不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

以直径为860 mm的LMA踏面轮对和60 kg.m-1钢轨为例,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨滚动接触有限元模型,利用集群逻辑结构的并行计算平台求解该模型,并对不同摩擦系数下轮轨滚动接触特性进行分析。研究表明:摩擦系数对接触斑面积、接触区Mises应力值和法向接触应力影响不大;随着摩擦系数的增大,接触斑黏着区面积增加,接触区内横向和垂向剪应力增大且位置向接触区表面靠近;在相同牵引力矩作用下,随着摩擦系数的增加,轮轨纵向剪应力明显增大;接触斑内摩擦力矢量的纵向分量也随之增大,轮轨摩擦力及其绕原点合力矩的纵向分量也变化明显,最大增幅超过30%,自旋力矩值也随之增大且其中心点在接触斑内沿牵引方向前移。     

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。     

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.     

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。     

考虑冲角影响的改进脱轨准则

根据轮对的准静态平衡方程确定车轮脱轨的临界条件.定义横向蠕滑力与法向力之比为等效摩擦系数,研究冲角和摩擦系数对脱轨临界状态时等效摩擦系数的影响规律.结果表明:轮缘接触侧和踏面接触侧的等效摩擦系数均与冲角呈现明显的反曲函数特征.通过以Boltzmann反曲函数拟和等效摩擦系数与冲角及摩擦系数的关系,提出了考虑冲角、摩擦系数及轮缘角影响的改进脱轨系数判别公式和轮重减载率公式.改进的脱轨系数判别公式不失Nadal脱轨准则的简洁性,改进的轮重减载率公式能够考虑作用于轮对上的横向力和垂向力的影响.改进公式的准确度受轮缘角和摩擦系数的影响不大,对不同的轮轨踏面配合及不同摩擦系数均可提供满意的脱轨判别限值.     

关于复合式衬砌整体计算模型的思考

复合式衬砌传统计算方法常忽略初期支护内力计算及其安全性检验,二次衬砌所承担的围岩荷载根据围岩条件进行经验确定。针对其不足,提出适用于复合衬砌的整体计算模型,并通过实例计算分析传统计算模型与整体计算模型下内力产生差异的原因。围岩与初支间接触的模拟需考虑其法向及切向约束作用。软弱围岩对初衬的最大剪切约束力与围岩的黏聚力、内摩擦角及两者所传递的法向压力有关,当围岩与初衬间的剪切力大于最大剪切约束力后,软弱围岩所能发挥的剪切约束与剪切位移、摩擦系数及两者所传递的法向压力有关。因防水板的设置,初衬与二次衬砌仅需考虑其法向约束作用,以仅受压弹簧模拟围岩与初衬及初衬与二次衬砌间的法向约束,可较为真实地模拟接触受压后方能传递压力的特性。传统计算模型下,围岩荷载承担比例的增加对衬砌内力分布形式影响较小,衬砌内力值与围岩荷载基本成同比例变化;整体计算模型下,围岩荷载在初衬与二次衬砌间进行自适应分配,衬砌所受荷载大小及分布形式与传统计算模型下的荷载具有较大差异,因此内力大小及分布形式也随之发生变化。     

局部接触对制动盘温度及摩擦性能的影响

将摩擦块设计为2侧接触和中间接触2种接触形式,利用轨道列车缩比惯性制动试验台,分别在制动压力为0.50,0.75和1.00 MPa,制动速度为50,80,120,160和200 km·h~(-1)条件下,研究局部接触形式对制动盘表面温度和摩擦性能的影响,并与全接触形式对比。结果表明:局部接触的位置对盘面温度和摩擦系数的影响明显;在制动速度为200 km·h~(-1)、制动压力为1.00 MPa工况下,局部接触导致摩擦系数降低约10%左右;相对于全接触,中间接触时盘面峰值温度升高约31%、最大温差增大约37%,2侧接触时盘面峰值温度下降约11%、最大温差减小约68%。其原因在于中间接触时接触区域与盘面高能量区重合,起到了加剧温度集中程度的作用,而2侧接触时接触区域偏离高能量区,有助于改善盘面温度的均匀性。     

轨道振动对轮轨接触压力影响的数值分析

轮轨滚动接触振动是产生轮轨噪音、波浪形磨损和滚动接触疲劳的主要原因。本文采用数值方法分析全尺寸滚振试验台和原形尺寸单轮对试验装置进行轮轨滚动接触振动对轮轨需滑力影响的试验现象，确定了影响轮轨滚动接触正压力的主要因素。分析中采用了“集中质量法”对用来模拟轮轨关系的轮／轮物理模型进行了离散，论／轮接触表面的法向变形满足Hertz接触条件。     

接触面积和接触方式对制动盘温度场的影响

摩擦块的接触面积和接触方式影响制动盘温度分布及峰值温度,温度场又是决定制动盘服役寿命的重要因素。利用ADINA有限元软件,针对设计的两种接触方式的三角形摩擦块与制动盘组成的摩擦副,数值模拟制动压力0.7MPa、制动速度200km/h工况下,接触面积对制动盘温度场的影响。结果表明,随接触面积的减小,峰值温度时刻与制动结束时的盘面温度小幅度升高。接触方式的不同,会导致盘面温度分布和峰值温度的差别。中间接触方式的接触弧长度长,盘面高温区集中在中部,温度高,径向温度梯度大。两侧接触方式位于两侧的摩擦区生热,利于向盘中部无摩擦区的热传导,使盘面温度均匀程度提高。     

30t轴重重载列车轮轨法向接触应力分析

轮轨接触应力对轮轨磨耗和滚动接触疲劳影响较大,因此精确计算轮轨接触点与接触应力非常重要。本文基于重载铁路轮轨标准型面,利用改进的轮对轴向切片投影法,准确找到轮轨多点接触。引入弹性压缩量,找到接触斑,利用一种精确计算轮轨接触应力的方法求得轮轨法向接触应力,并考虑轮轨摇头角和侧滚角的影响。结果表明:该方法在寻找轮轨多点接触与计算轮轨接触应力时结果较为准确、直接和全面;轮轨接触斑随着轮对横移和摇头角变化,呈现非椭圆形状;一侧车轮轮缘和轨距角处接触,曲率半径较小,轮轨法向接触应力最大值可达3 400MPa,而另一侧轮轨的法向接触应力均小于2 000MPa。在轮对横移量为0~3mm时,摇头角的增加使右轮轨接触斑面积减小,相应的接触应力增大;在轮对横移量为4~9mm时,摇头角的增加使右轮轨接触斑面积增大,相应的接触应力减小;摇头角的增加对左轮轨接触状态有利,但影响不明显。