的影响可忽略,但对接触应力、黏滑分布和摩擦功的影响不可忽略。脱碳层增厚会加大表面数层单元的总塑性变形,但第一层单元的塑性变形会因变形的再分布而稍稍变小。脱碳层的纵向不连续会使轮轨力、接触应力均在边界上呈现重要变化,车轮由带实测脱碳层钢轨滚入无脱碳层钢轨时,法、切向轮轨力会出现幅值分别为0.32和1.14 kN的动态力,相应的最大法、切向接触应力和摩擦功较脱碳层钢轨上的稳态值分别增加4.42%、19.71%和83.19%。某些条件下,这些突变或可引发不均匀磨耗,进而导致原本平顺的轨面上出现几何不平顺。     

混运模式下钢轨打磨廓形对客货车车轮磨耗的影响

针对当前铁路既有线通常采用客货混运模式的现状,以LM踏面客货车车轮分别与CHN60钢轨和打磨后钢轨进行匹配,分析不同匹配下的轮轨接触几何关系;考虑材料弹塑性以及车轮的惯性力,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立三维轮轨滚动接触有限元模型;基于2种不同的磨耗模型,研究混运模式下钢轨打磨对客货车车轮磨耗的影响。结果表明:钢轨打磨使得客货车的轮轨接触几何关系发生改变,打磨后的钢轨与客车车轮接触Mises应力减小,而与货车车轮接触Mises应力变化不大;同一钢轨分别与客货车车轮接触时,货车车轮的磨耗比客车车轮磨耗大;钢轨的打磨会降低轮轨接触斑内的牵引力从而降低车轮磨耗,这对于延长轮轨的使用寿命非常有利。     

混运模式下钢轨打磨廓形对客货车车轮磨耗的影响研究

针对当前铁路既有线通常采用客货混运模式的现状,以LM踏面客货车车轮分别与CHN60钢轨和打磨后钢轨进行匹配,分析不同匹配下的轮轨接触几何关系;考虑材料弹塑性以及车轮的惯性力,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立三维轮轨滚动接触有限元模型;基于2种不同的磨耗模型,研究混运模式下钢轨打磨对客货车车轮磨耗的影响。结果表明：钢轨打磨使得客货车的轮轨接触几何关系发生改变,打磨后的钢轨与客车车轮接触Mises应力减小,而与货车车轮接触Mises应力变化不大;同一钢轨分别与客货车车轮接触时,货车车轮的磨耗比客车车轮磨耗大;钢轨的打磨会降低轮轨接触斑内的牵引力从而降低车轮磨耗,这对于延长轮轨的使用寿命非常有利。     

基于W-M分形函数的轮轨滑动接触热响应分析

利用W-M分形函数,建立考虑钢轨表面粗糙的二维轮轨弹性接触模型,进而引入温度对材料参数和摩擦系数的影响,采用直接耦合法模拟车轮以1m/s速度沿钢轨滑动45mm,阐明粗糙表面的轮轨滑动接触热响应的特性。利用Hertz理论验证了有限元接触算法的精确性,在此基础上研究了表面廓形影响下的接触应力随分形函数自变量维数D和尺度系数G变化的规律,验证了有限元模型模拟粗糙表面的可靠性。研究结果表明：粗糙表面对轮轨温度场分布特点没有影响,但会引起轮轨表面温度和温升过程的波动;车轮最高温度相差4℃,钢轨最高温度相差10℃,且车轮最高温度更高;车轮和钢轨表面的温度波动受D和G的控制,但影响规律存在差异：钢轨表面温度随D和G的改变线性变化,而车轮表面温度变化未体现类似的线性关系。因此,可借助轮轨表面粗糙度特征对钢轨温度波动进行合理预测。     

考虑车轮材料空洞的高速轮轨接触应力分析

针对高速车辆车轮材料的空洞现象,利用弹塑性有限元方法,建立了车轮材料含有空洞的轮轨接触三维数值模型。模型中采用了非线性的车轮材料本构关系,计算分析了空洞大小、位置和轮重对车轮材料应力应变分布的影响。计算结果表明:轮轨接触作用下,空洞附近车轮材料易出现塑性变形和应力集中现象,且在160°和340°的空洞附近应力和应变值最大;在小于1 mm范围,空洞直径为0.1 mm时车轮材料最易萌生裂纹;当空洞离踏面距离小于15 mm,空洞离踏面距离对车轮疲劳萌生影响明显;随着轮重增加,其空洞附近车轮材料应力应变会随着增大。     

车轮踏面凹形磨耗对轮轨相互作用的影响研究

为了研究踏面凹形磨耗车轮的动力学行为,改进Kik-Piotrowski方法提出一种可考虑轮对摇头和轮轨多点接触的非Hertz接触模型,结合车辆—轨道耦合动力学理论计算具有实测踏面凹形磨耗车轮的CRH2高速动车组在钢轨上运行时的轮轨动态相互作用行为。计算结果表明,改进的Kik-Piotrowski方法可以很好地模拟磨耗车轮与钢轨的多点接触和非Hertz接触行为,轮轨法向力、轮轨蠕滑力以及接触斑形状都与CONTACT计算结果比较接近。对于踏面凹形磨耗的车轮,接触区域分布在车轮磨耗边缘的两个孤立位置,当接触斑从一个区域向另一区域转换时存在瞬时的两点接触。由于两点接触的过渡,接触区域在两个位置转换时造成的冲击效应并不明显。与无磨耗车轮的动力学响应对比,该类车轮踏面凹形磨耗对轮轨力的影响从总体上来说不大,对轮轨横向力的影响略大于对轮轨垂向力的影响,磨耗会增加轮轨垂向力和轮轨横向力的高频成分。     

表面硬化对地铁轮轨磨耗性能影响的实验研究

针对地铁轮轨的表面硬化问题,为了进一步降低轮轨的磨耗,通过对某实际运营线路中的钢轨和两种不同车轮钢的摩擦磨损进行实验研究,探讨了材料表面硬化对轮轨耐磨性的影响规律。首先,采用了赫兹模拟准则,对典型工况下地铁车辆的轮轨接触情况进行了模拟;然后,选取了某地铁线路现役的轮轨材料作为研究对象,并确定了其垂向载荷、运转速度和轮轨试样尺寸等实验参数;最后,采用GPM-60摩擦磨损实验机搭建了测试平台,进行了轮轨接触模拟实验,分析了表面硬化与地铁轮轨磨耗性能之间的规律。研究结果表明：车轮试样的磨耗率随表面硬化程度提高而下降,初始硬度较高的微合金化地铁车轮钢表现出更高的表面硬化程度和更好的耐磨性,相较于CL60钢,其磨耗率可降低35.1%,与其匹配的钢轨磨耗率可提高7.8%,轮轨总磨耗率可降低1.6%;建议在运营初期,对轮轨接触面进行喷丸强化处理,预先提高其表层硬度,以减少轮轨磨合阶段时间和初期磨耗量。     

不同轴重下轮轨损伤特性试验研究

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了不同轴重下轮轨摩擦磨损性能。结果表明:随着轴重的增加,轮轨间的摩擦系数呈增大趋势,且轴重越大,摩擦系数趋于稳定后的波动系数越小,车轮和钢轨的磨损加剧,但轮轨材料硬度值的差异会导致磨损量的增幅差异;轮轨间接触应力的增加,会导致晶体滑移线向材料里层滑移深度增加,塑性变形层加厚;随着轴重的增加,车轮材料的磨损机制由黏着磨损逐渐向疲劳裂纹方向转变,钢轨材料主要变现为疲劳磨损,由疲劳短裂纹向疲劳长裂纹及多层剥落磨损转变。     

切向载荷对钢轨弹塑性滚动接触应力的影响分析

利用建立的钢轨三维弹塑性滚动接触有限元模型,分析车辆通过曲线轨道时轮轨接触表面切向力对钢轨滚动接触应力和应变的影响。结果表明:钢轨材料的累积塑性变形、残余应力和残余应变都随切向力的增大而增大;纵向切向力与法向力之比大于0.3时其对塑性变形、残余应力和残余应变影响明显,钢轨的最大残余应力、最大等效塑性应变和剪应变均发生在钢轨接触表面,裂纹易萌生于接触表面,与现场观察结果相一致。     

切削过程应变率对材料塑性变形的影响研究

材料塑性变形在不同的应变率加载下服从不同的规律,为正确认识应变率对动态变形的影响,以位错运动分析为基础,推导了不同应变率下材料变形的黏性行为规律,通过霍普金森压缩(SHPB)和金属切削实验,获得了从102/s～105/s及以上应变率范围的塑性变形过程,研究了7075铝合金的应变率效应,总结了3个表征应变率效应的参量并提...     

车轮滑动时钢轨热弹塑性有限元分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立轮轨接触热弹塑性平面应变热机耦合有限元模型。模型中,材料本构采用的是双线性塑性模型,考虑轮轨自由表面与环境的热对流的影响和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动。分析车轮滑动时不同摩擦因数和轴重对钢轨温度场和残余应力分布的影响。计算结果表明,钢轨表面最高接触温升发生在接触斑中心后半轴靠近边缘处,温升主要分布在接触表面大约1.6mm的深度范围,钢轨表层最大VonMises等效应力发生在离钢轨表面大约0.2mm的次表面;残余应力应变的影响主要在钢轨表面大约10mm范围内,在钢轨表面考虑热影响时残余应力比不考虑热影响的大;考虑热影响时钢轨表层的温度随摩擦因数和轴重的增大而增大,钢轨表层残余应力也随着摩擦因数的增大而增大,而轴重对钢轨表面残余应力影响不明显,而在次表层影响很大。     

新型CL60钢地铁车轮摩擦磨损试验研究

为了提高地铁车轮的服役性能,对车轮用CL60钢材料中Si、Mn、Cr等元素的质量分数进行重新设计和优化,研发新型CL60钢地铁车轮,通过GPM-60摩擦磨损试验机模拟轮轨磨损试验,研究原CL60钢车轮与新型CL60钢车轮在实验室条件下的磨损特性。基于赫兹模拟准则设计计算了模拟试验采用的轮轨试样尺寸、施加的载荷和转速;通过不同载荷工况下的摩擦磨损试验和轮轨材料微观组织分析,研究2种轮-轨试样的磨损量、磨损率、塑性变形及表面形貌的变化规律及特征,对新型CL60钢车轮的使用性能进行评价。结果表明：与原CL60钢车轮相比,在不同载荷下新型CL60钢车轮试样磨损量、轮-轨试样总磨损量、磨损率及摩擦表面塑性变形层厚度均大大降低,其抗磨损性能和塑性变形能力得到了改善。     

车轮多边形激励下的滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为研究

利用ANSYS/LS-DYNA建立带车轮多边形的三维轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展模型,将真实轮轨间瞬态滚滑和高频动力作用考虑在内,分析车轮多边形和连续钢轨裂纹造成的瞬态接触载荷对钢轨裂纹动态扩展行为的影响。速度250 km/h牵引工况的结果表明:零间隙多裂纹对法向轮轨力的影响甚微,但会造成切向轮轨力不可忽略的波动;车轮多边形会造成法向和切向轮轨力显著的周期性波动,如0. 1 mm波深23阶多边形会使得各裂纹面最大法向和切向接触力较圆顺工况分别增长19. 6%、34. 1%;任一裂纹面内法向和切向接触应力在接触斑滚过的0. 22 ms内发生了复杂的瞬态变化,进一步导致各裂纹的最大裂尖应力场强度因子的周期性波动,影响裂纹动态扩展行为;随着车轮多边形波深和阶数的增加,上述各种波动的幅度均会变大,加速裂纹扩展。     

车轮滑动时钢轨热机耦合有限元分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立了轮轨接触热机耦合分析的热弹性平面应变有限元模型.模型中考虑温度对材料热物理参数的影响.分析了车轮滑动时不同摩擦因数和轴重对钢轨应力场分布的影响.结果表明,最大Von Mises等效应力发生在接触斑后半轴靠近接触区的边缘处,轮轨摩擦热影响区主要分布在接触表面,并随深度的增加其影响越来越小;当温升较大时,热物理参数随温度变化的影响应予以考虑;钢轨表面应力随摩擦因数和轴重增大而增大.     

考虑棘轮效应的高速轮轨粗糙表面法向接触刚度研究

轮轨接触表面状态直接影响轮轨接触刚度,而高速列车轮轨滚动接触过程中,轮轨表层材料产生弹塑性变形,且轮轨接触表面在循环接触载荷作用下,轮轨表层材料塑性变形累积产生棘轮效应,因此,研究高速轮轨法向接触刚度时要考虑棘轮效应。基于Weierstrass-Mandelbrot函数分形理论建立高速轮轨滚动接触粗糙度数值模型,考虑轮轨滚动接触棘轮效应,采用非线性有限元软件ABAQUS建立高速轮轨滚动接触微观有限元模型。数值计算结果表明:接触载荷作用下考虑轮轨弹塑性变形可更为准确分析高速轮轨法向接触刚度;循环接触载荷作用下,钢轨表层材料等效塑性应变随接触载荷循环次数增加先增加后趋于稳定,从而导致轮轨接触刚度也先下降然后趋于稳定;在相同接触载荷循环次数作用下,法向载荷对高速轮轨接触刚度影响明显,而摩擦因数对轮轨法向接触刚度影响较小。     

地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。     

波磨条件下地铁车轮瞬态滚动噪声特性研究

联合应用隐式-显式有限元及边界元方法,分析地铁线路中几种典型钢轨波磨对车轮声辐射的影响。采用Ansys/LSdyna建立有钢轨波磨存在的三维轮轨瞬态滚动接触模型,获得波磨激励下的轮轨接触力。将该轮轨力输入到有限元/边界元振动声辐射模型,进行波磨激励下车轮声辐射分析。结果表明,该模型能够反映波磨对轮轨作用力非线性的影响;钢轨波磨增大了轮轨间作用力,波磨波长越短,波深越深,对轮轨力的影响越大。对于直型辐板车轮,当钢轨波长较长或波深较小时,车轮声辐射主要由径向模态振动声辐射贡献,当钢轨波长较短或波深较大时,车轮振动声辐射在波磨激励频率处贡献较大。     

轮轨综合磨耗下对高速列车动力学性能的影响

高速铁路长时间运营,经常发生车轮多边形磨耗,并伴随钢轨波磨,两种损伤形式对列车运行特性的综合影响有待深入研究。采用简谐函数法建立车轮多边形模型,设计余弦函数描述钢轨不平顺磨耗,建立列车刚柔耦合动力学模型,分析不同车轮多边形及钢轨波磨综合磨耗情况下,列车的动力学性能的影响,并提出轮轨综合磨耗的安全限值。结果表明：在轮轨综合磨耗激扰下对列车的动力学性能的影响更为剧烈;列车运行速度为300 km/h下,轮轨垂向力增长幅值最大达到30%,车轮与25阶振型模态产生共振;车轮多边形比钢轨波磨对垂向力的影响更大;不同多边形阶次、幅值下,轮轨综合磨耗工况对轴箱、轮对以及钢轨垂向振动加速度影响更大。车轮多边形安全限值更小,多边形幅值限值平均降低了25.9%,在轮轨综合磨耗作用下更易超出限值;当速度为300 km/h,提出了钢轨波磨和车轮多边形阶次在一定范围内的安全限值。