轮轨滚动接触疲劳现象分析

论述轮轨滚动接触疲劳破坏的几种典型现象，定性地分析它们的起因和发展过程。介绍我国部分铁路现场轮轨接触表面的疲劳破坏调查情况，给出由非赫兹滚动接触理论分析计算的我国铁路轮轨接触表面作用力分布情况。计算结果表明我国铁路轮轨接触表面疲劳现象如此严重的主要原因之一是轮轨型面不配匹和轨底坡设置不合理。并论述该领域今后的进一步研究方向。     

钢轨滚动接触疲劳研究

介绍了滚动接触疲劳裂纹的萌生及扩展的形成机理、钢轨滚动接触疲劳的破坏分类、影响因素,从钢轨新材料的开发、轮轨接触几何型面的优化和铁路工况的改善等几个方面提出了减缓钢轨滚动接触疲劳的措施。     

轮轨结构横向变形对轮轨滚动接触蠕滑力的影响

从数值方面详细分析轮轨结构横向弹性变形对轮轨蠕滑力的影响。借助于有限元方法分析计算轮对和轨道结构横向弹性变形与横向作用力的关系，确定轮轨接触斑处横向单位作用力引起轮轨横向变形的影响系数。用这些影响系数修正Kalker非赫兹滚动接触理论中无限弹性半空间上单位力的影响系数，并分别用没有修正的和修正了的Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论分析计算轮轨滚动接触蠕滑力。从数值结果看，轮轨的结构变形对轮轨蠕滑力的影响是十分大的。因此，用现有基于弹性半空间理论的滚动接触理论分析轮轨蠕滑力，其结果大于实际轮轨滚动接触蠕滑力。     

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。     

钢轨短波长波磨处的高速滚动接触分析

通过对某高速线路上出现的钢轨波磨的现场测量,采用显式有限元法建立三维高速瞬态滚动接触模型,分析轮轨在波磨处的高速（300 km/h）滚动行为。利用实体单元划分具有真实几何的轮对与钢轨,轮轨间的法、切向瞬态滚动接触问题由面面接触算法于时域内求解,同时考虑车辆和轨道系统的主要部件。车轮在光滑钢轨上的滚动结果显示,该模型可以建立起轮轨间稳态滚动接触,为研究表面不平顺处的滚动接触奠定了基础。分析某高速线路的钢轨波磨的波长和波深对轮轨瞬态滚动接触的影响,讨论不同牵引系数条件下波磨处的瞬态滚动接触行为。结果表明：波磨引起的轮轨法、切向接触力均在波长为80 mm（现场观测到的主波长）时达到最大,即数值重现了上述高速线路的波磨主波长;接触力随波深的增大单调递增,但增长率逐渐减少;牵引系数越大,钢轨发生不均匀磨损或塑性变形的可能性越大,即波磨产生的可能性越大。     

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。     

新型高速轮轨接触疲劳试验机研制

220 kW新型高速轮轨疲劳试验机可准确再现时速300 km/h条件下,轮轨滚动接触时的疲劳、钢轨波磨和侧磨等现象,模仿真实工况条件下高速轮轨损伤机理及粘着特性等,为高速铁路发展建设提供必要的研究手段和设计数据。     

三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型及其应用

采用显式有限元法建立三维瞬态滚动接触模型,用于求解高速铁路的轮轨瞬态滚动接触问题。该模型考虑轮轨的真实几何形状,可引入任意接触面不平顺,并可考虑材料的非线性行为。显式有限元的条件稳定性以及由此所决定的极小时间步长使得该模型适合于时域内求解轮轨高速滚动过程中的高频动态或瞬态现象,如分析钢轨焊接接头和波浪形磨损引起的轮轨瞬态冲击响应。因数值重现三维轮对的真实滚动行为,与之相关的自旋、陀螺仪效应等因素自动包含于模型之中。进一步考虑车辆、轨道系统的相关部件,着重研究高速车辆-轨道系统在钢轨波浪形磨损处的瞬态响应及相应的瞬态滚动接触行为。结果显示波浪形磨损与其所激发的动态轮轨接触力间存在相位差,且该相位差随滚动速度增加而减小。这解释了高速线路上波浪形磨损出现后很快进入稳态的现象。     

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。     

CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触条件下界面黏着与表面损伤的影响

在轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触疲劳和表面磨损行为的影响研究,对比分析了车轮表面气体软氮化对轮轨表面损伤的作用机理。结果表明:表面氮化处理可使车轮表面依次形成约3μm～5μm厚均匀致密的白亮层和约20μm后的扩散层;车轮表面氮化处理后,干态下轮轨间黏着系数降低了11. 7%、水态下降低了18. 4%,但氮化处理仍可保持轮轨间较高的黏着系数,可以避免车轮打滑等现象的发生;渗氮处理不仅明显提高了车轮表面的耐磨性,而且也有效降低了钢轨试样的磨损,其磨损量分别减小了58. 05%和10. 77%。简言之,车轮渗氮处理有效降低了轮轨系统的综合磨耗,提高了车轮材料的滚动接触疲劳抗力。该方法有望应用于实际,从而有效提高轮轨系统的服役寿命、减缓重载条件下轮轨材料的损伤。     

车轮滚动接触疲劳与磨耗耦合关系数值模拟

滚动接触疲劳和磨耗是车轮失效的主要方式。通过三维弹性体非赫兹滚动接触理论得到接触斑内的法向、切向应力和材料上不同深度处的最大切应力分布,以CL60钢和贝氏体车轮钢为例,基于"layer"滚动接触疲劳失效模型和Zobory车轮磨耗模型,分析LM型车轮踏面和75 kg.m–1钢轨型面匹配时轮轨接触条件和车轮材质对车轮滚动接触疲劳和磨耗竞争关系的影响。计算结果表明,摩擦因数为0.3时,CL60钢在小蠕滑条件下会发生滚动接触疲劳损伤,在大蠕滑条件下只有轴重大于30 t时才会出现滚动接触疲劳损伤,而贝氏体车轮钢只有在大蠕滑条件且轴重为30 t时,载荷循环次数小于1×105的情况下才会出现滚动接触疲劳损伤;摩擦因数为0.6时,CL60钢和贝氏体车轮钢在各种工况下的滚动接触疲劳损伤速度都小于相同条件下的磨耗速度。     

两种型面轮轨滚动接触应力分析

利用非Hertz滚动接触理论分析计算了磨耗型轮对、锥型轮对与钢轨之间滚动接触斑的作用力分布。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,确定了两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况。数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据。     

ANALYSIS OF CREEP FORCES OF WHEEL/RAIL

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳｙ1———Ｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｖ1———Ｌａｔｅｒａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔφ———Ｙａｗａｎｇｌｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔω———Ｙａｗａｎｇｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖ———Ｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ,ｏｒｎｏｍｉｎａｌｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｒｉ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｉｎｓｔａｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｗｈｅｅｌｒ0 ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｒｏｌｌｉｎｇｃｉ…     

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.     

基于ANSYS的轮轨摩擦滑动接触应力分析

以Hertz接触理论为依据,利用ANSYS建立2D有限元计算模型,模拟原地打滑、完全制动等轮轨滑动摩擦接触行为。分析了轮轨静接触和滑动接触时接触应力分布情况,研究了接触状态、轴重、滑动速度、载荷类型和钢轨轨顶圆半径对接触应力的影响。结合Hertz接触理论计算结果、剥离损伤理论和自激振动理论进行了轮轨损伤分析。     

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.     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of rail corrugation

The effect of a scratch formed on the running surface of a curved rail, due to the slide of a locomotive wheel, on the formation and evolution of rail corrugation is investigated in detail with numerical methods when a wheelset is steadily and repeatedly curving. In the calculation we consider a combination of Kalker’s rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. Also the influence of different speeds of wheelset curving through the scratch on the development of the corrugation is taken into account. The numerical results indicate that a scratch causes strong contact vibration between the wheel and rail, and initiation and development of rail corrugation under the condition of steady creepage occurring between the wheel and curved rail. The wave-length of the corrugation depends on the speed of wheelset curving and the natural frequencies of the track.     

轮轨两点接触的有限元分析

在轮轨单点接触计算分析的基础上,建立锥形踏面车轮的轮缘贴靠钢轨形成两点接触的计算模型,应用有限元参数二次规划法分析这一弹塑性接触问题。对不同载荷作用下的轮轨两点接触模型分别进行计算,得出了大量的轮轨接触状态、接触力的分布及变化规律。这些计算结果将有助于找到缓解钢轨侧磨和轮缘磨耗的方法。