水介质对轮轨粘着特性的影响

借助于水介质作用下轮轨接触的数值解法，建立高速轮轨水介质粘着力的数值分析方法，讨论了水介绍作用下轮轨粘着力随列车运行速度的提高而急剧下降的变化特性，给出了轮轨粘着力下降机理的定性解释。     

基于全尺寸试验台的水介质条件下高速轮轨黏着特性试验研究

基于全尺寸高速轮轨关系试验台,模拟轮轨接触界面在水介质条件下的轮轨黏着特性,研究喷水量、轮轨接触表面粗糙度、喷水温度、轴重和运行速度对水介质条件下高速轮轨黏着系数的影响规律。结果表明:水介质条件下,喷水量、轮轨接触表面粗糙度、运行速度对轮轨黏着系数影响较大,喷水温度和轴重对其影响较小;随喷水量的增加轮轨黏着系数逐渐减小,但当喷水量达到200mL·min-1后黏着系数不再减小;随着表面粗糙度的增加,运行速度对轮轨黏着系数的影响逐渐减弱,表面粗糙度增至1.0～1.1μm时运行速度对轮轨黏着系数的影响很小;在40～200km·h-1速度范围内,轮轨黏着系数随速度的增加减小得较快,而在200～400km·h-1速度范围内减小得较为缓慢;轮轨黏着系数随喷水温度的升高而增大,喷水温度为0℃(下雪)时的轮轨黏着系数较常温时下降11%～15%;轮轨黏着系数随轴重的增加而减小,在动车组常用轴重10～16t范围内轴重对轮轨黏着系数的影响只有10%左右。     

时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究(一)——水介质条件下黏着特性

300～400 km·h-1速度范围内高速列车在湿轨条件下的制动黏着行为特点尚不清楚,制约着时速400 km高速列车制动黏着的有效利用.针对这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,研究高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性,提出基于高速轮轨关系试验台的轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性试验方法,探究100～400 km...     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

时速400km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着系数试验研究

在试验条件基本相同的情况下,全尺寸高速轮轨关系试验台与线路实车在160～300 km·h~(-1)速度范围内轮轨牵引黏着系数试验结果有较好的一致性。利用全尺寸高速轮轨关系试验台,测试时速400 km速度级内水介质条件下车轮表面在低、中、高粗糙度水平时牵引黏着系数随速度的变化规律,并将车轮在中等粗糙度水平时的试验结果与日本新干线的试验结果进行比较,提出我国高速轮轨间水介质条件下牵引黏着系数与速度的关系表达式。结果表明:在水介质条件下,轮轨接触表面状态相同时,牵引黏着系数随速度的增加而减小,速度较低时(40～200 km·h~(-1))随速度的增加减小得较快,而速度较高时(200～440 km·h~(-1))随速度的增加减小得较慢;40～440 km·h~(-1)速度范围内各个速度级下,车轮高粗糙度水平(R_a为0.7～0.8μm)时牵引黏着系数较中等粗糙度水平(R_a为0.4～0.6μm)时增加0.036左右。     

钢轨波磨区段高速轮轨瞬态滚动接触高频动态特性

考虑轨道—车辆系统耦合振动以及轮轨几何非线性,建立高速轮轨瞬态滚动接触三维有限元模型,利用隐式与显式相结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动接触过程,轮轨接触采用面—面接触算法。基于列车通过频率和钢轨Pinned-Pinned频率,分析非稳态载荷作用下钢轨短波波磨区段轮轨间相互作用以及列车通过频率对波磨区段轨道—车辆系统动态响应的影响。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨瞬态接触力和牵引比随钢轨波磨几何不平顺的变化呈周期性波动,且牵引比与钢轨波磨几何不平顺呈反相位;当列车通过频率与钢轨PinnedPinned频率相近时引起轮轨系统共振,轮轨接触力出现"拍"振特性,在轨枕附近整体振动较大,加速钢轨扣件伤损,而在2个轨枕跨间整体振动较小;在牵引扭矩作用下,轮轨接触存在周期性黏滑振动,轮轨系统共振时,轨枕附近波磨波谷处的钢轨滑动磨损加剧,加速钢轨波磨的发展。     

高速轮轨粘着机理试验研究

系统介绍了在滚动振动试验台上所进行的１：１实物模型高速轮粘着机理试验情况，试验包括干净表面、水润滑和油润滑三种轮轨表面状态在不同轴重、不同速度工况下的粘着试验。试验不仅得到了完整的粘着力（粘着系数）与蠕滑率的关系，同时得到了粘着系数与运行速度的关系。最后，通过拟合轮轨接触函数型摩擦系数并进行计算，首次使轮轨接触粘着计算与试验结果一致。     

车轮不圆顺轮轨滚动接触行为的动态有限元仿真方法

高速轮轨滚动接触行为涉及几何、材料和接触非线性,动态效应显著,加之轮轨缺陷引起的接触不平顺等诸多因素的耦合影响,以及轮轨缺陷的尺寸、形状、位置和分布的随机性特点,给准确求解高速轮轨系统的动态响应带来极大挑战。针对上述诸多困难,以车轮不圆顺为例,提出将其转换为轮轨接触位移不平顺的动态有限元仿真方法,该方法在考虑轮轨系统强非线性特征和动态效应影响的同时,能够较好地表征缺陷的随机性特点,并能够有效地求解轮轨接触应力/应变状态。     

地基刚度对三维非线性轮轨接触的动力影响

研究目的:为了进一步探明地基刚度对轮轨接触的影响,以轮轨接触三维实体非线性有限元模型为研究对象,采用瞬态动力学分析方法,在轨道不平顺的条件下研究地基刚度对轮轨接触的动力影响。研究结论:结果表明:(1)车轮的总位移主要是地基的弹性变形,在不平顺激励力的作用下,地基刚度对轮轨的位移、应力等影响较大,选取合理的地基刚度可以降低轮轨之间的应力;(2)通过分析列车速度和轮重对轮轨竖向位移、接触应力以及加速度的影响,得出合理的地基刚度为600~1 000 MPa/m;(3)本文所总结的轨道不平顺条件对轮轨接触的影响规律,以及车速、轮重、地基刚度对轮轨振动的影响规律对高速列车的地基和轮轨接触设计具有参考作用。     

重载运输与轮轨接触

指出了轮轨接触问题在重载运输中的突出作用并分析了原因，论述了重载运输所面临的大量轮轨关系问题并分析了接触问题在其中的关键地位。认为非赫芝特性是轮轨接触问题的基本特性，只有在这一认识水平的指导下，才有可能深入探讨轮轨接触的实质，解决重载运输所提出的轮轨接触问题。     

车轮型面演变对高速道岔区轮轨接触行为影响分析

为研究车轮型面演变对高速道岔区轮轨相互作用影响,以某CRH2型动车组和250 km/h 18号高速道岔为对象,基于迹线法原理和三维非赫兹滚动接触理论,计算分析了列车在不同运营里程下高速道岔转辙器区轮轨接触几何特性及接触力学行为特征,研究结果表明:车轮型面演变过程中轮轨接触点对分布状态发生改变,接触点不连续性和跳跃性增大;道岔横向和竖向结构不平顺幅值均发生明显变化,轮载过渡位置延后;车轮磨耗加剧,轮轨接触应力先减小,运营里程达到20万km后开始增大;结构不平顺、轮轨接触应力等指标在列车运营里程达20万km时会发生突变或有极大值。     

轮轨振动行为下高速轮轨滚动接触瞬态特性分析

以CRH2型高速列车头车为研究对象,在轮轨滚动振动接触简化模型的基础上,采用多体动力学软件UM建立高速列车多体动力学数值模型,求解轮轨振动行为下的接触参数并作为有限元分析的输入;采用有限元方法建立高速轮轨滚动接触瞬态有限元模型,对轮轨振动行为下的高速轮轨滚动接触瞬态特性进行分析。结果表明:轮轨的垂向振动明显,轮轨垂向力呈周期性变化,且周期约为0.1s,振动频率约为10 Hz,轮轨垂向力最大为115 751.8N、最小为688.4N,分别为轮轨静载荷的1.938倍和0.012倍;轮对横移的振动频率约为1.05Hz,振幅为5.26mm;轮对横移量在0.5s时最大,为0.2s时的7.17倍,但纵、横向蠕滑力在0.2s时的大于0.5s时的;不同时刻轮轨间纵、横向蠕滑力的均值分别为13 542.11和1 239.07N;在一定范围内,纵、横向蠕滑力与轮轨垂向力、轮对冲角以及接触斑面积呈正相关。     

高速动力车轮轨几何参数设计

本文对我国机车与德国高速动力车轮轨几何关系中的基本参数作了比较，结合我国实际情况，确定了我国高速动力车的轮轨匹配基准，在此基础上，按照磨耗型踏面设计原则，编制了踏面设计程序，设计了大量踏面外形，并用轮轨接触几何关系程序作了计算和分析。结合高速动力车整体性能，选择了一种等效斜度特性全理，轮轨接触状况优良，对轨底坡适应性较强的踏面，作为我国高速动力车车轮的磨耗型踏面。     

随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

以现场实测轮轨力为样本,利用参数假设检验方法,确定轮轨力幅值和频率特征,进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。建立轨道结构的多跨连续梁模型,分析群载作用下钢轨受力情况,确定最大弯曲应力所在位置;利用子模型技术,取最大弯曲应力所处的一跨钢轨为研究对象,建立子模型,分析不同幅值下轮轨接触斑内局部应力情况。根据临界平面法思想,建立随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型。结合具体实例分析表明:在一定速度范围内,轮轨力符合正态分布;根据随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,预测U75V钢轨通过约560万吨总重时轨面萌生裂纹,与现场观察结果吻合。     

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。     

高精度高速连续测量轮轨动态作用力的研究

采用高精度高速连续测量测力轮对是高速铁路联调联试、安全评估、轮轨关系及系统动力学仿真研究的重要技术手段。本文系统地论述高速测力轮对的基本原理以及基于综合误差最小化的设计方法、基于可靠性的制造工艺、基于精度的动静态标定等关键技术,介绍其在0号高速综合检测列车上的应用情况。结果表明,运用该技术的高速测力轮对,可在复杂运用条件下连续得到包括垂向力、横向力、纵向力及轮轨接触位置在内的完整的轮轨作用力学参数,为轮轨动态作用的深入研究创造条件。本文还就如何利用测力轮对改进高速铁路轮轨系统动力学仿真技术进行探讨。     

复杂运行环境下高速轮轨最佳撒砂增黏策略试验

在车轮-钢轨高速接触疲劳试验机上开展水、油和树叶等污染下的高速低黏着和增黏试验,通过最高速度200km·h-1的对滚试验,测得不同第三介质条件下的轮轨黏着-蠕滑特性曲线,研究增黏砂粒径和撒砂量对增黏效果的影响。结果表明:喷撒增黏砂可有效恢复各种污染下的轮轨黏着水平,使200km·h-1下轮轨黏着系数保持在0.18以上,低速下更高;增黏砂粒径在0.4~1.0mm范围内增大或撒砂量在40~100g·min-1范围内增加时,增黏效果均稍稍增强,综合考虑确定试验机的最佳撒砂量为40g·min-1、最佳粒径为0.85~1.0mm;考虑试验机与现场轮轨系统的尺寸差异、运行时复杂气流所致砂粒损失及适当冗余度等因素,建议现场最佳撒砂量为115~175g·min-1、最佳粒径为1.0~2.0mm;喷撒增黏砂会造成车轮接触表面的麻坑损伤,也是造成现场车轮踏面常见麻坑损伤的根本原因。     

轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响分析

研究目的:目前关于轨底坡对轮轨接触行为影响的研究很多,但轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响的相关研究还未开展。为分析轨底坡对我国高速车轮与60N钢轨的轮轨接触行为影响,基于迹线法和三维非赫兹滚动接触理论,分别研究不同轨底坡下高速车轮LMa、XP55、S1002G与60N匹配时的静态轮轨接触特性,包括等效锥度、接触带宽、轮轨接触应力和表面疲劳因子等。研究结论:(1)在1/10的轨底坡下,三种高速车轮型面与60N钢轨接触时表面疲劳因子大于零的情况居多,说明1/10的轨底坡易导致轮轨表面裂纹的出现,不适用于高速轮轨匹配;(2)LMa型面的接触带宽随轨底坡的减小而增大,轮轨接触应力随轨底坡变化不大,轨底坡为1/20时轮轨型面匹配较优;(3)当轨底坡为1/30时,XP55型面的等效锥度最大,使其拥有较好的轮对对中性能和曲线通过能力,轨底坡为1/30时轮轨型面匹配最优;(4)轨底坡对S1002G的等效锥度影响不大,轨底坡为1/20时的接触带宽较小,横移超过4 mm后1/20轨底坡下的轮轨法向接触应力较小,综合来看轨底坡为1/20时S1002G轮轨型面匹配较优;(5)本研究成果可为我国高速铁路轨底坡的设置提供参考。     

轮轨接触力学研究的最新进展

本文论述了西南交通大学牵引动力国家重点实验室近几年来在轮轨接触力学及其应用研究方面的最新研究成果，其中包括Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论的全尺寸模型试验验证、高速动态轮轨蠕滑力的试验研究、基于理论和数值方法的轮轨接触表面粗糙度和污染影响的分析、高速粘着的脱轨试验研究及其机理分析，对钢轨的波磨现象也作了论述，并提出了今后的研究方向。本文所介绍的研究成果对我国今后进一步开展轮轨关系的研究将起到促进作用。     

实测轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响分析

由于铁路系统的开放性，轮轨界面难以避免遭受第三介质(如水、油、雪等)的侵袭，轮轨蠕滑特性将因此改变。为研究轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响，首先，基于最小二乘法原理获得适用于Polach接触模型的参数，以模拟水介质条件下40～400 km/h行车速度范围内的实测轮轨蠕滑曲线；随后，采用SIMPACK多体动力学仿真软件建立车辆-轨道动力学模型，利用FASTSIM算法和Polach模型分别模拟理想条件与实测轮轨蠕滑曲线，以300 km/h运行速度为例，详细对比这两种蠕滑曲线条件下车辆-轨道动态相互作用的差异，并进一步分析运行速度的影响。研究表明：车辆运行速度为300 km/h时，实测轮轨蠕滑曲线对应的轮对横移量和轮对摇头角分别为干态工况结果的1.375倍和3.2倍，进而导致纵/横向蠕滑率明显大于干态工况结果；速度所致轮轨蠕滑曲线的差异对轮轨蠕滑力、脱轨系数以及磨耗指数影响较大，速度为160 km/h时尤为显著。因此，在进行车辆-轨道耦合动力学仿真分析时，有必要考虑实测的轮轨蠕滑曲线。