非赫兹接触理论在货车轮轨接触应力分析中的应用

本文在对轮轨非赫兹接触计算程序进行开发的基础上,用该程序分析计算了我国货车作用21t、23t、25t 轴重情况下的轮轨接触应力、接触面积,并在 JD—1型轮轨模拟试验机上对非赫兹接触理论计算结果进行了试验验证。通过理论分析与计算结果比较得出:轮轨接触应力宜用非赫兹接触理论计算而不宜用赫兹接触理论计算。     

轮轨共形接触的有限元分析

建立了机车在曲线通过时,车轮轮缘贴靠钢轨过程的轮轨共形接触计算模型,采用有限元参数二次规划法求解轮轨接触问题,得出了不同接触位置、不同载荷工况下的轮轨接触力,详细分析了轮缘贴靠钢轨过程中接触力的变化规律,为解决轮轨磨耗问题提供了理论依据.     

考虑表面微观粗糙度的轮轨接触弹塑性分析

采用接触单元方法,结合初应力法,采用测量获得的表面微观粗糙度,对轮轨弹塑性接触问题进行了研究,获得了轮轨的表面接触压力分布等结果。结果表明,轮轨表面微观粗糙度度使得接触区的峰值接触压力大大高于平整接触表面的接触压力,会造成轮轨表面出现塑性变形。对含表面粗糙度的轮轨接触问题,进行弹塑性分析是必要的。     

车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状，强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响；总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果；介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究，分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响，以及车轮踏面缺陷的形成原因、影响规律与演变机理，重点关注了轮轨动态效应对高速轮轨滚动接触行为的影响；概括了车轮踏面缺陷的检测技术与减缓和防治措施。研究结果表明:车轮踏面缺陷致使轮轨冲击力显著增大，导致轮轨部件损伤和车体异常振动，严重影响车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车动力学性能，甚至威胁列车运行安全；车轮踏面缺陷的成因与机理仍需进一步探究，车辆异常制动、轮轨低黏着状态均会导致车轮扁疤的产生，轮轨材料特性、轮轨间接触载荷、轮对共振、列车制动系统性能与线路运行条件/环境等均是导致车轮踏面发生剥离的主要影响因素，轮轴共振、轮轨摩擦振动、车轮制造镟修工艺等均与车轮多边形的形成有密切联系；改善轮轨材料的性能，控制轨道系统的支撑刚度/阻尼及轮轨间摩擦因数等均是抑制车轮踏面缺陷产生的有效途径。      

轮对摇头运动对轮轨滚动接触蠕滑率／力的影响

用数值分析方法分析了单轮对的摇头运动对其左右轮轨滚动接触斑上蠕滑率／力的影响。在轮轨滚动接触蠕滑率／力关系分析方面，利用了Ｋａｌｋｅｒ的三维弹性体非赫兹滚动接触计算模型。通过分析计算可知，轮对摇头角运动参量是影响轮轮之间横向蠕滑力的主要因素。     

车轮多边形对重载机车轮轨相互作用及接触损伤的影响分析

为了研究重载机车轮轨接触损伤问题，建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型，研究车轮多边形与多种轨面摩擦条件下的机车轮轨系统动态相互作用行为.在此基础上，建立基于轮轨系统动力学响应的车轮踏面疲劳损伤预测模型，研究制动工况和轮轨接触表面变摩擦条件下车轮多边形磨耗对车轮表面磨损的影响.结果表明：严重的车轮多边形磨耗不仅加剧轮轨动态相互作用，也会增大轮轨接触界面磨耗损伤；在干燥接触条件下，车轮多边形会加剧车轮踏面疲劳损伤，车轮多边形导致机车第1位轮对和第4位轮对的损伤指数波动范围较正常车轮损伤指数的波动范围增大19.59%和39.43%；在低黏着接触条件下，车轮多边形会加剧车轮磨耗，车轮多边形导致轮轨蠕滑力波动增大5.85倍，使得机车第1位轮对和第4位轮对的磨耗数波动范围增大6.44倍和6.22倍.     

铁道车辆轮轨滚动接触疲劳裂纹研究综述

轮轨滚动接触疲劳是铁道车辆轮轨关系主要问题之一,国内外众多学者对此做了大量研究。从试验和数值分析两个方面综述了铁道车辆滚动接触疲劳作用下裂纹萌生机理及其预测方法,总结了在该领域的研究方向与热点;同时对轮轨滚动接触疲劳防损对策研究也进行了总结和分析。从已有的研究成果来看,滚动接触疲劳损伤机理并没有形成统一的结论,特别是对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的机理分析还只是起步阶段,缺乏系统的研究成果,轮轨滚动接触疲劳防损对策也缺乏系统性。     

全滑动状态下轮轨接触热弹性应力

用有限元法建立了轮轨接触热-机械载荷耦合计算模型.在传热模型中考虑了轮轨间非稳态热传导以及轮轨与环境的热对流和热辐射.着重分析因全滑动磨损轮轨接触斑扩大过程中的温度场和应力场,磨损速度对热弹性应力场的影响,以及轮轨在热-机械载荷共同作用下材料最易发生破坏的位置.计算结果表明,磨损速度对磨损过程中温度场和应力场的影响很大,轮轨接触表面附近的最大剪应力和剪应变平面与滑动方向所成夹角约为50°和140°.     

轮轨三维非线性静态接触应力及其影响因素分析*

轮轨接触是高速列车运营安全中的关键问题,研究轮轨三维非线性静态接触应力及其影响因素是解决这些问题的关键。利用有限元分析软件 ANSYS,建立三维轮轨有限元模型,轮轨之间建立面面接触单元,对 TB锥形踏面和CHN60钢轨静态接触进行计算,分析轮重和材料模型因素对接触斑形状和面积的影响,并与 Hertz理论解进行对比,进而分析平均接触应力、轮轨 Mises应力的影响,再利用弹簧单元模拟弹性地基,考虑地基刚度因素对轮轨静态法向接触应力的影响。结果表明：轮轨接触斑面积和形状是轮轨接触应力的主要影响因素;轮轨接触斑形状与 Hertz理论的椭圆接触斑存在差异,随着轮重增加,接触斑面积的差距逐渐越大,导致轮轨平均接触应力不同;弹性材料的接触斑面积小于弹塑性材料接触斑面积;轮轨接触不可避免的出现塑性变形;法向接触应力随着地基刚度减小而减小,但过小的地基刚度会增加地基变形,对列车长期运行不利。     

高速列车轮轨弹塑性滚动接触理论和数值方法的研究

课题组根据2004年度项目工作要点：在建立轮对和钢轨处于刚性约束条件下的运动方程和轮轨接触界面的滑动方程、建立二维弹塑性滚动接触理论模型、轮轨二维非稳态滚动接触条件下材料棘轮效应对轮轨滚动接触参与应力应变分析、二维滚动接触条件下滚滑温度分析计算、二维滚动接触条件下粗糙度和水膜对轮轨滚动接触影响分析等方面开展了研究。同时，     

地铁车辆轮轨型面匹配分析

为了分析地铁车辆常用的LM型踏面、内侧距1 358 mm和1 360 mm的S1002型车轮踏面分别与60 kg/m钢轨匹配特性.进行了轮轨接触几何、非赫兹滚动接触、车辆轨道耦合动力学计算.轮轨接触分析表明,LM轮轨接触点能够均匀分布于钢轨型面,轮对等效锥度随轮对横移呈增大关系,接触斑面积偏小、最大等效接触应力偏大、磨...     

磨耗状态下城际动车组轮轨曲线磨耗特性

以CRH6A城际动车组为研究对象，基于实测磨耗后轮轨型面，利用多体动力学软件Universal Mechanism建立了车辆动力学模型，计算了通过曲线时的轮轨力与轮对位置参数；在非线性有限元软件ABAQUS中，基于任意拉格朗日欧拉方法建立了轮轨三维滚动接触模型，计算了轮轨接触应力特性和滑移特性；基于Archard磨损模型，提出一种车轮表面接触区域磨损速率快速计算方法，研究了新轮、磨耗初期车轮和磨耗到限车轮与新轨、磨耗后钢轨相互作用下，车轮通过曲线时接触区域磨损特性。研究结果表明:新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮和新轨、磨耗到限车轮与新轨相互作用下最大法向接触应力分别达到了2 017、1 803和1 668 MPa，比新轮和新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨、磨耗到限车轮和磨耗后钢轨3种作用下最大接触应力高出20%以上；新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮与新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨相互作用下，轮轨间出现两点接触、三点接触，甚至四点接触；在多点接触下，轮缘处接触点表现出应力集中且磨损速率较高的特点，最大磨损速率分别达到2.60×10-5、3.82×10-5、3.52×10-5 mm·s-1，远高于新轮和新轨、磨耗到限车轮和新轨、磨耗到限车轮和旧轨3种作用下的磨损速率；磨耗到限车轮和新轨与磨耗钢轨相互作用下的磨损速率均相对较小，说明在磨耗后期的车轮磨耗相对较小；轨角磨耗会严重加剧新轮的轮缘磨耗，且磨耗初期车轮具有较高的轮缘磨损速率，应将车轮镟修周期和钢轨打磨周期相协调，并通过涂油等方式降低磨耗初期的轮缘磨损。      

改善轮轨接触状态的车轮型面几何设计方法

改进了车轮型面设计方法,给出了设计方法的解析数学表达式,将轮对等效锥度与轮轨型面接触状态联系起来,对设计实例进行了轮轨几何接触、非赫兹滚动接触和车辆动力学性能分析.研究结果表明:轮轨接触点能够均匀分散分布;由于接触斑面积增大约23%,最大接触压力降低约21%,使轮轨滚动接触应力降低了约20%;装备实例型面的车辆临界速度...     

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.      

测力钢轨轮轨力连续输出算法

根据轮轨相互作用特点,利用地面测试数据的信息,采用阈值判断法提取有效的轮轨力数据。设计基于径向基函数神经网络的算法,用以处理不同测试单元处的轮轨力的非线性关系,用不同车轮不同作用点位置作用下的横、垂向力训练神经网络,实现了测力钢轨轮轨力的连续测试,并对3种工况进行了仿真试验。分析结果表明：既存在干扰又存在应变片损坏时的...     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

基于mixed Lagrangian/Eulerian方法的轮轨滚动接触特性分析

为了缩短有限元方法显式计算轮轨滚动接触的时间,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立了轮轨滚动接触有限元模型.应用该模型对轮轨接触区的单元进行细化,计算了列车在启动、运行和制动工况下轮轨的接触特性.计算结果表明:不同工况下,轮轨滚动接触区最大Mises应力、最大接触应力和接触斑面积等法向特性变化幅度均在2%以内,但接触区纵向截面中Mises应力分布及纵向剪切应力分布有较大变化;启动和制动工况下,最大Mises应力和最大纵向剪切应力位置均比自由滚动时更接近于轮轨表面;不同工况下,摩擦力大小和方向发生变化,在列车牵引和制动工况中,摩擦力达到极限时轮轨间出现完全滑动,摩擦力方向与滑动方向相反,且不同速度等级下的纵向摩擦力变化幅度也在2%以内.      

轮轨接触关系计算方法

为了在车辆-轨道耦合动力学仿真中能更真实反映轮轨接触状态,利用迹线法原理和轨廓分区法,在考虑轮对的横移、浮沉、摇头、侧滚和左右钢轨的横移、浮沉、侧滚的条件下,分别计算轨顶和轨侧区域与车轮的最小轮轨间隙量,以此来判断轮轨的真实接触状态:正常的一点接触、非正常的一点接触、两点接触和车轮完全悬浮,并根据非线性赫兹接触理论分别求得两接触点处的轮轨法向力。轮轨接触关系仿真结果表明根据轮轨接触关系计算方法得出的轮轨接触关系符合车辆在实际线路上的运行状态。     

机车车辆／轨道系统垂向耦合动力学分析

考虑到多刚体系统动力学研究方法在建模及计算方面的局限性，将有限元法引入到机车车辆／轨道大系统的垂向耦合振动研究中来．为了真实模拟在轨道上不同位置的轮轨接触关系，用有限元参数二次规划法求出了轮轨等效接触刚度曲线，建立了统一的机车车辆／轨道耦合系统．通过建立系统的有限元分析模型，利用精细时程积分算法求解系统振动方程，分析研究了机车车辆在无限长轨道上运行时，在轨道不平顺激扰下，轮／轨间相互作用力、机车车辆／轨道系统中各部件的振动加速度及位移变化规律．研究结果表明，该方法不但可行，而且具有其它传统方法无可比拟的优越性．     

非椭圆接触面下钢轨三维弹塑性应力分析

轮轨接触应力的计算是轮轨关系的一个重要课题。建立了一个任意形状钢轨和车轮在任意点接触时,接触面形状和接触面力的计算模型,然后把计算出的接触面力作为外载施加到三维弹塑性有限元模型中,进行轨头中部应力的计算,从而构成了一个完整的计算方法。最后的计算结果表明,该方法适用于具有复杂外形特征的轮轨接触应力的计算。