高速列车轮对磨耗统计规律及预测模型

为研究我国高速列车轮对踏面磨耗规律,对某线路服役高速动车组进行跟踪测试,记录其镟轮周期内的踏面磨耗量,并基于对磨耗统计特征的两次拟合提出轮对型面磨耗预测函数模型。对某高速线路实测型面磨耗量进行拟合,分别得到各走行里程下磨耗量关于型面位置的拟合函数;并进一步对各走行里程下的拟合函数系数进行二次拟合,得到磨耗量关于型面位置及走行里程的二元预测函数。在模型的预测精度与适用性验证时,对比相同走行里程下预测型面和实测型面在轮轨接触几何关系与车辆各关键部件加速度响应两方面结果。对比结果显示,提出的磨耗预测模型在轮轨接触点、等效锥度、轮轨作用力及车辆安全性等各方面均与线路实测结果具有很好的一致性。     

复杂花纹轮胎湿滑路面制动距离FEM仿真分析及评价

以205/55R16型子午线轮胎为研究对象,对配有ABS系统的汽车在湿滑路面上的制动距离进行了仿真研究。基于制动过程离散分析方法,使用有限元商业软件ABAQUS仿真研究了不同复杂胎面花纹及不同胎面材料轮胎在1.5mm深积水路面、各离散速度下的制动情况。然后根据各有限元仿真结果,使用相关分析方法,获得了轮胎的制动距离。仿真结果均与对应的试验结果趋势一致,证明了轮胎湿滑路面制动性能仿真评价方法的有效性。     

基于Braghin模型的机车车轮磨耗研究

针对D19E型内燃机车车轮磨耗问题,分析了越南铁路基本技术及D19E型内燃机车结构,采用SIMPACK软件建立了D19E型内燃机车动力学模型,并根据越南干线实际情况建立了线路模型。提出了基于机车动力学模型、FASTSIM算法与Braghin踏面磨耗模型为一体的车轮磨耗计算模型,并发展了相应的数值方法。利用该模型对D19E型内燃机车车轮磨耗进行了仿真分析,采用小波滤波平滑方法对踏面磨耗深度数据进行了平滑,并与现场实测结果进行了对比。研究结果表明,磨耗主要发生在踏面上(-50 mm~45 mm)范围内,轮缘根部处磨耗最大;踏面磨耗量的仿真结果与现场实测结果基本一致,说明该仿真模型能较好地模拟机车车轮磨耗的演化过程,可靠性高。     

宽基载重子午线轮胎成型模拟及工艺改进

参照三鼓式一次成型法的制造工艺,用ABAQUS软件仿真了445/65R22.5 RLB900型宽基子午线轮胎的成型过程,通过将成品胎的材料分布仿真图与实测图的对比,说明了仿真方法的合理性。通过仿真分析,获得了在成型过程中不同部件的胶料流动情况,通过分析无花纹和有花纹的轮胎成型过程,提出帘线力梯度作为评价成型质量的标准。为了消除胎冠区域胶料凸起的异常现象,提出了减薄胎面外侧胶料厚度和改变半成品胎超定型位置的方法,结果表明:减薄胎面外侧胶料厚度和增加超定型位置使胶料流动更均匀,能够解决胎冠胶料凸起的问题。研究结果可以为优化轮胎施工设计和提升成型质量提供指导。     

车轮踏面磨耗对齿轨列车齿轮齿条接触状态影响研究

针对齿轨列车车轮踏面磨耗情况下难以探究齿轮齿条接触状态规律的问题,提出了一种基于Hertz接触理论的考虑车轮踏面磨耗情况的齿轮齿条齿面接触应力计算模型。首先,分析了磨耗情况下齿轮齿条的接触关系,获得了接触应力计算关键参数随车轮磨耗的变化规律,并结合Hertz接触理论构建了考虑车轮磨耗的齿轮齿条接触应力计算模型;然后,选取某工程齿轮齿条参数进行计算,获得了磨耗周期内的齿面接触应力分布,并通过27组有限元仿真试验获得了不同磨耗量、不同接触位置的齿轮齿条接触应力数据,与上述计算模型结果进行了对比;最后,运用上述计算模型进一步分析了车轮磨耗影响接触应力规律的内在机制和关键因素。结果表明,模型结果与仿真计算结果的最大相对误差为7.71%,验证了计算模型的准确性;车轮踏面磨耗量越大,齿轮齿条啮入点附近的接触应力越大,其影响机制是车轮磨耗导致啮入点附近驱动齿轮曲率半径急剧减小;增大初始中心距和齿条齿顶圆角影响系数,可降低车轮踏面磨耗对接触应力的影响,并可通过减小高度调整周期来优化接触状态情况。     

基于正交试验的轮胎胎冠花纹结构影响滚动阻力的分析

胎面花纹是影响轮胎滚动阻力的关键部件,研究花纹结构参数设计对滚动阻力的影响在低滚阻轮胎结构设计应用中具有重要意义。以载重子午线轮胎295/80R22.5为研究对象,通过对比试验测试与数值计算得到的接地压力和印痕参数,检验轮胎模型的有效性。在此基础上,采用数值计算的方法分析了胎面中心花纹块宽度、胎肩花纹块宽度和胎面弧高度等三个因素,每个因素取三个水平,选用正交试验L_9(3~4)分析了各因素对滚动阻力的影响。根据正交试验的结果,采用回归分析对试验结果进行优化,得到了各因素之间的最佳组合,并对其滚动阻力进行了分析,结果表明,相对原始结构,滚动阻力降低了3.78%。     

基于轮轨型面匹配数值模拟的地铁车轮异常磨耗原因分析

通过线路测试和数值仿真对某B型地铁列车车轮异常磨耗现象进行深入分析。结合轮轨接触几何关系和轮轨滚动接触理论进行轮轨静态接触分析;基于UM软件建立该地铁车辆动力学仿真模型和磨耗预测模型,计算轮对运动状态和车轮磨耗水平。通过对比不同轮轨匹配的仿真结果来分析该地铁车辆发生轮缘和踏面异常磨耗的原因,进而提出相应的控制措施。结果表明,该地铁线路小半径曲线占比较大且钢轨轨底坡异常。地铁车辆轮缘和踏面异常磨耗是由较大轨底坡线路条件下轮轨型面匹配关系不合理所导致。将全线轨底坡修正成1/40对车轮异常磨耗现象的减缓效果有限。为有效减轻该地铁车辆车轮异常磨耗,可考虑将车轮踏面外形由S1002镟修为LM。     

某型航空子午线轮胎刚度仿真分析

轮胎力学特性是飞机地面运动学研究的重要课题之一。基于轮胎静刚度的形成机理,忽略胎面花纹,建立某型航空子午线轮胎三维非线性有限元分析模型。考虑到航空轮胎材料非线性、几何非线性、接触非线性等问题,借助ABAQUS和HYPERMESH软件,并在ABAQUS/STANDARD求解器下进行径向和侧向刚度特性仿真分析,得出不同充气压力工况下的相应的负荷与变形的关系。通过仿真分析结果与理论估算值的对比,表明所建立的有限元分析模型可较好模拟该型航空轮胎的刚度特性。     

新型抓胎机械手结构优化及动作分析

针对目前传统抓胎机械手在取胎过程中易发生胎坯变形不对称和变形量大的问题,对抓胎机械手取胎过程中影响胎坯纵向和横向变形的主要因素进行了研究,提出了定位内撑一体的抓取方法;并结合实际工作要求,从抓胎机械手动力学参数设计角度出发,优化设计出了新型内撑抓胎机械手,利用动力学仿真分析软件ADAMS对新型机械手内撑机构工作位置的运动及动力学特性进行了仿真分析,通过有限元柔性体分析方法,对3种抓胎机械手取胎时轮胎胎坯变形量的大小及分布情况进行了对比、验证。研究结果表明:新型机械手能够实现胎坯定位、内撑取胎的功能,并且对取胎过程中胎坯存在的变形不对称和变形量大的问题均有明显改善。     

基于Archard模型的车轮磨耗对车辆动力学性能的影响

为了研究车轮磨耗对高速列车动力学性能的影响,建立了车辆动力学和车轮磨耗耦合模型。考虑车辆通过一条由直线和曲线组成的典型线路工况,采用Non-elliptic模型计算轮轨接触斑上的车轮磨耗量,以累积车轮型面磨耗量及更新型面外形。采用Archard磨耗模型研究车轮面磨耗的分布与发展,以车轮踏面磨耗深度达到0.1mm为型面更新的条件进入下一个磨耗循环的计算。最后加载磨耗后的车轮型面,研究磨耗对车辆系统通过曲线线路时的动力学性能的影响。     

轮胎花纹凹坑非光滑表面对抗滑水性能的影响分析

以205/55R16轿车轮胎为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)的方法对轮胎抗滑水性能进行数值模拟,通过将滑水速度仿真值与滑水经验公式计算值进行对比,验证了滑水分析方法的有效性。为提升轮胎的抗滑水性能,借鉴仿生非光滑减阻理论,在花纹沟槽两侧壁布置矩形排布的凹坑非光滑结构,采用响应面分析方法对凹坑的顶部圆直径、凹坑深度、顺流向凹坑间距和展向凹坑间距4个参数进行寻优,并从流场变化角度揭示了凹坑结构减阻机理。在此基础上,将减阻最优的凹坑结构引入到整胎滑水分析模型中,通过与光滑壁面花纹轮胎抗滑水性能的对比发现,凹坑非光滑表面花纹轮胎可通过降低胎面动水压力实现轮胎抗滑水性能的提升。     

对接路面轮胎瞬态侧偏特性研究

对接路面轮胎瞬态侧偏特性对于车辆方向稳定性至关重要。通过仿真与试验的手段研究对接路面轮胎瞬态侧偏特性及其机理。建立用于对接路面轮胎瞬态侧偏特性仿真的轮胎模型,通过考虑胎体复杂弹性变形,并将印迹区域内胎面单元离散处理,得到轮胎滚动过程中胎面单元的变形特性,推导出基于胎面变形的轮胎力和力矩的一般表达式。利用高-低附对接路面台架试验数据对模型进行了验证。通过仿真研究对接路面轮胎瞬态侧向力和回正力矩特性,深入分析对接路面轮胎瞬态侧偏力学特性机理以及轮胎胎体弹性、轮胎侧偏角和摩擦因数阶跃幅值对这一特性的影响。分析结果表明,胎体侧向平移刚度对侧向力松弛特性影响很显著。胎体平移刚度越大,侧向力松弛长度越短。研究工作有助于对接路面工况轮胎瞬态特性半经验建模以及车辆在对接路面上的方向稳定性分析和相关控制策略开发。     

基于城际动车组的踏面磨耗预测及参数优化

基于FASTSIM理论的磨耗功模型,建立了国内某城际动车组的多体系统动力学仿真模型,通过搭建动力学仿真模型与磨耗功模型的联合仿真平台,以车轮磨耗深度0.1 mm为踏面外形的更换基准,实现了车轮踏面外形的磨耗预测。研究结果表明:仿真分析得到的车轮前5万公里踏面的磨耗分布与实测的车轮磨耗状态类似,仅在磨耗量上存在一定的差异;从一系悬挂参数对车轮磨耗量的影响中可以看出,减小轴箱拉杆和一系轴箱弹簧垂向刚度可以有效减少车轮磨耗,而一系垂向减振器的卸荷力与卸荷速度对磨耗量的影响很小。     

宽基轮胎胎面畸形机理仿真分析及解决方法

为探究宽基轮胎成型过程中胎面畸形现象产生的机理,采用数值模拟方法重现了435/50R19.5型宽基全钢载重子午线轮胎成型过程,该轮胎采用5层带束层结构,其中3#带束层采用单根钢丝以0°角缠绕而成。轮胎成型过程的仿真主要包括主鼓部件贴合、辅助鼓部件贴合、生胎成型及硫化机内定型等4个工序。通过分析胎面胶料在定型过程中的流动情况,阐明了宽基轮胎在成型过程中胎面部位畸形的成因。为消除胎面畸形问题,提出将成型机辅助鼓设计为曲面鼓的方法来引导胶料流动,从而达到解决缺陷的目的,利用成型仿真确定了曲面鼓的设计参数,并进行样胎试制。试制结果表明,曲面鼓成型方法可以使成型过程中的胶料流动更合理,有效地避免上述缺陷的产生,提高宽基子午线轮胎的制造工艺水平。     

一种新的轮胎附着状态的理论与实验研究

简化了轮胎结构,建立了改进的轮胎刷子模型,在考虑胎面侧向弹性产生的侧偏力的同时充分讨论轮胎与地面接触区域内附着区与滑移区的分界条件。汽车在非直线路径行驶时车速对轮胎附着状态有一定的影响,因此提出了估算轮胎的附着系数的修正表达式,估算得到的数值比传统方法更贴合实际测试值。为表征车辆行驶过程中的稳定程度,定义车辆稳定系数,用车辆动力学仿真软件Carsim进行双移线道路试验,仿真试验所得稳定系数的数据值始终在[0,1]的稳定区间内,因此,在行驶过程中应用改进轮胎刷子模型的汽车始终在可控范围内,有效验证该模型的可行性。     

汽车侧倾稳定角与翻滚性能研究

通过相近车型的平台翻滚试验与侧翻静态试验结果对比,研究了侧倾稳定角与车辆翻滚性能之间的影响关系。利用综合考虑悬架组合角刚度和轮胎垂直刚度的简化数学模型,进行侧倾稳定角的求解。同时,基于有限元思想,对悬架和轮胎等关键结构详细建模,其他结构简化建模,利用有限元模型对微型汽车侧倾过程进行仿真,求解稳定角。将数学模型、有限元模型求解结果与实车试验结果进行对比分析,结果表明,两种求解方法的相对误差均小于5%,其中有限元模型的误差较小。综合对比两种求解模型的特点,分析了每种模型的试用阶段。     

考虑轮胎几何与胎压因素的轮地相互作用力模型及其参数辨识

轮地相互作用力对于车辆设计、通过性评价、控制和仿真等方面具有极其重要的作用。传统模型以平板压力为力学假设前提,导致模型中各项参数难以同时响应轮胎几何和胎压因素对轮地相互作用力的影响。采用特定几何和胎压条件下的轮胎弹性形变量建立虚拟刚性轮形,结合轮地接触应力的分布状况,推导一种新的轮地相互力模型。该模型依据轮胎运动状态划分为轮胎准静态压载的垂向载荷模型以及轮胎稳态滑转的牵引力模型,模型中各项参数具有反映轮胎几何、胎压和土壤力学性质之间关联性的特点。通过土槽和原位地面试验对轮地相互作用力模型及其参数辨识结果进行验证,试验结果表明,不同几何尺寸和胎压下的轮胎垂向载荷与试验值之间最大误差不超过0.1 kN,模型参数辨识结果与试验值之间相对误差不超过12%,依据参数辨识结果计算的轮胎牵引力与试验值之间方均根误差为0.37。因而该模型可以有效地应用于考虑轮胎几何和胎压因素的轮地相互作用力学计算中。     

冰面和干燥路面上轮胎侧偏特性的试验研究

采用自行研制开发的平台往复式轮胎力学静特性试验机,研究了两条规格和胶料性能相同但胎面花纹不同的子午线轮胎在干燥路面和冰面上的侧偏特性,并进行了对比分析。重点讨论了冰面温度、轮胎负荷、轮胎气压和胎面花纹等因素对侧偏特性的影响规律。结果表明:低温冰面上轮胎的侧偏特性与干燥路面上的轮胎相似,但胎面花纹对冰面轮胎的侧偏特性产生更明显影响;在允许范围内适当降低气压有利于轮胎的操纵稳定性。     

磨损对轮胎侧偏刚度和回正刚度影响的研究

基于轮胎六分力测试结果,研究不同磨损状态下轮胎的侧偏力学特性,得出轮胎侧偏特征参数随着轮胎磨损量的变化规律。通过建立胎面磨损模型阐明轮胎磨损特性变化的机理,得到胎面刚度与磨损量的表达式,之后根据该表达式和考虑轮胎磨损状态的轮胎刷子模型,建立考虑胎面磨损的轮胎复杂刷子模型。通过模型推导得到磨损量与轮胎侧偏刚度、回正刚度的关系,以该关系为UniTire轮胎模型的建模基础表达公式,建立考虑磨损的UniTire侧偏模型。为验证模型的正确性,采用3种磨损状态的侧偏数据进行参数拟合,得到考虑磨损的UniTire侧偏模型,并预测其他2种磨损状态下的轮胎侧偏特性。预测模型的仿真结果与试验结果之间的误差较小,有效证明了考虑磨损的UniTire侧偏模型的预测能力。本研究有助于完善UniTire轮胎模型,为UniTire模型室内外扩展应用提供理论和技术支持。     

基于有限元摩擦功计算的钢轨磨耗预测方法

轮轨磨耗问题影响列车运行的平稳及安全。为研究钢轨磨耗规律,基于轮轨接触的有限元计算模型,分析不同牵引或制动力及横移量等对轮轨接触的影响规律,提出有限元摩擦功计算方法,对地铁钢轨进行磨耗量及磨耗后型面预测,并探究车轮的通过次数对钢轨磨耗的影响。研究结果表明,根据功的物理意义,接触斑节点的摩擦功与摩擦力及相对位移直接相关;牵引或制动力及不同横移量作用下,轮轨接触斑的摩擦功均呈中部小、后部及两侧大的分布规律,这与接触斑上黏着区与蠕滑区的分布规律对应;在接触区间内,钢轨的累积磨耗量沿横向呈中间高两侧低的分布规律,磨耗深度随车轮通过次数的增加近似呈正比增加;运用摩擦功计算方法预测的钢轨磨耗量与实测结果基本相符,与标准型面数据的预测结果相比,采用磨耗后型面的有限元计算结果预测的钢轨累积磨耗量,与实测型面更加接近。