轮轨接触参数对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,建立由车轮-钢轨-轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究小半径曲线轨道低轨上轮轨接触参数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线轨道低轨上轮轨间蠕滑力饱和可能导致钢轨波磨;轮轨接触角对波磨的波长及产生趋势几乎没有影响;轮轨牵引角对波磨的波长几乎没有影响,但对波磨的产生趋势有较大影响,随着牵引角的增大,产生波磨的趋势逐渐降低。研究表明:在小半径曲线轨道低轨上,牵引角随着曲线半径的减小而减小,系统发生摩擦自激振动的趋势增强,低轨上更容易出现波磨,这就是曲线半径越小钢轨波磨越严重的原因。     

不同轮轨粗糙度激励下辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响

研究在不同轮轨联合粗糙度激励下,辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响.在数值计算中,首先根据地铁车轮的实际尺寸建立其三维实体有限元模型,基于分块兰索斯法计算其固有频率特性,基于模态叠加法计算车轮有无辐板安装式刹车盘时在轮轨名义接触点处四种典型轮轨联合粗糙度激励下的动态响应.然后由其振动结果,生成声学网格的速度边界条件,利用声学边界元法计算车轮的声辐射特征.讨论并比较在各种不同轮轨联合粗糙度激励下,在车轮显著共振峰处,辐板安装式刹车盘对车轮辐板轴向振动和车轮辐射声功率的影响.并结合辐射声场云图、声辐射指向性图,讨论辐板安装式刹车盘对车轮轴向辐射声场指向性的影响.结果表明,原车轮声辐射主要来自车轮辐板轴向贡献;在不同轮轨联合粗糙度激励下,刹车盘均能很好地抑制辐板的轴向振动并起到辐板声屏障的作用,从而对车轮的直线滚动噪声有良好的抑制作用.     

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨打磨限值研究

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮轨动态响应的影响规律,从车辆运行安全性的角度提出钢轨波磨的安全限值;构建波长为50 mm典型波磨区段的轮轨系统有限元模型,采用瞬时动态分析研究轮轨摩擦耦合振动特性,从钢轨波磨发展趋势的角度提出钢轨波磨的打磨限值。动力学分析结果表明,山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨波长为30、40、50、60、70 mm时的波深安全限值分别为0.03、0.04、0.05、0.08、0.15 mm。轮轨摩擦耦合振动分析结果表明,轮轨系统摩擦耦合振动随着波深的增大而增大,控制波深打磨限值在0.02 mm以下能有效抑制轮轨摩擦耦合振动并延缓波磨发展。     

行车速度对高速列车车轮振动声辐射特性的影响

列车车轮的振动是轮轨噪声声源的一个重要的组成部分.利用有限元与边界元相结合的方法,着重研究列车速度变化对车轮的振动-声辐射特性的影响,计算模型中考虑轮轨间的垂向相互作用,并考虑轮轨接触斑的滤波作用.根据车轮的实际尺寸建立车轮的三维实体有限元模型,采用分块Lanczos法求解车轮的固有频率振型,然后采用模态叠加法计算单个车轮结构在垂向不平顺激励下的动态响应,将车轮表面的速度处理成声学边界元模型的输入条件,计算车轮的滚动辐射噪声.数值计算中,研究车轮的不同部位(踏面、辐板和轮辋)在声辐射中所占的比重,以及不同的列车速度对车轮振动声辐射特性的影响.数值仿真计算为高速列车的轮轨降噪措施的制定提供一定的参考.     

小半径曲线钢轨波磨预测模型及在波磨抑制中的应用

根据摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立地铁小半径曲线轨道钢轨波磨预测模型;在原有的轮轨系统有限元模型之上将车轮和车轴分离开来,建立带有摩擦接触属性且设置过盈配合的轮轴接触关系模型,探讨车轮和车轴过盈配合模拟方式和整体式轮对模拟方式对波磨预测结果的影响。结果表明:轮对采用车轴和车轮过盈配合模拟方式得出的轮轨系统主要不稳定振动频率,更接近现场实测的波磨频率,表明轮对采用过盈配合模拟方式时计算结果要优于整体式轮对模拟方式,从而可提高钢轨波磨预测的准确性。利用建立的钢轨波磨预测模型研究了单侧轮轨摩擦因数对钢轨波磨的影响,结果显示,控制外侧轮轨的摩擦因数对钢轨波磨影响较小,适当减小内侧轮轨的摩擦因数有助于抑制钢轨波磨。     

轮轨高频动力作用模拟中接触模型的影响分析

轮轨高频动力分析模型目前多沿用了传统的赫兹接触模型,其在高速轮轨系统上的适用性尚未得到验证。针对赫兹接触工况,建立基于多体动力学的车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型,其中轮轨法向接触由赫兹弹簧表征,作为对比也建立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,采用可考虑三维接触几何的"面-面"接触算法精确求解轮轨接触。对比150～500km/h速度范围内典型钢轨短波波磨(波长20～140mm、波深0.01～0.20mm)激励下的高频轮轨力结果,发现三种模型预测的幅值存在显著差异,但未发生轮轨脱离时(波磨尚浅),三种模型预测的幅值均与波深线性正相关。具体而言,相较于瞬态滚动接触模型,车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型预测的垂向轮轨力更大,其特征幅值的最大差值分别为静轮重的39.2%和88.4%,三种模型预测波长30mm波磨的临界波深(恰好发生轮轨脱离)相应地高于0.2mm、0.14mm和0.05mm。开展高速、高频轮轨动力分析时,传统的赫兹接触弹簧会带来不可忽略的计算误差。     

轮轨综合磨耗下对高速列车动力学性能的影响

高速铁路长时间运营,经常发生车轮多边形磨耗,并伴随钢轨波磨,两种损伤形式对列车运行特性的综合影响有待深入研究。采用简谐函数法建立车轮多边形模型,设计余弦函数描述钢轨不平顺磨耗,建立列车刚柔耦合动力学模型,分析不同车轮多边形及钢轨波磨综合磨耗情况下,列车的动力学性能的影响,并提出轮轨综合磨耗的安全限值。结果表明：在轮轨综合磨耗激扰下对列车的动力学性能的影响更为剧烈;列车运行速度为300 km/h下,轮轨垂向力增长幅值最大达到30%,车轮与25阶振型模态产生共振;车轮多边形比钢轨波磨对垂向力的影响更大;不同多边形阶次、幅值下,轮轨综合磨耗工况对轴箱、轮对以及钢轨垂向振动加速度影响更大。车轮多边形安全限值更小,多边形幅值限值平均降低了25.9%,在轮轨综合磨耗作用下更易超出限值;当速度为300 km/h,提出了钢轨波磨和车轮多边形阶次在一定范围内的安全限值。     

双S型辐板车轮对钢轨波磨的影响

为了研究双S型辐板车轮对钢轨波磨的影响,基于饱和蠕滑力引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致钢轨波磨的理论,使用ABAQUS软件,分别建立小半径曲线正双S型辐板车轮和反双S型辐板车轮轮轨系统有限元模型,并用单S型辐板车轮进行模型的验证;采用复特征值分析法,研究双S型辐板弯曲方向、弯曲程度和辐板厚度对钢轨波磨的影响。结果表明:正双S型辐板车轮是一种无波磨车轮,且弯曲程度和辐板厚度对钢轨波磨无明显影响;而反双S型辐板车轮容易引起钢轨波磨,且辐板弯曲程度越大,越容易引起轮轨系统不稳定振动。     

地铁车辆起动区段钢轨波磨成因分析

为研究地铁出站口附近直线起动区段钢轨波磨形成原因,利用有限元软件ABAQUS建立了三维实体轮对-轨道瞬态滚动接触模型,并结合现场实测,从时域和频域上对波磨现象进行了分析。研究结果表明：车辆起动过程中,车轮与钢轨表面接触带会产生准周期特性的滑移区域,且滑移区域中心之间的距离与实测波磨的波长范围接近,从而验证了模型的合理性和有效性;轮轨系统的不稳定摩擦自激振动是导致实测区段钢轨波磨产生的根本原因,正是由于轮轨蠕滑力“饱和-非饱和”的周期特性,最终促使了波磨的形成;钢轨和车轮的垂向振动加速度等级在160~230 Hz频率范围内均出现了峰值区域,且频率范围与实测波磨的特征频率范围174~198 Hz接近,这进一步说明钢轨波磨是轮轨系统摩擦自激振动引起的车轮-钢轨共振所产生;在忽略初始不平顺的前提下,钢轨表面的波磨会随着车轮运行次数的增加呈现线性增长趋势,因此适当地采取钢轨打磨以及轨面润滑等措施尤为重要。     

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。     

单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响分析

基于我国某地铁钢轨波磨的调研,采用显式有限元法建立了考虑车轮、车轴和钢轨连续体振动以及车辆、轨道高频结构振动的全轮对三维瞬态轮轨滚动接触模型,在时域内数值再现了轮对通过单侧钢轨波磨轨道段时的滚动接触行为,系统分析了单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响。相比于作者之前开发的半轮对滚动接触模型,该模型可将轮轨横向蠕滑和大自旋考虑在内。结果表明：地铁运行速度越高,波磨侧的不均匀磨损现象越严重;计算的五个速度中,波磨造成的瞬态激励在30和120 km/h时更易传递至无波磨侧,进而促进无波磨侧钢轨萌生波磨;轮对越是向波磨侧横移,波磨侧不均匀磨损越严重,但无波磨侧不均匀磨损逐渐降低,即相较于直线段,横移更大的曲线段上的外侧钢轨波磨更不易引发另一侧钢轨的波磨。     

曲线钢轨初始波磨形成的机理分析

利用数值方法分析钢轨离散支撑引发曲线钢轨初始波浪形磨损形成的机理.建立车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨界面材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型.考虑半个车辆模型和有限计算长度的轨道模型,利用Hertz非线性接触弹簧和沈志云-Hydrick-Elkins非线性蠕滑理论耦合车辆和轨道的计算模型来计算轮轨的法向载荷和切向载荷.通过车辆过曲线动力学分析,确定轮轨的瞬时接触位置、法向载荷、蠕滑率等.根据修改的Kalker三维滚动接触理论计算轮轨滚动接触力学行为,再利用轮轨材料摩擦磨损模型计算钢轨的磨损量.对曲线两端的缓和曲线和圆曲线的初始波磨形成过程作详细分析,并对波动频率也作了调查.数值结果显示,同一个转向架4个车轮引起的磨损波长和波深是不同的;不同曲线位置初始波磨的波深和波长也有区别;波磨的频率和轮轨接触振动密切相关;波磨的频率不仅包含轨枕的通过频率,也包含轨道被激发的更高振动频率.     

轮轨摩擦自激振动引起小半径曲线钢轨波磨的瞬态动力学

钢轨波磨问题一直困扰着地铁线路,对其产生机理的研究有着重要的理论和应用价值。基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立轮对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模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦因数的乘积。应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,重点研究轮轨系统摩擦自激振动的瞬态动力学过程,获得了轮轨系统发生摩擦自激振动时轮轨振动和接触法向力的变化规律。结果显示内轮和内轨接触摩擦副发生严重的摩擦自激振动,并对这个摩擦自激振动引起钢轨波磨的机理进行了解释。     

铁路客车车轮振动与声辐射特性分析

车轮是铁路客车上重要的声辐射部件。客车运行时,轮轨表面粗糙度使车轮产生振动及辐射噪声。利用有限元软件ABAQUS建立车轮的有限元模型,并计算0~10000 Hz内车轮的固有模态及振型。在车轮名义接触点施加单位力,采用模态叠加法,对车轮的频率响应函数进行分析。将车轮的频率响应作为边界条件,利用直接边界元法对其进行声辐射特性分析。     

整车无砟轨道钢轨波磨计算模型

概述了钢轨波磨研究现状及现有钢轨波磨计算模型。基于刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型、改进的轮轨非赫兹滚动接触力学模型、钢轨材料摩擦磨损模型和磨耗叠加计算模型,建立整车-无砟轨道钢轨波磨计算模型。其中刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型可以同时考虑钢轨、轨道板柔性以及钢轨周期离散支撑条件等因素;改进的三维非赫兹接触模型考虑不均匀磨损对轮轨接触的影响;材料摩擦磨损模型考虑自旋对磨耗的贡献。钢轨波磨计算模型考虑了轮轨之间的动力作用对波磨形成和发展的影响,以及波磨导致接触表面改变后其对轮轨接触及动力学的反馈作用。该模型可以模拟整车八个车轮和钢轨相互作用所形成的波磨。利用该模型再现了现场残余波磨的初期演化情况,该项研究可为钢轨波磨的减缓和治理提供理论基础和技术手段。     

P2共振型波磨激励下轮轨垂向动力学响应研究

为分析小半径曲线上P2共振型波磨激励下轮轨垂向动力学响应,于时域内建立车辆-轨道耦合动力学模型。在69 Hz的P2共振型波磨激励下,将车辆通过速度、波磨波长、波深等参数的变化考虑在内,模拟线路中不同工况对轮轨垂向动力学响应的影响。结果表明：在波深为0.2 mm时,随着车辆运行速度和波磨波长变化,轮对垂向动力学响应均在69 Hz达到最大值,说明与其他波磨通过频率相比,P2共振型波磨对轮对垂向响应影响最大;与无钢轨波磨工况相比,钢轨波磨工况的轮轨垂向动力响应均明显提高,且响应频率与波磨通过频率吻合;随着波磨波深的增加,轮轨间动力学响应加剧,这与现场实际情况和以往研究结论相符。     

地铁轨道曲线半径与钢轨波磨的相关性研究

现有地铁线路钢轨波磨80%以上出现在小半径曲线轨道内股钢轨上,而大半径曲线和小半径曲线外股钢轨几乎没有出现钢轨波磨。为了探索这一现象深层次的原因,基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的机制,分别建立Simpack车辆多体动力学曲线通过模型和轮轨系统ABAQUS有限元摩擦自激振动模型,采用复特征值分析法对不同曲线半径轨道的钢轨波磨进行研究。结果表明:随着曲线轨道半径增大,摩擦自激振动产生的概率减小,即钢轨波磨发生概率下降,且钢轨波磨主要出现在低轨上而高轨较少;随着曲线半径增大,在曲线半径400~450 m范围内,轮轨蠕滑力逐渐由饱和状态变为不饱和状态;蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动,即产生钢轨波磨,当蠕滑力不饱和时,轮轨系统就不会出现摩擦自激振动,因而大概率不会发生钢轨波磨。     

高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性分析

为研究高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性,建立谐波磨耗车轮高速轮轨滚动接触数值分析模型。该模型考虑了车辆系统的一、二系非线性悬挂力、轮轨非线性接触几何关系并考虑了钢轨振动及轮轨间的激励响应对接触蠕滑的影响。以CRH2型高速列车为研究对象,运用多体动力学软件UM参数化建立其动力学数值模型;对实测统计数据中最常见的1阶、6阶和11阶谐波磨耗以及波深0.1 mm和0.3 mm下车轮的蠕滑率/力进行分析;以不同阶数、波深车轮的蠕滑特性参数为疲劳模型的输入参数,研究谐波磨耗车轮的疲劳特性。结果表明:无谐波磨耗车轮处于弹性安定状态,1阶波深0.1 mm和0.3 mm车轮和6、11阶波深0.1 mm车轮都处于棘轮效应状态,6、11阶波深0.3mm处于塑性安定状态;低阶小波深车轮以疲劳为主,高阶大波深车轮以磨耗为主;与阶数相比,滚动接触疲劳、磨耗对波深的变化更为敏感,波深的增加会促进车轮蠕滑力/率的进一步快速增大,从而车轮的切向力迅速增大。     

阻尼环车轮对钢轨波磨的影响*

提出采用阻尼环车轮来抑制地铁钢轨波磨现象的发生和延长轮轨使用寿命。基于小半径曲线轮对饱和蠕滑力引起摩擦自激振动产生波磨理论,使用有限元软件ABAQUS建立阻尼环、导向轮对、钢轨、轨枕三维有限元模型。采用复特征值方法研究有无阻尼环、阻尼环阻尼系数(β)、阻尼环安装位置以及单侧阻尼环宽度D对钢轨波磨的影响。结果表明:阻尼环车轮能有效抑制波磨产生;随着β的数量级增加,阻尼环抑制波磨能力加强,当β=1×10~(-3)时,能完全抑制波磨;阻尼环安装位置对波磨抑制能力没有明显影响;阻尼环安装在轴侧时,其宽度变化对波磨抑制能力没有明显影响,而阻尼环安装在外侧时,随阻尼环宽度的增加其对波磨抑制能力呈先增大后减小的趋势,即存在最优宽度,使得阻尼环车轮的波磨抑制能力最佳。     

基于2.5维有限元-边界元的高速列车车体铝型材声振特性研究

铝型材作为高速列车车体层状复合结构的主要部件，声振性能的优劣直接影响车内声学环境和乘车舒适度。由于铝型材尺寸庞大、结构复杂，解析模型和传统的有限元/边界元法对其声振特性的预测存在一定的局限。铝型材截面几何特征和材料属性沿纵向均匀一致分布，当结构波长远大于结构尺寸时，可视为典型的波导结构，2.5维有限元-边界元法被广泛认为是研究其声振特性最合适的方法之一。因此，基于2.5维有限元法建立了铝型材的波动模型，研究了铝型材的波传播特征；基于2.5维边界元法建立了铝型材两侧声场的预测模型，同时，结合结构与声场的边界耦合条件，建立了铝型材的2.5维有限元-边界元声辐射和隔声模型，分析了力激励位置对结构振动响应、辐射声功率及辐射效率的影响，讨论了混响声场激励下边界条件对结构隔声性能的影响，提出了一种基于频散特性的将铝型材等效为均质板的方法。研究结果表明，在低频和高频，结构振动分别以截面的整体变形和局部变形的特征波为主；等效均质板的弯曲波频散与铝型材的整体弯曲波频散吻合很好；力激励位置对结构的振动响应和辐射声功率影响显著，对辐射效率影响很小；声激励下，边界条件只对结构在刚度控制区的隔声影响显著，约束约...