考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析

以LM型踏面车轮和60kg·m-1钢轨为例,采用双线性塑性模型和平面应变热力耦合单元实现轮轨的热弹塑性耦合,传热过程中考虑轮轨接触斑处的非稳态热传导以及轮轨与周围环境间的热对流和热辐射,建立轮轨滑动接触二维热弹塑性有限元模型,分析轮轨接触斑间全滑动时不同相对滑动速度下,与温度变化相关的变摩擦系数对轮轨接触表面温度和等效应力的影响,并与取0.334的常摩擦系数时进行对比。结果表明:钢轨在轮轨接触斑附近的摩擦温升主要分布在其接触表面大约1.8mm的深度范围内,而车轮的主要分布在其接触表面大约2.5mm的深度范围内,采用变摩擦系数得到的轮轨摩擦温升要比采用常摩擦系数时低57%左右;轮轨接触斑附近钢轨和车轮的最大等效应力出现在车轮和钢轨的次表面上,采用变摩擦系数时得到的车轮和钢轨等效应力的影响范围比采用常摩擦系数时略小;轮轨间相对滑动速度对车轮接触表面的温度和等效应力影响不明显,但对钢轨接触表面温度和等效应力的影响明显,相对滑动速度越大,钢轨接触表面的温度也越高。     

基于ANSYS软件的二维地铁轮轨滑移摩擦热分析

根据地铁轮轨的真实尺寸外形,利用有限元软件ANSYS建立滑移过程中轮轨摩擦生热的二维弹性接触模型。该模型选取轮轨单元为热结构耦合单元,利用瞬态热分析求解器对摩擦热进行计算。该模型考虑轮轨间的热传导率和表面换热系数,通过仿真分析摩擦生热的基本现象,以及不同的速度、滑移率和摩擦系数对轮轨表面温度的影响,得出以下结论:轮轨温度和等效应力主要表现在轮轨表面,且受限于轮轨深度,随着深度的增加,温度和等效应力逐渐减小;但随着速度、滑移率和摩擦系数的增加,轮轨表面的温度均增加。     

轮轨摩擦温升有限元分析

基于有限元法和移动热源法,建立了轮轨摩擦非稳态传热计算模型,分析了车轮全滑动工况下三维模型和二维模型计算结果的异同,以及轮载、摩擦系数和相对滑动速度对钢轨摩擦温升的影响.结果表明,二维模型能模拟轮轨摩擦过程中钢轨纵截面温度变化规律;三维模型不仅能模拟钢轨纵截面温度变化规律,而且能模拟摩擦热的横向分布规律.车轮滑动过程中,摩擦热在轨面上引起的热影响区宽度在接触斑横向宽度范围内;接触斑中心处热影响层最厚,越靠近横向两侧,热影响层越薄.轮重不仅影响钢轨表面最高摩擦温升,而且影响热影响区域的大小;相对滑动速度越大,热影响层深度和宽度分别变浅和变宽;摩擦系数越大,热影响区越大.     

变摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,在轮轨间使用与滑动速度相关的变摩擦系数定义切向接触属性,改变轮对角速度定义轮轨接触不同工况。在轮轨蠕滑工况下,通过对比取常系数摩擦系数和变摩擦系数的计算结果发现:变摩擦系数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响较小;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和蠕滑力影响较大,特别是对最大纵向切应力和蠕滑力影响幅度近20%;对轮轨滚动接触蠕滑力矢量分布的影响也应值得注意。不同工况时轮轨蠕滑率不同,变摩擦系数条件下的轮轨蠕滑力和剪切应力随蠕滑率增大而增大,当轮轨间出现完全滑动时,轮轨蠕滑力达到极限。     

滑动状态下地基刚度对轮轨接触特性的影响

高速铁路作为国民经济的基础设施,沿线分布长、区域广,因各地区土质不同造成地基刚度也不一样。本文通过建立轮对三维有限元热机耦合分析模型,参照合理地基刚度,研究分析了全滑动状态下地基刚度的改变对轮轨接触特性的影响。结果表明:地基刚度的改变对轮轨接触区域的温升影响并不明显;全滑动状态下轮轨接触区热量较为集中,使得接触斑的面积相对于静态分析时增加了2.2倍左右;全滑动状态下的等效应力由机械应力、热应力叠加而成,并且热应力居于主导地位。     

函数型摩擦系数对轮轨滚动接触行为的影响分析

为研究函数型摩擦系数对轮轨滚动接触行为的影响,建立三维轮轨高速滚动接触有限元模型,针对钢轨表面平顺和存在波磨两种工况,通过与库伦摩擦模型的结果对比,详细分析函数型摩擦系数对轮轨力、黏滑分布和接触区域滚动接触应力等接触行为的影响,为进一步研究轮轨材料的损伤机制提供依据。研究发现:(1)无论钢轨表面平顺还是存在波磨,函数型摩擦系数均不会影响法向接触解;(2)函数型摩擦系数会显著影响切向应力的分布,进而影响von Mises等效应力的幅值;(3)基于安定理论,非稳态滚动条件下,相比库伦型摩擦系数,函数型摩擦系数使轮轨表面材料更易遭受疲劳破坏。     

轨道交通轮轨接触面材料性能与轮轨切向接触阻尼关系研究

为准确计算轮轨切向接触阻尼,基于接触阻尼理论,考虑轮轨材料的弹塑性变形和车轮表面粗糙度,采用有限元法,将轮轨材料的接触面进行离散;基于罚函数面-面接触算法定义轮轨接触,建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;通过间接输入实际车轮表面硬度数据并且加载位移载荷来计算轮轨切向接触阻尼损耗因子和轮轨切向接触阻尼.仿真结果表明:轮轨切向接触阻尼损耗因子随着法向载荷、摩擦系数和车轮表面硬度的增加而减小,而粗糙度对其影响不大;轮轨切向接触阻尼与法向载荷、材料表面的摩擦系数及材料表面的硬度呈正相关;随着摩擦系数的增大,轮轨切向接触阻尼先增大后趋于稳定;轮轨切向接触阻尼与运行里程数并非呈现单调性变化.因此,当考虑轮轨材料表面粗糙度微观结构时,更能够反映实际情况.     

三种高速轮对型面的性能比较

为分析我国轮轨技术条件下LMa、S1002和XP55高速轮对型面特性,进行了稳态轮轨非赫兹滚动接触计算和车辆一轨道系统耦合动力学计算.非赫兹滚动接触计算表明:LMa型面轮对接触斑面积大,压力平坦,接触应力、轮轨接触面滑动量和摩擦功较小;S1002型面在轮对小幅横移时接触斑面积最大,但随轮对横移量增大迅速减小,接触斑压力起伏较大,接触应力、滑动量和摩擦功最大;XP55型面接触斑面积小,接触斑压力、接触应力、接触斑滑动量和摩擦功高.车辆一轨道耦合动力学仿真表明:LMa型面的车辆蛇形运动临界速度最高,S1002型面最低;LMa型面曲线通过性能最优;轨道随机不平顺激励下,S1002型面轮对横向晃动最大,SL002、XP55型面可出现轮缘接触现象;3种型面与钢轨形成的接触区域均很狭窄;XP55型面动态脱轨系数瞬态值较高.结果表明,SL002型面不适用于我国1 353 mm轮对内侧距,XP55型面性能欠佳,LMa型面最好.     

滑板材料受流摩擦时接触点瞬态温升对磨损性能的影响

采用有限元法对不同滑板材料(包括纯碳材料、浸金属碳材料以及铜基粉末冶金材料)在滑动受流时由摩擦力和接触电阻引起的接触点瞬态温升进行了分析计算,同时根据滑板材料的热失重(TGA)和差热分析(DTA)试验结果,分析了各种滑板材料在受流摩擦时的磨损行为.研究表明,在试验参数为压力70 N、电流200 A以及滑动速度80 km·h-1的条件下,电流是引起碳系滑板材料接触点温升的主要因素,并造成纯碳滑板接触区亚表层的高温氧化现象,浸金属碳滑板由于材料致密氧化速度较慢,同时强度相对也高,因而具有良好的耐受流磨损性能;而铜基粉末冶金滑板材料受流摩擦时的接触点温升低于其氧化温度,所以引起其高受流磨损量的主要因素不是接触点温升,而是电弧侵蚀引起的摩擦表面严重破坏以及蜡基润滑剂的失效所致.     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

非赫兹接触下轮轨接触蠕滑力的计算

以弹性半空间非赫兹接触理论计算轮轨法向接触问题,得到比较真实的法向压力分布。在此基础上,根据修正的FastSim算法计算了轮轨在单点接触、轮缘接触和单接触斑内两点接触情况下的蠕滑力。与CON-TACT的对比表明,修正的FastSim算法在计算轮缘接触时具有比较精确的结果,在计算单接触斑内两点接触时的精度相对于Shen-Hedrick-Elkins理论和FastSim算法均有较大的提高。基于修正的FastSim算法编制了便于风-列车-桥梁耦合分析应用的蠕滑力插值数表MFTTLM。     

轮轨与轮轮接触几何计算研究

对轮轨接触几何计算的迹线法进行了深入研究,给出了两种常用坐标系下‘迹线法’的正确计算公式.在此基础上,对轮轮接触几何关系进行了分析,结果表明:轮轮接触点计算并不能像轮轨一样缩减为一维搜索,只能由二维搜索得到,给出了一种简洁的轮轮接触二维搜索算法及公式;同时提供了一种快速搜索轮轨和轮轮接触点的编程方法.     

三种非赫兹滚动接触模型的对比研究

在轮轨损伤计算中,为了提高轮轨滚动接触解的求解效率与精度,常采用简化的非赫兹滚动接触模型.然而,此类模型的精度及适用性仍未得到充分的验证.以我国高速铁路常见的两种标准车轮型面(LMA和S1002CN)与标准CHN60钢轨的匹配状态为例,采用三种典型的非赫兹滚动接触简化模型(KP、STRIPES和ANALYN)进行模拟,...     

高速铁路弓网电弧试验系统

高速动车组通过弓网电接触获取电能。随着动车组运行速度的提高,受轨道不平顺、接触网波动以及受电弓弓头振动等因素的影响,弓网电接触状态恶化,使得弓网电弧频繁发生,弓网电弧对接触网导线、受电弓滑板侵蚀严重,影响受流质量,制约动车组速度进一步提升,因此有必要对弓网电弧进行系统研究。本文分析弓网滑动受流过程,研制一套弓网电弧试验系统。该系统能够模拟弓网柔性平直接触、滑板"Z"字形运动及垂向沉浮运动等弓网运动状态。并利用该系统对弓网接触电阻和电弧电气参数、形貌特征进行试验研究。     

有轨电车轮轨型面匹配问题的研究

利用轮轨型面测量仪测量大量即将磨耗到限的车轮踏面和钢轨轨头型面(简称旧轮和旧轨型面),从中选取具有一般性的型面建立三维有限元模型,分别研究了新旧车轮与新旧钢轨配合接触问题。通过几种轮轨接触模型的计算,总结了不同模型的接触斑面积、形状、位置,以及接触力分布和等效应力的变化规律,并分析了旧轮和旧轨被挤压出飞边的原因。结果表明:新轮-旧轨接触模型的接触斑面积较小,等效应力较大,接触位置在轨顶的两侧,说明磨耗到限旧轮踏面被镟修成标准轮踏面形状的不合理性。旧轮-旧轨配合,与其他模型相比接触斑面积最大,轮轨匹配相对较好,因此,适应旧轨轨头型面的车轮踏面形状设计对于减缓轮轨磨耗具有重要的意义。     

高速铁路接触网18#无交分道岔参数设置浅析

针对国内已开通的高速铁路客运专线无交分道岔在施工及运营维护中发现的问题,及非标定位形式的无交分道岔参数设置在设计、施工及运营实际中缺少技术标准规范支持,结合铁道部专家组、设计、施工运营单位的会议研讨结果,对高速铁路接触网18”无交分道岔定位参数设置进行分析。     

电气化铁道接触网导线高度的动态检测

介绍了安装在运营电力机车上的电气化铁道接触网导线高度动态检测装置的组成、工作原理、安装及机械设计,并进行了精度分析,给出了现场使用情况和检测结果。该装置充分利用了激光相位测距技术,在不影响机车正常运作的情况下,实现了导线高度的动态检测,较好地克服了人工检测及检测车检测的局限。     

考虑轮对弹性的轮轨接触点算法

研究轮对动力学相关问题时要考虑轮对的弹性变形,本文在传统迹线法的基础上发展一种考虑轮对弹性的轮轨接触点计算方法。该方法通过计算滚动圆上的点和该点在轨道上的投影点的法向矢量确定可能接触点,形成接触迹线,根据迹线和轨道型面的垂向最小距离确定最终的接触点。利用该方法,本文建立单轮对刚柔耦合系统动力学方程来求解轮轨接触点,并通过刚性轮对与弹性轮对的计算结果对比,讨论轮对弹性变形对接触点位置和轮轨蠕滑率的影响。结果表明,该方法可有效解决考虑轮对弹性的轮轨接触计算问题。     

钢轨波磨研究综述

在日本,以前出现的钢轨波磨并不严重,但近年来则变得日益广泛。自19世纪末以来,全世界出现了众多预防波磨的报告,但是有关理论没有完整地解释波磨的形成机理,目前也尚无圆满的对策解决波磨问题。由于列车提速、新型车辆引入等原因,波磨的形成趋势也更加明显,因此有关波磨的研究变得愈加重要。在这种情形下,笔者对过去有关波磨的研究,以及当今全世界范围内正在进行的研究进行了评述,尤其着重在日本的研究。本文分别对参考文献、20世纪70年代的研究工作、钢轨波磨、短波波磨和近年来在日本的研究进行了评述。     

既有高速铁路接触网提质达速关键技术研究

高速铁路速度由300 km/h提速到350 km/h国内还没有先例,目前新建高速铁路接触网施工技术无法满足高铁提速改造施工的要求。以成渝高铁接触网提质达速为研究对象,对既有接触网弹性吊索张力状态下对接触网的影响、接触线张力增加后引起的接触网几何参数的变化进行研究,包括接触线高度、拉出值、坡度、弹性吊索张力等。通过研究找到解决问题的方法,最终实现接触线张力增加、吊弦更换一次到位施工技术,确保当前及提质达速完成后的运营安全,对今后高速铁路提速改造具有重要意义。