短裂纹产生/扩展与磨耗耦合情况下的钢轨损伤评估

介绍了研究钢轨轨头短裂纹产生/扩展和磨耗耦合分析的数值模拟程序。采用通用多体动力学分析软件,对单节车辆曲线通过进行仿真,分析轮重、轮轨横向力和轮轨接触位置等参数,然后将仿真结果输入到轮轨滚动接触有限元计算软件中,探讨了对曲线半径和钢轨钢种的影响。     

基于蠕滑机理的重载货车车轮磨耗研究

在多体动力学分析软件包SIMPACK中建立重载货车动力学模型,基于轮轨蠕滑机理在MATLAB软件中编制车轮踏面磨耗仿真程序WWS.根据车轮磨耗仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正.研究车辆非理想状态对车轮磨耗的影响,分析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性.通过钢轨表面滚动接触疲劳损伤特征的研究,对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合关系进行数值模拟.主要研究内容和结论如下.     

不同轮轨型面匹配关系及其轮轨动力特性分析

根据轮轨空间动态耦合关系,对现有不同车轮踏面和钢轨型面的轮轨接触几何关系进行了分析。利用车辆/轨道耦合动力学原理,进行了不同轮轨型面匹配的动力学仿真分析,并根据仿真计算结果,提出了现阶段我国铁路重载运输最佳轮轨型面匹配建议。     

轨道车辆轮轨非对称接触现象分析

针对广泛存在于轨道交通系统的轮轨非对称接触现象开展研究,探讨了轮轨非对称接触现象的形成原因,并分析了轮轨非对称接触现象对机车车辆动力学性能的影响。轮轨形面损伤、轮径差的存在均会导致轮轨非对称接触现象的产生,根据表现形式的不同,轮轨非对称接触可以分为非对称轨道与对称踏面的接触、对称轨道与非对称踏面的接触和非对称轨道与非对称踏面的接触3种基本形态。轮轨非对称接触的存在将会对机车车辆的动力学性能产生影响,在动力学分析中,应充分考虑轮轨非对称接触因素,以获得更加真实的仿真结果。     

高速客车轮对动力学性能的比较

为了比较不同车轮踏面及轮对内侧距对高速客车动力学性能的影响,首先采用改进轮轨接触几何关系算法分析了不同情况下的静态轮轨几何接触关系,然后通过车辆/轨道耦合动力学模型,对高速客车蛇行临界速度、运行平稳性和曲线通过性能进行了动态仿真计算。数值计算中,主要考察了LM、LMA、S1002和XP55等4种车轮踏面和轮对内侧距由1350 mm到1360 mm变化的情况。结果表明,车轮踏面形状和轮对内侧距对高速客车动力学性能有重要的影响,且LMA型车轮踏面与1353 mm的轮对内侧距匹配具有较好的动力学性能。要确定合适的车轮踏面和轮对内侧距,须从轮轨接触关系的变化出发,综合评估车辆动力学性能。     

高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响研究

为研究高速列车轮轨接触几何参数对轮轨磨耗的影响,选取修正的Elkins磨耗指数方法计算轮轨间的磨耗指数,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真的方法,将轮对、转向架构架和车体逐步进行弹性化处理,建立全弹性的车辆系统动力学模型,基于此模型进行数值计算,从时域、有效值、最大值3个方面,结合速度因素,分析摩擦系数、轮对内侧距和轨底坡对轮轨磨耗的影响。结果表明,在相同速度下,摩擦系数越小,轮轨磨耗越严重,随着摩擦系数的增大,轮轨磨耗趋于平稳;随着轮对内侧距的增大,磨耗指数整体呈增大趋势,但轮对内侧距对轮轨磨耗的影响较小;当轨底坡的值取为1/40～1/20时,轮轨磨耗较小;在相同轮轨接触几何参数下,列车运行速度的提高加剧了轮轨间的磨耗。     

高速轮轨关系试验台的数字样机研究

应用CAE系统进行轮轨关系试验台的数字样机研究。通过CATIA三维建模软件建立轮轨关系试验台CAD模型,应用ADAMS多体动力学仿真软件建立轮轨关系试验台的机构运动模型,应用多体摩擦接触元件建立轮轨接触摩擦模型。应用高速轮轨关系试验台数字样机进行轮轨黏着的数字试验研究。仿真研究结果为轮轨关系试验台的技术方案及其关键技术参数的选取提供了技术支持。     

基于ALE有限元的轮轨稳态滚动接触分析

基于Arbitrary Lagrangian Eulerrian(ALE)有限元方法建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.该模型用接触面上相对滑移速度定义轮轨滚动接触的黏着和蠕滑条件,并在虚功率方程中通过Lagrange乘子法引入接触界面上无切向滑移约束,更好地计算分析接触斑的黏着特性.该模型不但可以考虑材料、几何和接触非线性问题,还可以考虑车轮滚动速度、轮轨的实际几何形态以及惯性力的影响,并能分析接触斑的接触应力和相对滑移速度的分布情况.用该模型对单轮对在轨道上稳态滚动时的接触状态分析表明:基于该模型计算得到的轮轨滚动接触的接触斑形态和Hertz理论的椭圆假设有较大差别;通过相对滑移速度来描述接触斑滑动和黏着状态,更有利于描述轮轨的相互作用;明显观察到接触斑里的摩擦力分布和相对滑移速度的自旋效应;接触斑里摩擦力的旋转分布对轮轨系统的振动、轮轨的黏着和磨损的产生有较大影响.     

速度400 km/h轮对初始旋转惯性对滚动接触有限元模型的影响

基于显式动力学有限元方法所建立的三维轮轨滚动接触模型是研究高速铁路轮轨相互作用的有效工具。该模型既考虑轮轨的真实几何形状(包括不平顺)和材料非线性，又详细考虑轮轨间的几何接触关系和轮轨系统的纵向动力学性能，得到广泛的应用。在具体实现模型仿真时，采用隐式-显式相结合的办法。传统的做法是，隐式计算时不考虑车轮的旋转，只考虑重力作用下的静态位移场，然后将得到的静态结果作为显式计算的初始条件，同时对车轮施加前进速度和转动角速度以及转矩等条件，求解轮轨的相互作用。大量文献表明，用这种做法来启动显式动力学求解，会产生剧烈的初始瞬态响应，导致求解时间过长，甚至不收敛，尤其在速度高达400 km/h时。基于此，对上述模型进行了改进，在进行隐式计算时，首先考虑车轮的旋转，得到车轮在离心力作用下的位移，在此基础上再考虑车轮受重力作用与钢轨发生接触，得到接触斑、法向接触应力以及车轮的应力应变等，然后将更新后的结果作为显式计算的初始条件进行显式动力学求解。算例表明：改进后的模型可大大减小初始瞬态响应，减少有限元节点和网格数，从而加快计算的收敛过程，提高计算效率；轮轨力频谱存在无衰减频带，在该频带内轮轨力随着模...     

城市轨道交通列车轮对磨耗模型研究

为实时掌握城市轨道交通列车轮对在列车运行过程中的磨耗情况,结合某地铁线网下实际轮/轨参数,建立机车及轨道多体动力学模型,以仿真实际的轮轨接触作用。将动力学模型输出的轮轨接触变量与接触斑分析算法相结合,实现接触斑内滑动矢量的计算及黏滑区的界定。利用Archard磨耗模型分析接触斑滑动区,以获得接触斑内垂直磨耗情况。最后以接触变量分析-磨耗计算-型面更新为主体结构,采用多次循环的轮对磨耗仿真流程模拟轮对的磨耗过程,完成轮对磨耗模型的建立。将模型输出的轮对型面与实测型面进行对比,验证了模型的准确性。     

一种接触线振动在线监测方法

对接触线振动进行监测可判断受电弓当前运行状态,也可为接触网运维提供基础数据。对此提出一种接触线振动在线监测方法,以加速度计为核心设计一套接触线振动无线监测装置,并针对接触线的特点设计一种可靠性的安装结构,可对接触线的振动加速度进行直接采样并利用无线进行上传,利用四元数理论去除监测装置加速度的重力分量误差,以获取的振动加速度数据为基础,应用带滤波的离散频域积分方法求解接触线振动位移,最后利用接触线结构参数波动传播速度的实测值与理论值对比,验证方法的可行有效。通过在简单链型与弹性链型悬挂两种典型结构接触网导线的试验测试,结果表明:该装置可对接触线振动进行在线监测,接触线波动传播速度实测值与理论值基本一致,验证了该方法的可行性与有效性。     

道岔区轮轨力转移与分配特性研究

道岔区复杂的轮轨接触状态决定了其轮轨力特性与一般线路相比存在较大的差异。利用空间轮轨接触几何关系理论和Hertz非线性弹性接触理论，研究道岔区车轮与同侧并列的2股钢轨同时接触的2点接触问题。依据2点接触时轮轨弹性压缩量计算每一接触点上的轮轨力，由此确定车辆侧向和直向通过时的轮轨2点接触范围以及轮轨力转移和分配特性。结果表明：2股钢轨上轮轨力转移和分配特性不仅与钢轨外形、轨顶高度和宽度有关，而且与车辆过岔方式有关；考虑轮轨2点接触后的计算方法，消除了单点接触轮轨力计算中轮轨接触点从一股钢轨转移到另一股钢轨上时引起的轮轨力突变，使得轮轨力变化更为平顺和真实。     

独立旋转车轮导向机理研究

讨论了对导向产生影响的轮轨作用力;比较分析了传统轮对和独立旋转车轮的导向机理.结果表明传统轮对虽存在蛇行运动,但具有较好的导向性能;独立旋转车轮不存在蛇行运动,但其直线上自动对中性能和曲线上的导向性能不如传统轮对.     

车轮扁疤引发附加冲击力对车轴应力谱影响的研究

根据低接头冲击力公式与扁疤冲击速度公式,引入了一种简化的扁疤冲击力计算公式。为求得含扁疤冲击时车轴危险截面的应力,利用Koettgen虚应力求解策略,将左轮和右轮的横向、垂向随机轮轨作用力与扁疤冲击力解耦分别进行线弹性有限元计算,然后对应力分量叠加,利用Neuber缺口应力修正算法计算局部应力应变历程。本文根据数值仿真求解车轴应力谱的思路,利用上述方法计算了含扁疤冲击时车轴危险截面的应力谱,为疲劳可靠性评定提供了依据。     

大功率机车轮轨接触应力计算分析

轮轨关系是大功率机车车轮国产化的重要研究内容。轮轨接触应力分析是轮轨接触问题的基础。大功率机车轮对在运行过程中相对钢轨断面产生不同横移,直接影响轮轨接触应力。应用轮轨非线性接触理论及并行计算技术,构建大功率机车轮轨接触应力分析的大规模有限元模型,并在中国科学院研究生院计算地球动力学实验室的网络集群并行计算环境下完成有限元计算,研究了轮对横移量对大功率机车轮轨接触应力影响。计算结果表明,轮对不同横移时,车轮踏面内均出现塑性变形,塑性变形从车轮踏面内约6 mm处延伸至接触表面。轮轨接触斑的横向长度与接触面积随轮对横移量的变化有着相同的变化规律。随着横移量的改变,多数情况下的轮轨接触斑形态与Hertz理论的椭圆假设有较大差别。     

轮/轨几何学(待续)——轨道车辆与线路的共同课题

对车轮和轨道的一般性测量早就做出过定义,但两者的生产制造精度存在很大的差别.只有掌握了车轮和轨道的轮廓型面,并将两者相结合,才可能掌握几何接触状况对铁路运营车辆的运行性能所产生的影响.为了保证运营的安全、经济和舒适,应当在较长周期内对轮/轨系统确定新的条件,因此,需要独立的车辆和线路监测系统.     

2轮／轨几何学（待续）——轨道车辆与线路的共同课题

对车轮和轨道的一般性测量早就做出过定义，但两者的生产制造精度存在很大的差别。只有掌握了车轮和轨道的轮廓型面，并将两者相结合，才可能掌握几何接触状况对铁路运营车辆的运行性能所产生的影响。为了保证运营的安全、经济和舒适，应当在较长周期内对轮／轨系统确定新的条件，因此，需要独立的车辆和线路监测系统。     

上海轨道交通8号线车辆车轮踏面设计优化及测试

针对上海轨道交通8号线车轮踏面异常磨耗情况,根据轮轨间的几何接触特性关系,采用了基于轮径差函数的方法,优化设计了新的车轮踏面外形;运用MATLAB/SUM LINK软件来搭建车辆模型,通过仿真模拟,比较了装有新、旧设计踏面的整车性能差异,得出新踏面外形具有明显减磨性能优势的结论。通过实际装车试验,分析了装有新、旧踏面车轮的磨耗情况,从而验证了新踏面外形具有明显减少钢轨和车轮之间的相互磨耗的特性的结论。     

槽型轨与车轮接触几何关系初步研究

研究了槽型轨的结构特点,提出了槽型轨与车轮接触几何关系的计算方法,得到了轮轨接触几何参数;并将槽型轨和普通钢轨的接触几何关系进行了比较,结果表明,槽型轨能够有效避免机车车辆脱轨。     

轨头不平顺对列车提速危害的计算机仿真研究

采用车辆-轨道耦合大系统的思想,将钢轨简化为弹性点支承有限长的欧拉梁、轮轨接触关系采用弹簧接触,建立出轮轨动力学模型.分析车轮以不同速度行驶过程中,受轨道低接头不平顺激励下轮轨相互作用垂向振动响应.并得出低接头不平顺对列车提速的影响.