钢轨横移和轨下胶垫刚度对扣件弹条应力的影响

选用福斯罗扣件弹条为研究对象,基于非线性接触理论,建立扣件系统有限元模型,确定弹条在安装状态下的危险区域,研究钢轨横移和轨下胶垫刚度对弹条危险区域的影响,并与现场弹条破坏位置对比。结果表明:弹条在安装完成后,弹条危险区域出现在弹条后端圆弧内侧的表层,弯曲和扭转起主要作用;随着钢轨横向位移和轨下胶垫刚度的变化,两侧扣件弹条最大等效应力和扣压力均发生明显变化。     

ω型扣件弹条的非线性力学行为

以Vossloh300-1型扣件系统中的ω型SKL15弹条为研究对象,采用有限元软件建立扣件系统仿真模型,在3种材料属性(线弹性模型、双线性模型、拉伸试验获取的弹塑性模型)和2种接触属性(绑定约束、非线性接触)下对弹条的力学行为进行模拟,通过疲劳试验验证模型的有效性,并研究了弹条材料属性以及弹条与嵌入块的接触属性对弹条非线性力学行为的影响.结果表明:在弹条与嵌入块的接触属性为非线性接触以及弹条本构模型为弹塑性模型的条件下,采用有限元模拟得到的弹条跟端最大主应变方向及最大主应变与试验结果相吻合,二者的相对误差分别为5％和3.4％,有限元模型有效.采用非线性接触以及弹塑性本构模型定义弹条材料得出的弹条力学行为与实际情况较接近.     

地铁弹条Ⅲ型扣件铁垫板端部圆角优化分析

基于非线性接触理论,建立了地铁弹条Ⅲ型扣件系统有限元模型。计算了弹条扣压力与弹程之间的关系,分析了Ⅲ型弹条插入铁垫板插孔不同长度下的弹条应力,研究了铁垫板端部插孔圆角半径对扣压力和应力的影响,基于数值结果,优化了铁垫板端部插孔圆角半径。结果表明:弹条插入铁垫板插孔的长度对弹条与铁垫板插孔间的接触状态影响明显;弹条应力集中区域出现在与铁垫板端部接触的弹条后端圆弧内侧表面;将铁垫板圆角半径改为8 mm,可以明显减小该区域的应力值。     

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。     

轮对-轨道系统波磨预测模型的建立及预测分析

基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,通过轨下垫板等效替代扣件系统,建立轮轴之间采用过盈配合的轮对-轨道系统的有限元预测模型,采用复特征值分析法预测轮轨系统的摩擦自激振动。通过对比所建模型和采用弹簧阻尼对模拟扣件的模型之间的差异,发现所建模型在预测效果上更接近现场测试结果。通过控制变量法研究摩擦因数、轨下垫片等效弹性模量对波磨预测结果的影响。仿真结果表明：摩擦因数在0.2～0.6范围内时,随着摩擦因数的增大波磨发生的可能性会增加;扣件垂向刚度在50～90 MN/m范围内时,随着扣件刚度的增大即轨下垫板等效弹性模量的增大,系统发生不稳定振动的可能性会降低。仿真预测与实验结果一致,进一步验证了模型的有效性。     

地铁浮轨式减振扣件轨道的轮轨接触有限元分析

为了探究浮轨式减振扣件轨道存在的短波长钢轨波磨问题,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨静态接触的数值模型,探讨轨道扣件系统垂向刚度和支撑方式对轮轨接触时接触斑、接触压力和钢轨位移等接触参数的影响。结果表明:轨下结构(扣件实体、轨道板等)对浮轨式减振扣件轨道的轮轨静态接触参数影响很小;采用轨腰支撑的浮轨式减振扣件的最大接触压力大于DTVI2型扣件,接触面积小于DTVI2型扣件;浮轨式减振扣件轨道钢轨垂向位移为与DTVI2型扣件的5倍左右,横向位移比DTVI2型扣件轨道小5.2%～13.2%,钢轨翻转角比DTVI2型扣件大146.3%～206.1%;浮轨式减振扣件的垂向刚度对轮轨接触压力分布、接触面积、钢轨横向位移及钢轨翻转角基本没有影响,而对钢轨垂向位移影响较大,垂向刚度越大钢轨垂向位移越小。浮轨式减振扣件较大的钢轨垂向位移及翻转角,降低了轮轨接触的稳定性,易导致波动的轮轨力,萌生钢轨波磨现象,因而需改进该类型扣件的设计,以降低钢轨翻转角。     

车辆轨道关键参数对高速铁路钢轨波磨发展的影响

基于轮轨垂向动力学、轮轨滚动接触理论以及磨耗理论建立高速铁路无砟轨道钢轨波磨发展的理论计算模型,并发展出相应的数值仿真方法。其中轮轨垂向动力学模型包含高速车辆和高速铁路无砟轨道模型;采用Hertz接触理论和Carter二维轮轨接触理论计算轮轨切向力;利用摩擦功磨耗模型计算钢轨表面的磨耗。利用数值仿真再现了高速铁路钢轨波磨的演化过程,以此来研究车辆一系悬挂刚度以及悬挂阻尼,轨道扣件刚度、扣件阻尼以及钢轨硬度对高速铁路钢轨波磨发展的影响规律。结果表明:文中模拟所得的钢轨波磨波长特征与高速铁路上的波磨调查结果相符;较小的车辆一系悬挂刚度,适当的一系悬挂阻尼和扣件刚度,以及较大的扣件阻尼和钢轨硬度有利于抑制高速铁路钢轨波磨的发展。     

高速铁路扣件系统高频动态特性研究

为了探究高速无砟轨道扣件系统在低温和高频条件下的动刚度特性，以我国现有的WJ-7B及WJ-8B两款扣件为研究对象，首先提出一种确定扣件系统整体动刚度的测试方法和理论模型，其次建立两款扣件的有限元模型并利用试验结果对有限元模型进行验证，最后利用所建立的有限元模型对扣件整体的动刚度特性及弹条对整体动刚度的影响进行了仿真分析。结果表明，WJ-7B扣件的动刚度受频率影响较大，950 Hz处的动刚度比100 Hz时增加了15～19倍；WJ-8B扣件的动刚度则更受温度的影响，-50℃时的动刚度比10℃时最大增加了23倍；WJ-8B扣件的动刚度在铁垫板与弹性垫板所组成的质量-弹簧系统的共振频率处比弹性垫板的动刚度大为降低，而WJ-7B扣件的整体动刚度则更接近于弹性垫板的动刚度；弹条安装弹程对扣件整体高频动刚度的影响则较小。     

山地地铁小半径曲线路段车辆/轨道参数对钢轨波磨的影响

针对山地地铁小半径曲线轨道钢轨波磨频发问题,根据现场调研建立车辆-轨道系统的动力学模型,探究车辆通过小半径曲线时轮轨间的接触特性。根据动力学分析结果建立半车车体-转向架-轨道系统的有限元模型,采用复特征值分析法研究半车车体-转向架-轨道系统摩擦自激振动特性,并研究车辆悬挂参数和轨道扣件参数对整体系统摩擦自激振动的影响规律。采用神经网络结合遗传算法对影响整体系统摩擦自激振动的关键参数进行多参数拟合,并求得车辆/轨道结构关键参数的优化解。结果表明：小半径曲线路段轮轨间的饱和蠕滑力导致半车车体-转向架-轨道系统的摩擦自激振动,从而引起钢轨波磨;车辆结构参数中一系悬挂横向刚度以及轨道结构参数中扣件垂向刚度、扣件横向刚度、扣件垂向阻尼对整个系统的摩擦自激振动具有明显影响。设置一系悬挂横向刚度为5.34 MN/m,扣件垂向刚度为25.45 MN/m,扣件横向刚度为6.9 MN/m,扣件垂向阻尼为6.06 kN·s/m时,能够有效抑制山地地铁小半径曲线轨道上钢轨波磨的产生。     

地铁线路先锋扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响

基于轮轨摩擦自激振动诱发钢轨波磨的观点,研究地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响。根据现场调研建立车辆-轨道的多体动力学模型,验证列车通过地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道时轮轨间的蠕滑力饱和情况;基于动力学模型建立相应的导向轮对-钢轨有限元模型,利用复特征值法分析轮轨系统的摩擦自激振动特性。预测得到的轮轨系统不稳定振动频率与诱导钢轨波磨的振动频率相符,验证了建立的导向轮对-钢轨有限元模型的正确性。利用控制变量法研究扣件结构参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律,发现轮轨摩擦自激振动发生的可能性随着扣件垂向刚度的增大而轻微增加,随着垂向阻尼的增大而明显降低;随着扣件横向刚度和横向阻尼的增大,轮轨摩擦自激振动发生的可能性降低。因此,增大先锋扣件垂向阻尼、横向刚度和横向阻尼,有助于抑制地铁线路先锋扣件支撑曲线轨道的波磨。     

Effects of insulated rail joint on the wheel/rail contact stresses under the condition of partial slip

The effect of insulated rail joint (IRJ) on the wheel–rail normal and tangential contact stress distribution is studied using the finite element method. In this investigation, contact elements are used to simulate the interaction between wheel and rail. Numerical simulations are used to explore the effects of contact distances and materials of IRJ on the contact stress and the maximum shear stress distributions. Numerical results show that the presence of IRJ might significantly affect the wheel–rail contact stress distributions. The results also indicate that Carter's theory is no longer effective in predicting the tangential stress distribution of the wheel–rail contact near an IRJ. The tangential stress causes the location of maximum shear stress shifted toward the rail surface as the wheel–rail contact point moves closer to the IRJ. The maximum shear stress value is more sensitive to a braked force than to a tractive force as the wheel–rail contact point is within the IRJ region.     

Modelling of dynamic contact length in rail grinding process

Rails endure frequent dynamic loads from the passing trains for supporting trains and guiding wheels. The accumulated stress concentrations will cause the plastic deformation of rail towards generating corrugations, contact fatigue cracks and also other defects, resulting in more dangerous status even the derailment risks. So the rail grinding technology has been invented with rotating grinding stones pressed on the rail with defects removal. Such rail grinding works are directed by experiences rather than scientifically guidance, lacking of flexible and scientific operating methods. With grinding control unit holding the grinding stones, the rail grinding process has the characteristics not only the surface grinding but also the running railway vehicles. First of all, it’s important to analyze the contact length between the grinding stone and the rail, because the contact length is a critical parameter to measure the grinding capabilities of stones. Moreover, it’s needed to build up models of railway vehicle unit bonded with the grinding stone to represent the rail grinding car. Therefore the theoretical model for contact length is developed based on the geometrical analysis. And the calculating models are improved considering the grinding car’s dynamic behaviors during the grinding process. Eventually, results are obtained based on the models by taking both the operation parameters and the structure parameters into the calculation, which are suitable for revealing the process of rail grinding by combining the grinding mechanism and the railway vehicle systems.     

冲角对低地板车辆轮轨接触状况的影响

针对城市轨道交通中低地板车辆车轮经常出现的轮缘严重磨耗现象,研究其轮轨接触状况,由于城市轨道交通中小半径曲线较多,存在较大的冲角,为研究冲角对轮轨接触状况的影响,利用轮轨型面测量仪测量运用中的70%低地板车辆车轮与钢轨型面,建立具有不同冲角的车轮与钢轨接触模型,在横向力与牵引力矩作用下应用非线性有限元法进行弹塑性接触计算,分析不同工况下的等效应力及接触斑的变化规律,研究冲角、横向力与牵引力矩对钢轨接触状况的影响。通过计算分析得出以下结论：具有不同冲角的轮轨接触斑形状几乎相同,踏面接触斑近似矩形,轮缘接触斑相对狭长,容易造成轮缘磨耗;冲角增大,轮缘接触斑相对踏面接触斑的超前值增大;随着冲角的增大,轮轨最大等效应力逐渐增大,磨耗功率增大,故在轮轨型面匹配和车辆结构设计中应尽量将轮轨冲角控制在1°以内。     

考虑摩擦因数与滑动速度相关时的轮轨滚动接触有限元分析

使用与滑动速度相关的摩擦因数替代库伦摩擦定律中的常系数,结合mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,分析牵引力主导的蠕滑工况下的干燥状态的轮轨滚动接触特性。通过与摩擦因数取值为常数的轮轨滚动接触分析结果对比发现:与滑动速度相关的摩擦因数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响不大,均在1%以内;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大,特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%;更需要引起注意的是对轮轨滚动接触摩擦力矢量分布和切向塑性应变分布影响明显,这对轮轨滚动接触疲劳损伤分析非常重要。     

曲线半径及轴重对轮轨摩擦功影响的研究

基于非Hertz滚动接触理论利用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,轴重和曲线半径对轮轨接触质点间等效应力、接触斑粘滑区的分布、总滑动量和摩擦功的影响。分析计算表明,轴重增加引起轮轨接触质点间等效应力,接触质点间粘滑区的面积以及总滑动量的变化,同时对轮轨接触质点阍的摩擦功的变化有重要影响;小曲线半径处轮轨接触质点间的总滑动量,接触斑滑移区的面积以及摩擦功都明显增大,导致曲线上钢轨磨损加剧。因此曲线半径和轴重是影响轮轨滚动接触磨损的重要因素。     

An investigation into the effect of train curving on wear and contact stresses of wheel and rail

Some important papers concerning the studies on rail wear and wheel/rail contact stresses are briefly reviewed. The present paper utilizes a numerical method to analyze the effect of railway vehicle curving on the wear and contact stresses of wheel/rail. The numerical method considers a combination of Kalker's non-Hertzian rolling contact theory, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics model of the vehicle/track. In the analysis, the important factors influencing on the wear and the contact stresses are, respectively, the curving speed, the curved track super-elevation and the rail cant. Compared to the present model, some concerned models and results in the published papers are in detail discussed. Through the detailed numerical analysis, it is found that the difference between the normal loads of the left and right of the wheelset increases linearly with increasing the vehicle curving speed. The material wear volume per length along the rail running surface has a tendency to grow. However, the variation of the maximum normal contact stress has a large fluctuation as the curving speed increases. The increase of the maximum contact stress depends greatly on not only the normal load but also the profiles of the wheel/rail. Increasing the track super elevation efficiently lowers the normal load difference of the left and right of the front wheelset, and the contact stresses and the wear. The rail cant has a great influence on the low rail wear of the curve track. An increase in rail cant results in a great increase in the low rail wear of the curved track, and a decrease in the outside rail wear. These conclusions are very useful in the maintenance of the track.     

轿车侧装饰条设计及失效分析

轿车侧装饰条的作用是在开车门或碰到障碍物时,用以保护车门的其他部分免于擦伤。按照其与钣金配合方式不同,分为卡扣卡接、胶带粘接、胶带和定位销以及卡扣胶带连接四种,对四种配合方式进行了详细的描述和分析,并对常见的配合失效模式加以阐述。     

An analytical and experimental investigation of rail fastening systems in travelling cranes

The clamping effect of rail fastening systems in a travelling crane is studied by theoretical and experimental techniques. For the theoretical model, a model of a unit rail length with a pair of rail fasteners is first considered. The model was idealized to an equivalent spring system composed of many spring elements, and the stiffness constant was formulated. By using this model and the theory of a beam-on-an elastic foundation, the dynamical behavior of the practical rail model with many pairs of rail fasteners was theoretically analyzed. From the results, the changes of the clamping forces in the joint bolts and the rail displacements were obtained and were compared with the experimental values.     

轮轨配合对重载货车轮轨磨耗的影响*

在中国既有线路的参数设置下,建立标准LM车轮与R60轨和R75轨配合时的轮轨接触和磨耗模型,对比研究不同轮轨配合时的磨耗性能。计算表明R75轨轮轨接触点集中分布在轨侧、轨头和轨顶三个区域,接触线不连续。在当轮对横移小于3 mm时,两种钢轨滚动圆半径差和接触角差基本一致,轮对横移大于3 mm时,R75轨的滚动圆半径差和接触角差稍小。R75轨与LM车轮配合时,在车轮踏面和轮缘、钢轨轨顶和轨角两段圆弧的过渡段的接触斑面积和应力变化剧烈。车辆在直线上运行时,R75轨的轮轨磨耗将增大数倍,动态通过800 m半径曲线时,外轨磨耗增大约45%。轮轨配合的理论分析表明R75轨不适应我国重载运输,采用提高强度的R60轨更符合我国重载铁路的实际情况。