轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响

分析计算了锥型踏面轮对沿轨道滚动接触时轮轨接触几何参数和不同运动状态下的轮轨之间的刚性蠕滑率。根据确定的轮轨接触几何参数和轮轨接触界面之间的蠕滑率,利用非Hertz滚动接触理论分析计算了锥型轮对和钢轨滚动接触斑作用力的分布。再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力随轮对运动状态变化情况。数据结果为轮轨强度设计提供了重要的参考依据。     

轮径和轴重对轮轨接触特性的影响

本文基于三维弹性体非Hertz滚动接触理论、CONTACT程序和有限元法,针对LMa车轮踏面与CN60钢轨匹配问题,通过仿真分析不同轮径和轴重的车轮对轮轨蠕滑力、轮轨接触应力和轮轨滚动接触疲劳等的影响。结果表明,在相同轮对横移量和轮径条件下,轴重每增加1t,轮轨蠕滑力平均增加7%～8%,接触斑面积、接触压力和等效应力平均增加2%～3%;在相同轮对横移量和轴重条件下,轮轨接触斑面积随轮径增加而增加,轮轨接触压力、等效应力随轮径增加而降低,但变化幅度均较小。计算结果可为车辆轮径和轴重的选择提供参考依据。     

摩擦调节剂抑制钢轨波磨的机理研究

基于轮轨之间的摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点,论文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕组成的轮轨系统有限元弹性振动摩擦自激振动有限元模型,用ABAQUS软件对该模型的运动稳定性进行了分析,重点研究了轮轨摩擦系数和蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率对轮轨系统摩擦自激振动的影响。计算结果显示,轮轨摩擦系数对轮轨摩擦自激振动有重要影响,当控制摩擦系数 时可以消除钢轨磨耗型波磨,蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率对钢轨波磨有显著影响。     

地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响

对某地铁线路轮轨磨耗进行测试,分析实测型面与CN60钢轨匹配的轮轨接触几何关系,并利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论对轮轨接触力学特性进行分析。利用UM多体动力学软件建立某B型地铁车辆动力学仿真模型,分析轮轨磨耗对车辆动力学性能及轮轨接触损伤特性的影响。结果表明:该线路车轮踏面磨耗较均匀,存在明显轮缘磨耗现象。不同运行里程下实测车轮踏面外形基本相似,导致车轮磨耗对轮轨接触几何关系、轮轨接触力学特性及车辆动力学性能的影响较小。实测轮轨匹配下的动力学性能略有下降。随着运行里程增大磨耗指数变化不大,表明车轮磨耗稳定。车轮磨耗后表面疲劳指数大于标准型面,出现滚动接触疲劳的可能性增大。     

车轮多边形对轮轨静态匹配的影响

摘　要：为了分析车轮多边形对轮轨静态匹配的影响,设定车轮半径在圆周上具有周期性变化,并且考虑车轮横向磨耗的改变,建立多边形车轮空间模型。由于迹线法不适用于多边形车轮,本文在空间车轮模型上搜索与钢轨距离最小点,得到轮轨接触位置和几何参数。采用Hertz接触理论和Polach蠕滑力模型计算轮轨法向应力和蠕滑力,分析多边形车轮对轮轨接触静力学的影响。计算结果显示：多边形车轮的横向磨耗对轮轨静态匹配影响比较微弱,周向磨耗会引起轮轨接触斑和法向应力的周期性变化,影响程度随阶次的增加而增强。     

新型转轨空间动态耦合模型

基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立了新型轮轨空间动态耦合模型。详细研究了充分考虑钢轨横向、垂向和扭转振动以及轨道不平顺作用下,轮轨空间动态接触几何关系、轮轨法向力以及轮轨蠕滑力的求解模型。突破了传统车辆力学中关于轮轨刚性接触和始终接触的假设。最后,与国际著名软件NUCARS的数值仿真比较和与我国线路试验的结果比较表明,本文所建立的新型轮轨耦合关系模型是正确有效的。     

车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响分析

为探究车轮谐波磨耗对轮轨间蠕滑特性的影响,建立了4种不同轮轨关系下的车辆-轨道耦合动力学模型。基于多体动力学理论,以实测车轮谐波磨耗为依据,对比分析了4种模型的轮轨振动特性,得到最能反映真实情况的轮轨关系模型。基于柔性轮轨分析车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响,并进一步探究谐波磨耗下扣件刚度和速度对蠕滑特性的影响。结果表明:柔性轮下的振动响应要高于刚性轮,而刚性轨下的振动响应要大于柔性轨。其发生机理表现为柔性体的固有模态与谐波激励频率相近引发模态共振,使得柔性体的振动响应大于刚性体。对比分析结果表明多柔体更能反映轮轨真实接触状态;车轮谐波磨耗的阶次和幅值对柔性轮轨关系下的蠕滑特性影响显著,整体呈现出随阶次和幅值增大而增大的趋势,且高阶次下,幅值对蠕滑特性的影响更加显著。进一步发现扣件刚度对蠕滑特性的影响与速度呈现相关性,当速度低于250 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响并不显著,但仍呈现出随刚度增大而减小的趋势;当速度高于300 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响比较明显,呈现随刚度增大而增大的趋势。     

高速轮轨瞬态响应特性对弹条伤损的影响

研究高速轮轨瞬态响应特性对SKL15弹条伤损的影响。在现场调查测试阶段,通过DASP软件获取该弹条自由和组装状态下的振动特性;在计算机仿真阶段,通过ABAQUS建立包含列车轮对、CRTS-III型轨道板以及砂浆层的三维实体有限元模型,并利用隐-显式结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动过程,在轮轨近似达到稳态滚动之后施加切向力模拟轮轨纵向蠕滑力达到饱和,使轮对处于滚滑状态,获取轮轨接触面上某节点的垂向加速度时域结果,再对其进行功率谱密度分析,获取其频域特性。通过现场调查测试与计算机仿真得出如下结论:在轮轨系统纵向蠕滑力饱和条件下,轮轨系统在500 Hz和600 Hz附近的不稳定振动可能引发弹条共振造成弹条伤损。     

车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究

某和谐型电力机车车轮运营中表现出较为严重的多边形磨耗,对机车的零部件失效、乘坐舒适性和运行安全性产生较大影响。为研究车轮多边形态下机车轮轨动态响应规律,基于SIMPACK软件建立了考虑机车牵引行为和轮对、钢轨等部件柔性的刚柔耦合动力学模型,利用机车振动试验结果对模型进行验证。研究了典型车轮多边形阶次、幅值和运行速度等对轮轨力和振动响应的影响,并分析了机车牵引行为对轮轨蠕滑率/力和车轮磨耗的影响。结果表明,速度等级为70 km/h时,车轮18阶多边形态下激发了轮对一阶弯曲共振,出现了轮轨力波动大和机车异常振动的现象;机车牵引状态下显著增大了纵向蠕滑率的波动幅值,并提高了纵向蠕滑力,导致轮轨磨耗指数相比无牵引工况下大幅增加,加剧车轮多边形磨耗的发展。     

车轮多边形对轮轨静态匹配的影响

为了分析车轮多边形对轮轨静态匹配的影响,设定车轮半径在圆周上具有周期性变化,并且考虑车轮横向磨耗的改变,建立多边形车轮空间模型。由于迹线法不适用于多边形车轮,在空间车轮模型上搜索与钢轨距离最小点,得到轮轨接触位置和几何参数。采用Hertz接触理论和Polach蠕滑力模型计算轮轨法向应力和蠕滑力,分析多边形车轮对轮轨接触静力学的影响。计算结果显示:考虑横向磨耗时,多边形车轮的相位对轮轨静态匹配影响比较微弱,周向磨耗会引起轮轨接触斑和法向应力的周期性变化,影响程度随阶次的增加而增强。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

高速车辆车轮磨耗与轮轨接触几何关系的研究

根据线路实际测量的高速车辆车轮踏面外形,分析了不同磨耗里程下的S1002G踏面的轮轨接触几何关系的变化规律。研究结果表明S1002G踏面随着运营里程的增加,等效锥度逐渐增大,特别是在轮对横移量2mm以内表现最明显。随着轮对横移量的增加等效锥度呈现先减小后增大的变化趋势,这说明S1002G踏面在京沪线实际运营过程中以凹形磨耗为主。通过建立高速动车组单车动力学模型,采用磨耗前后的轮轨型面,分析了三种不同类型转向架车辆模型的运动稳定性。分析结果表明磨耗导致轮轨匹配关系发生变化从而大大降低了车辆的临界速度;而一系纵向定位刚度无论是磨耗前还是磨耗后都会对车辆稳定性造成重要的影响,相对来说柔性转向架更有利于车辆的运动稳定性。轨道参数对轮轨接触几何关系有着非常重要的影响,因此研究车辆稳定性问题必须要考虑轨道几何参数的作用。     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明:CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。     

全轮对曲线通过时的瞬态滚动接触行为模拟研究

采用显式有限元法建立了我国某地铁系统R300 m曲线段的全轮对三维轮轨瞬态滚动接触模型,在时域内数值模拟了轮对曲线通过时的瞬态滚滑行为,详细分析了自由轮对滚过无不平顺的光滑钢轨和单侧钢轨存在波磨时两侧轮轨间的接触力、接触应力、相对滑移和黏滑区分布及摩擦功等结果。相比以往直线轨道的半轮对和全轮对滚动接触模型,该模型将曲线超高、弯曲钢轨、轮对横移及侧滚等考虑在内。光滑轮轨的结果表明:以50 km/h通过曲线时（均衡速度50.42 km/h）,外轨磨耗大于内轨,最大磨耗值约为内轨的3.1倍,且集中于轨距角附近;随着横移量的增大,外轨的接触力、接触应力及摩擦功会显著增大;这些与现场观测一致,初步验证了模型的可靠性。存在于单侧钢轨的短波波磨会引起两侧轨头摩擦功的波动,不仅会造成波磨侧轨面的不均匀磨耗,也会引发另一侧钢轨的轻微不均匀磨耗。该文计算工况下,波磨存在于内轨时引起的无波磨侧摩擦功最大波动幅值约为存在于外轨时相应结果的1.9倍,即内轨短波波磨能更有效触发无波磨侧萌生波磨;短波波磨无论发生在内轨还是外轨,两侧摩擦功波动幅值均在40 km/h~50 km/h间某速度下（略低于均衡速度）达到最小值,即波磨发展速率最低。     

轨枕支撑刚度和阻尼对小半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有限元研究

基于Brockley轮轨系统的摩擦自激振动引起钢轨的磨耗型波磨的理论,本文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕弹簧组成的系统有限元弹性振动模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦系数的乘积,应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性。计算结果显示,当摩擦系数μ>0.28时,轮轨系统在饱和蠕滑力作用下存在很强的自激振动趋势。这种自激振动可能是引起小半径曲线线路上内轨短波波磨的原因。研究了轨枕支撑弹簧刚度和阻尼对钢轨波磨的影响,发现较软的轨枕支撑弹簧刚度和合适的轨枕支撑阻尼可以抑制曲线线路上内轨的短波波磨。研究也发现,把离散轨枕弹簧支撑改为连续弹簧支撑,仍然不能完全消除这种磨耗型钢轨波磨。     

铁路钢轨打磨目标型面研究

提出一种基于轮轨接触界面法向间隙的钢轨踏面设计方法,寻找了重载线路上较小轮轨接触应力水平的钢轨打磨目标型面,为新铺设钢轨预打磨及预防性打磨方案的设计提供理论依据。根据三维非赫兹滚动接触理论寻找了轨头的优化范围,在此范围内能保证轮对动态横移过程中,轮轨接触点附近最小法向间隙的钢轨轨头外形。针对重载线路轮轨伤损严重的问题,利用目前的方法对现有的60kg/m钢轨进行了优化设计。利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后钢轨踏面与原车轮接触时静态接触性能及动态接触性能进行了分析。结果表明,优化后轮轨界面之间具有较好的"共形"接触特性,在不降低车轮其他动力学性能的情况下,钢轨踏面优化后的轮轨接触应力显著地降低,并且使左右轮轨磨耗程度趋于均衡,可以有效降低轮轨磨耗与滚动接触疲劳。     

车辆蛇形运动状态下重载铁路轮轨系统振动特性

该文针对重载铁路货车车辆,从大系统角度,研究了蛇形失稳时的轮轨动态相互作用特征,仿真计算了当货车车辆以高于其非线性临界速度运行时的轮轨系统振动姿态。理论分析结果表明,轮对蛇形运动时,轮轨接触点在车轮踏面与轮缘根部交替变化,导致轮轴横向力变化非常剧烈,最大值接近正常值的10 倍。在轮轨横向力的作用下,轮对以11.25Hz 频率在轨道中心线左右横向运动,幅度达到了15mm,且摇头角位移较大,轮对蛇形运动波长为3.4m;钢轨横向振动也非常明显,将进一步加剧轮对横向运动。另外,轮轨横向相互作用力及钢轨横向振动位移的主频与轮对蛇形频率一致。     

高速铁路轮轨作用力的全息辨识模型

结合最优控制理论、卡尔曼滤波方法以及轮轨蠕滑理论,该文建立了轮轨作用力的全息辨识模型,并将模型的反演结果与动力学解答和实验测量结果作对比,验证了模型的适用性。首先,根据车辆系统的状态空间方程,设计一个最优化加速度状态跟踪器,将轮轨作用力辨识问题转换成为最优控制策略的设计问题;然后,利用SVD （singular value decomposition奇异值分解）分解技术对最优控制问题进行逆向求解,完成系统的动态载荷预测值的辨识;进一步结合卡尔曼滤波技术及加速度测试值,对辨识动载荷预测值进行正向修正,得到左、右轮轨垂向力及轮轴横向力;最后,结合轮轨蠕滑理论,将左、右轮轨横向力转换为到左、右轮轨垂向力及轮对横移量的函数,消减不适定性,从而能够分别辨识出轮轨左、右的横向力。辨识模型得到的结果与动力学解答的相关系数分别达到0.65、0.8以上,与实测载荷的相关系数分别达到0.51、0.69以上。