两种型面轮轨滚动接触蠕滑率/力的比较

本文从数值方面详细分析了两种型面轮对和轨道在滚动接触过程的接触几何、蠕滑率和蠕滑力.在利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论进行轮轨蠕滑力分析时,首先利用有限元方法确定了因轮轨的弹性变形而引起轮轨接触点处的弹性位移差.并利用弹性位移差修正Kalker理论中由Boussinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数,使本文的数值过程能考虑到轮轨结构变形对轮轨接触斑的影响.通过计算分析可知,在轮对运动状态相同的情况下,磨耗型轮对和轨道之间的力学行为与锥型轮对和轨道之间的力学行为相比,存在较大差异.数值结果有助于进一步分析轮轨之间的磨耗、滚动接触疲劳和轮轨使用寿命,为采取相应措施提供理论依据.同时发现目前我国铁路所采用的1/40轨底坡与目前正在全面推广使用的磨耗型轮对不是处于最佳匹配状态,有待进一步改进.     

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。     

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。     

钢轨接头轨缝对轮轨接触应力的影响

利用有限元软件ANSYS建立了钢轨接头端处轮轨弹塑性接触有限元模型,分析计算钢轨材料弹塑性接触应力和变形随轮轨接触点到轨缝距离变化的情况,数值结果并与Hertz接触理论的结果进行了比较。数值结果表明:Mises等效应力、最大主剪应力、塑性区和变形越靠近轨缝越大;最大等效应力和最大主剪应力的位置随接触点到轨缝距离的减小而接近轨面;在靠近钢轨接头处,钢轨几何形状突变,已不满足Hertz接触理论的假设条件,所以Hertz接触理论不适合轮轨接触应力和变形分析。     

车轮阻尼及接触点位置对轮轨接触过程稳定性的影响

结合S形辐板辗钢整体车轮和60 kg/m钢轨的尺寸与性能要求,利用有限元法和模态试验法建立车轮高频振动模型,并在考虑钢轨断面变形和轨下结构影响的基础上建立钢轨高频振动模型。在改变轮轨接触点位置和车轮模态阻尼比的情况下对轮轨接触系统进行了稳定性分析。结果表明:节圆数为0的车轮模态对系统稳定性的影响最明显;增大横向蠕滑量会使轮轨接触系统容易发生不稳定,并且该蠕滑量在轮缘接触时的影响比在踏面时要大;接触点位置对接触系统稳定性的影响与轮轨偏向角及接触面摩擦系数的大小有关;增大车轮阻尼能明显减少接触系统不稳定频率的个数,并且在偏向角较大时,阻尼的作用对轮缘接触更明显。     

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。     

轮轨接触问题的有限元分析

轮轨接触问题是列车稳定性与可靠性研究中的重要课题,本文基于ansys有限元软件,对轮轨接触问题进行了有限元分析。首先根据轮轨接触的几何特征,将问题简化成平面应变问题,然后假设轨道承受50mpa的压力,得到了轮轨等效应力云图及轨道的等效塑性应变云图。对轮轨存在水平挤压的接触问题进行了拓展分析,并探讨摩擦系数对等效应力云图和等效塑性应变图分布的影响。     

轮轨黏着系数对钢轨直裂纹瞬态扩展行为的影响

采用ANSYS/LS-DYNA建立了含有钢轨直裂纹的三维显式有限元模型,考虑了高速条件下轮轨间的瞬态滚动接触和裂纹面之间的滑动接触,于时域内分析了轮轨滚滑作用下裂纹面之间的瞬态法、切向接触和裂尖动态应力场强度因子。轮轨接触和裂纹面间的接触,均采用“面-面”接触算法定义,切向接触满足库伦摩擦定律。裂尖应力场强度因子采用虚拟闭合法计算,不考虑裂纹面之间的间隙,即两个裂纹面上的离散节点完全重合。牵引工况的计算结果表明,滚滑状态下的轮轨法、切向接触力不随轮轨黏着系数的增加而变化,但裂纹面间的最大法、切向接触力却随黏着系数的增加而不断减小。车轮滚到裂纹时,钢轨的弯曲变形使得两个裂纹面相互挤压闭合,即K_I值为0,而K_Ⅱ最大值约为K_Ⅲ最大值的8.1倍左右。这意味着钢轨表面的直裂纹,如果可以扩展,其在无横移牵引工况下的扩展应该以Ⅱ型撕裂为主导。随着粘着系数由0.1增至0.5时,无横移牵引工况下K_Ⅱ最大值仅增大3.98%,而K_Ⅲ最大值反而降低20.8%。     

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。     

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。     

道岔区轮轨接触几何关系研究

该文以12号可动心轨式单开高速道岔为例,在对道岔区相关走行轨线轨顶外形离散基础上,依据其空间布置关系,详细研究了道岔区轮轨接触特点,给出了轮/岔两点接触判定和计算方法,确定了道岔尖轨区和心轨区在现有空间结构下发生多点接触位置,给出了轮轨力在相关轨线上的转移与分配特性,分析了道岔区轮轨接触点在走行轨线上的不连续性和跳跃性,揭示了轮/岔间产生横向和垂向冲击振动机理,这为进一步优化高速道岔各股轨线空间结构奠定了基础。该文的研究结果是目前轮/岔接触几何关系研究方面的重要突破。     

机车轮缘磨耗对轮轨接触状况的影响

针对机车运行中出现轮缘磨耗严重这一问题, 统计苏家屯机务段电力机车轮对检修记录, 将轮缘磨耗过程可以分为3 个阶段:初期磨耗阶段、磨耗稳定阶段和后期磨耗阶段。建立不同磨耗时期的轮轨弹塑性接触模型, 运用有限元方法进行计算分析。计算结果表明:车轮轮缘厚度从32mm磨耗到27mm这个过程, 轮缘上的接触等效应力相对较小, 轮缘磨耗速度在整个磨耗过程中最低;机车车轮镟修或换轮后在磨耗后线路上运行, 标准车轮与磨耗钢轨的型面匹配状况不佳, 接触等效应力集中在车轮轮缘上, 运行初期轮缘磨耗较快。得出的结论有助于设计出更好的轮轨型面来降低轮缘磨耗。     

三维轧制问题接触应力的数值分析

本文采用修正刚塑性有限元法计算了三维轧制问题的接触应力,并分析和讨论了不同长高比时接触应力沿轧件纵向和横向的分布情况。计算结果与实验结果相吻合。     

多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和弹塑性变形分析

采用弹塑性有限元法,分析了多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和变形。多步载荷指的是钢轨同时受到机车和车辆车轮的反复作用或多趟列车通过钢轨。通过在钢轨表面重复移动Hertz法向压力分布和切向力分布来模拟车轮的反复滚动作用。材料循环塑性本构模型采用考虑材料棘轮效应的Jiang-Sehitoglu模型。分析结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形而形成波状表面;多步载荷对钢轨残余应力影响不大;随着机车车轮通过次数的增加,钢轨残余剪应变、表面材料位移、波深和残余累积等效塑性应变将增大,在机车车轮通过之后,随着车辆车轮通过次数的增加,前三个量将减小,而残余累积等效塑性应变继续增大,但其增大的速率变小。随着机车和车辆车轮反复滚过钢轨,钢轨残余剪应变、表面材料位移和波深变化速率即棘轮率呈衰减性。     

车轮原地打滑时轮轨接触界面摩擦温升分析

简要介绍了轮轨滚滑接触摩擦温升的研究历史和现状。基于有限元法和非稳态传热方程,建立了车轮在钢轨上原地打滑时轮轨摩擦热分析模型,分析车轮打滑速度对钢轨接触斑附近温度场的影响。模型考虑了轮轨与环境间的热辐射和热对流边界条件、轮轨接触区的相互换热以及轮轨材料热物性参数随温度的变化。分析结果显示:车轮原地打滑时,钢轨表面温升率在打滑初期非常高,随后温升率逐渐趋于零;表面温升达到稳定状态后,钢轨表面温升与轮轨接触区相对滑动速度呈线性关系;当车轮打滑转动的角位移相同而其他条件不变时,钢轨表面热影响层厚度基本不随相对滑动速度的大小而变化。     

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。     

轮轨油污染黏着特性的研究

运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明：随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定;随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。