横移量、摇头角对轮轨滚动接触行为的影响研究

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,横移量和摇头角对轮轨接触质点间蠕滑力、接触斑粘滑区的分布、等效应力的影响.通过数值计算表明:横移量、摇头角的变化对轮轨滚动接触行为的影响是同时存在并且相互影响的.随着横移量的增加,接触斑的滑动区逐渐增大,粘着区面积逐渐减小,横向移动分量逐渐增大,最大应力值逐渐减小;随着摇头角的增大,接触斑上滑移区面积和最大剪应力和等效应力值均逐渐增大,直至接触斑处于全滑动状态,当轮轨接触斑上的切向力达到饱和时,摇头角对接轮轨接触斑上的蠕滑力、粘滑区分布和应力分布没有影响,计算结果对研究轮轨滚动接触疲劳提供一定的参考价值.     

钢轨滚动接触磨损研究

利用三维非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了不同轴重下轮轨滚动接触斑上应力、摩擦功等参数的变化.通过JD-1轮轨模拟试验机研究了轴重对钢轨材料磨损性能的影响,分析了磨痕形貌的变化情况.数值计算及试验结果表明:轴重和曲线半径是影响钢轨滚动接触磨损的重要因素;轮轨摩擦功的变化与钢轨磨损量的变化之间存在一定线性对应关系.     

轨道结构参数对轮轨滚动接触应力影响

利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT,并借助于弹性力学中的Bossinesq-Cerruti力1位移公式和Gauss数值积分方法,分析JM3型踏面轮对沿曲线轨道滚动接触时轨底坡、轨距和曲线半径等轨道参数对轮轨滚动接触斑最大切应力、等效应力、正压力和磨耗数的影响.数值结果表明,当内外轨底坡为1/20时,轮轨接触斑的应力、磨耗数及正压力分布达到最小值,其中最大切应力与等效应力可分别降低40.15%、39.37%;现行使用1/40轨底坡情况下轮轨接触斑正压力较大,建议对磨耗型车轮踏面进行优化设计.适当增加轨距能达到降低轮轨最大切应力、等效应力和正压力的效果.曲线工况下接触斑正压力值显著增加,曲线半径能改变轮轨接触斑粘滑区的分布且减小曲线半径值会增加接触斑的总滑动量,从而导致轮轨磨耗数的显著增加.     

制动时低黏着区处轮轨瞬态滚动接触行为分析

建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,于时域内分析制动车轮通过长度1m以下的短低黏着区时的瞬态滚动接触行为。模型采用了面面接触算法求解轮轨间滚动接触,考虑了轮轨真实三维几何和材料非线性。着重分析了低黏着区附近的轮轨力、应力、粘滑分布和摩擦功分布等的瞬态变化,结果显示:车轮进入低黏着区时,轮轨接触斑尺寸基本不变,但蠕滑力、接触斑内黏着区面积和摩擦功均显著降低,蠕滑率上升;待离开低黏着区并重新进入正常黏着钢轨后,显著升高的蠕滑率会使得蠕滑力和摩擦功显著高于滚入低黏着区之前的水平;低黏着区越长,发生磨损的可能性和严重程度越大;牵引与制动工况相比,蠕滑力/率方向相反,但黏着区的影响规律基本相同。     

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。     

速率变化对轮轨滚动接触蠕滑特性的影响

从研究影响轮轨滚动接触几何关系的机制出发,利用数值计算方法分析横移量和摇头角变化速率对轮轨接触质点间蠕滑力/率、接触斑黏滑区的分布等的影响。分析结果表明:横移量、摇头角的变化速率对轮轨滚动接触蠕滑特性具有重要的影响具有重要的影响;随着横移量变化速率的增加,轮轨接触斑间的横向蠕滑力/率、蠕滑力密度等增大,同时滑动区逐渐增大,黏着区面积逐渐减小,因此当列车在加速过程中要适当考虑增黏措施;随着摇头角的变化速率的增大,轮轨接触斑间的纵向蠕滑力/率、蠕滑力密度等增大,而横向蠕滑力/率、蠕滑力密度等减小,接触斑上滑移区面积逐渐增大,直至接触斑切向力达到饱和处于全滑动状态。     

HXD3D机车轮轨滚动接触有限元仿真

为了研究兰州局HX_D3D型机车在兰新线、兰青线高寒高原复杂线路上运行时出现的剥离、粘连、车轮不圆等问题，利用瞬态三维有限元方法进行了轮轨静态接触和轮轨滚动接触分析，揭示了车轮横移量、轴重等因素对轮轨滚动接触部位、轮轨接触等效应力的影响规律。计算结果表明：接触面积随横移量的变化曲线与接触斑横向长度随横移量的变化曲线有相同的变化规律，当轴重在一定基础上继续增加时，车轮踏面内外应力增长速度较慢，接触面积的增长速度较快。轮轨滚动过程中，随着轴重载荷的增加，车轮整体范围内所受等效应力随之增加且有明显的变化，钢轨所受等效应力变化很小。研究结果为减少镟修成本和保障机车安全运行提供了可靠的理论依据。     

轮轨粘着面积的数值研究

利用非Hertz滚动接触理论,应用数值方法CONTACT,分别计算了我国列车常用的两种车轮踏面(磨耗型和锥形)在列车静态接触情况下曲线半径、横移量和轮对摇头角对接触斑总面积和粘/滑区占接触斑总面积比重的影响.经过计算分析表明:在各种工况下,锥形踏面的接触斑总面积都大于相应磨耗型的,随着钢轨曲线半径的增大,接触斑面积无变化,粘着系数增大,接触斑中粘着区所占面积比重减小;当横移量增大到10 mm时,接触斑面积骤减,粘着占总面积比重亦骤减,进入全滑动区,出现爬轨;随着轮对摇头角的变化,接触斑面积几乎无变化,当轮对摇头角大于0.4°时,接触斑处于全滑动状态,粘着占总面积比重骤减.     

高速机车单轮对牵引力矩数值分析

用数值分析方法计算了高速机车轮对和轨道之间的粘着力,确定了轮对的牵引力矩随机车的运行速度、轮对相对轨道的位置和轮轨之间滑差的变化情况。数值分析中改进了Kalker三维弹性体滚动接触理论模型,并考虑到接触斑质点对之间相对滑动速度对摩擦因数的影响。数值结果对高速机车轮对粘滑控制提供了重要数据。     

轨底坡对轮轨滚动接触行为的影响

为了探讨轨底坡与轮轨滚动接触行为的内在联系,针对高速客运专线轮轨接触状况,即轮对踏面为LMA和钢轨为国产CN60,利用改进的三维接触几何程序、Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论及其CONTACT数值程序,分析比较轨底坡对轮轨接触几何参数、接触斑形状、接触斑滑动量、摩擦功、接触应力等的影响.通过分析计算可得,轨底坡对轮轨滚动接触行为有很大影响.尤其当轮对相对轨道横移在6 mm～9 mm范围内变化时,随着轨底坡从1/20到1/40的逐渐减小,轮对左右轮滚动半径差和等效锥度增大,这说明在1/40轨底坡下,轮对恢复对中的能力更好,更有利于曲线通过.1/40轨底坡对应的最大正压力、等效应力等较小,其对应的摩擦功较大.1/20轨底坡的情况刚好相反.综合考虑各种因素,对于LMA-CN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20轨底坡的接触状态更好.数值结果为轨底坡的设计提供重要的参考依据.     

车速变化对钢轨磨损影响的数值计算与实验研究

用数值计算方法分析静态接触情况下,轮轨接触质点间蠕滑力、黏滑区的分布随横移量和摇头角变化速率的变化,利用模拟试验研究有制动力作用下车速对钢轨试样磨损特性的影响。结果表明:有制动力影响时钢轨磨损量随车速的增大呈非线性减小,在车速小于160 km/h时,钢轨磨损量随车速增加急剧减小,但是当车速超过200 km/h之后,磨损量随车速的增大而下降的趋势相对比较平缓;随着摇头角变化速率和横移量变化速率的增大,轮轨接触斑中最大滑动量逐渐减小,滑移区的面积减小,而黏着区的面积增大。     

钢轨滚动磨损性能试验研究

在JD-1型轮轨摩擦试验机上研究了轴重与曲线半径对钢轨滚动磨损性能的影响。结果表明：轴重与曲线半径是影响钢轨磨损的主要因素。试样磨损量随着载荷的增加而增加，也随着曲线半径的减小而增加；试样表面磨损形貌随着载荷与曲线半径的改变而表现出不同的变化，其中大载荷和小曲线半径试验使钢轨试样磨损程度严重，表面容易产生较明显的塑性形变以及龟裂现象；制动力条件下滚动试样磨损更为严重。     

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。     

基于BP神经网络的钢轨磨损量预测

随着列车运行速度和轴重的提高,轮轨系统的磨损越来越严重,其中曲线半径、轴重和运行速度是影响轮轨磨损的重要因素。建立了钢轨磨损量影响规律的径向BP基函数神经网络模型,该网络具有3路输入,3个神经层;在JD-1大型轮轨模拟试验机上通过改变试验参数进行钢轨磨损试验,获得不同试验参数下的钢轨磨损量;以钢轨磨损数据作为BP神经网络的目标样本,对不同试验参数下的磨损量进行了预测。结果表明,模型可较准确地计算轮轨冲角和速度对钢轨磨损量的影响规律,利用BP神经网络对钢轨磨损量预测具有较高的精度,可在一定程度上验证试验结果。     

基于摩擦温升效应的地铁车轮磨耗特性研究

踏面制动引起车轮温度急剧上升,影响车轮材料性能和轮轨接触状态,加剧车轮磨耗。基于Archard磨耗模型,建立一个考虑摩擦温升效应的地铁车轮磨耗预测模型。模型中根据车轮材料属性与温度之间的关系,考虑摩擦温升对接触斑大小、黏滑区划分和磨耗深度的影响,可实现对高温下的车轮磨耗特性的研究。相对以往的车轮磨耗预测模型,该模型能反映温度对磨耗影响的物理本质,适合研究轮轨接触界面有较大温度(如踏面制动)时的车轮磨耗演化机理。用所建立的车轮磨耗数值预测模型,计算对比不同温度下的轮轨接触状态和车轮磨耗深度。结果表明,轮轨接触斑和滑动区面积随温度的升高而增加;温度升高使接触斑单元磨耗深度增加,当踏面温度从常温25℃增加到最高温度300℃时,最大磨耗深度0.4 nm,增幅为28.4%;车轮转动一圈后,其径向磨耗深度也随温度的升高而明显增加,最大径向磨耗深度15 nm,增幅为28.2%,同时,车轮横向位置的磨耗范围增加5.8%,为踏面制动形式的地铁车轮磨耗预测研究提供更加准确的理论模型。     

ANALYSIS OF THERMAL-ELASTIC STRESS OF WHEEL-RAIL IN ROLLING-SLIDING CONTACT

A coupling thermo-mechanical model of wheel/rail in rolling-sliding contact is put forward using finite element method. The normal contact pressure is idealized as the Hertzian distribution, and the tangential force presented by Carter is used. In order to obtain thermal-elastic stress, the ther-mal-elastic plane stress problem is transformed to an elastic plane stress problem with equivalent fictitious thermal body force and fictitious boundary distributed force. The temperature rise and ther-mal-elastic stress of wheel and rail in rolling-sliding are analyzed. The non-steady state heat transfer between the contact surfaces of wheel and rail, heat-convection and radiation between the wheel/rail and the ambient are taken into consideration. The influences of the wheel rolling speed and wear rate on friction temperature and thermal-elastic stress are investigated. The results show the following: ① For rolling-sliding case, the thermal stress in the thin layer near the contact patch due to the friction temperature rise is severe. The higher rolling speed leads to the lower friction temperature rise and thermal stress in the wheel; ② For sliding case, the friction temperature and thermal stress of the wheel rise quickly in the initial sliding stage, and then get into a steady state gradually. The expansion of the contact patch, due to material wear, can affect the friction temperature rise and the thermal stress during wear process. The higher wear rate generates lower stress. The results can help under-stand the influence of friction temperature and thermal-elastic stress on wheel and rail damage.     

GA-BP网络在钢轨磨损量预测中的应用

基于GA算法及BP神经网络优点,将GA算法优化的BP网络应用于钢轨磨损量预测。通过赫兹模拟试验方法,在JD-1轮轨模拟试验机上获得不同曲线半径、轴重、运行速度工况下对应的钢轨磨损量,即神经网络所需样本,建立GA算法优化三层BP神经网络,对钢轨磨损量进行预测。结果表明:GA算法优化的BP神经网络对钢轨磨损量具有良好的预测性能,较好地反映了曲线半径、轴重、运行速度对钢轨磨损量的影响规律。     

Translohr有轨电车导向轨轮接触模型研究*

基于调研上海张江Translohr有轨电车线路导向轨磨耗的基础上,推断出导向轮与导向轨的两种稳定的接触状态：两导向轮的踏面与倒V形导向轨的两个顶面接触,以及一侧导向轮轮缘与导向轨一侧轨腰接触状态。在忽略接触点位置变化的前提下,提出导向轮与导向轨之间的接触关系可简化为四点单边弹簧的等效力学模型。在Matlab/Simulink环境中建立Translohr有轨电车的动力学模型,其中动力走行部模型中引入Dummy体以简化空间四连杆的导向机构。仿真计算Translohr有轨电车在不同半径曲线上的轮轨接触状态,并实际测量了Translohr有轨电车在上海张江线路的轮轨导向力。仿真结果说明在40 m半径曲线上处于导向轮踏面与导向轨顶面接触接触状态,在25 m半径的曲线上出现一侧导向轮踏面和轮缘接触状态。仿真得到的轮轨导向力数值与实际测量结果具有较好的一致性。建立的导向轮轨模型可用来研究Translohr有轨电车导向轨侧磨产生的条件和影响因素。