地铁车辆轮轨法向接触问题研究

轮轨法向接触是影响轮轨磨耗和滚动接触疲劳的关键因素。分析了赫兹接触理论以及Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论(精确理论),建立了地铁车辆轮轨接触有限元模型,计算不同轮对横移量下的轮轨接触斑形状和法向接触应力。计算结果表明:在踏面接触工况下,CONTACT的计算结果与有限元模型计算结果一致,而在轮缘接触工况下,CONTACT程序受弹性半空间假设限制导致计算结果与有限元模型计算结果相差较大;赫兹接触由于受接触斑内轮轨曲率为常数的限制,导致其计算结果与CONTACT和有限元模型计算结果相比有较大出入。     

轮对/轨道滚动接触蠕滑率/力分析

用数值方法定量地分析了铁路货车单轮对运动的过程，获得了轮轨滚动接触蠕滑率／力变化情况，在轮轨滚动接触蠕滑率／力关系分析方面，利用了Ｋａｌｌｋｅｒ的三维弹性体非赫兹滚动接触计算模型。     

轮轨接触几何分析及其在Maple下的实现

为满足列车动力学仿真对轮轨接触点位置的精度要求,采用解析方法建立轮轨空间接触几何的约束方程组,并给出其在二维轮轨接触几何情形时的简化形式.以S1002车轮踏面和UIC60钢轨为例,基于符号计算平台Maple软件对该约束方程组进行求解,得到轮轨接触几何参数.结果表明:二维轮轨接触时的滚动半径差、接触角差、接触点在车轮踏面...     

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.     

轮轨接触振动及其对轮轨粘着的影响

轮轨滚动接触分为稳态接触和非稳态接触.非稳态接触使得轮轨接触参数发生变化,即发生接触振动.轮轨接触参数的变化必将影响轮轨粘着性能.本文对轮轨接触振动进行建模、求解,并将轮轨接触参数的变化应用于修正的轮轨粘着理论中,探讨轮轨接触振动对轮轨粘着的影响.     

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.     

轮轨结构变形对高速机车单轮对牵引力矩的影响

从数值方面详细分析了轨道结构变形对高速机车单轮对牵引力矩的影响。首先利用有限元方法分析计算轮对和轨道结构变形和相应作用力之关系，确定了轮轨接触斑处单位密度作用力引起轮轨变形的影响系数。用这些影响系数修正Kalker非赫兹滚动接触理论中由Bossinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数。并分别用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论和其被修正形式分析计算了高速机车单轮对牵引力 矩。从数值结果看，轮对和轨道的结构变形对机车牵引力矩的影响是十分大的。     

重载货车车轮踏面优化研究

对近期开发的基于法向间隙的车轮踏面优化方法进行改进,根据三维非赫兹滚动接触理论对轮轨间隙求解范围进行计算,使所求解的轮轨间隙具有实际的物理意义.针对我国重载货车车轮圆周磨耗严重的问题,对现有重载货车车轮踏面进行优化.利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后车轮踏面的静态接触性能及动态接触性能进行分析.结果表明:优化后轮轨界面之间可达到较好的匹配,且合理选择踏面不同区域的权数可同时保证车辆直线运行与曲线通过时的轮轨接触应力较小,从而达到有效降低轮轨磨耗的目的.     

高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究

为研究高速铁路CHN60N钢轨廓形与不同车轮踏面(LMA、S1002CN和XP55)的匹配性能,从轮轨接触几何关系角度分析轮轨接触点、等效锥度和轮轨接触蠕滑率随轮对横移的变化情况,并基于轮轨非赫兹滚动接触理论分析轮轨滚动接触面积和最大法向接触应力分布情况,利用车辆-轨道耦合动力学模型分析车辆运行平稳性、曲线通过能力及轮轨接触点动态分布情况。研究表明:XP55车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能最优;由于曲线通过性能与其他两种型面相差较大,LMA车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能次之;S1002CN踏面与CHN60N钢轨匹配时,由于车辆直线运行舒适性最差,滚动接触时表面疲劳因子明显大于其他两种车轮型面,易导致轮轨表面产生疲劳伤损,综合匹配性能最差。     

轮轨滚动噪声激扰模型研究

为解决轮轨高频非线性接触问题和预测轮轨滚动噪声,需研究轮轨表面粗糙度的时域模型。在基于线性化理论的轮轨表面粗糙度频域表示方法的基础上,为满足轮轨非线性接触的要求,采用时频转换的方法建立轮轨表面粗糙度时域输入模型,并以Sato轮轨表面粗糙度谱为例,运用所建立的轮轨噪声预测模型及开发的轮轨噪声预测分析软件对轮轨滚动噪声辐射进行了仿真计算,将得到的轮轨滚动噪声频谱特征及其时域特点与工程实际监测结果进行对比分析,证明模型是可靠的。     

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。     

表面选区强化对钢轨波磨处轮轨滚动接触行为的影响

层流等离子体表面强化技术可大幅提高钢轨表面的硬度和耐磨性。为了揭示强化处理对轮轨滚动接触行为的影响,建立同时考虑钢轨表面选区强化和短波波磨的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,数值计算了车轮高速滚过一个波磨周期的轮轨力、接触斑黏滑分布和残余应力应变。对比发现:表面选区强化对轮轨力和接触斑黏滑分布的影响较小,不影响钢轨承载性能;对钢轨表面残余应力应变分布的影响明显,残余应力主要集中在屈服强度较高的强化斑内而残余应变主要集中在韧性较好的基体材料上,表面选区强化有效结合了强化斑和基体材料的力学性能,形成了一种强韧的良好匹配。结果可为现场生产服务提供一定的理论指导和应用参考。     

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。     

直线电机地铁车辆轮轨外形匹配选型分析

车辆的动力学性能关系到车辆运行的安全性和舒适度,轮轨接触几何是影响车辆动力学性能的重要因素。现基于某直线电机地铁车辆,建立车辆的动力学分析模型,分析LM/CHN60与LMa/CHN60两种匹配的轮轨接触几何以及在3种典型曲线工况下车辆的平稳性、稳定性和曲线通过能力,通过比较二者性能的差异,为车辆踏面的选型提供理论和仿真依据。结果表明该直线电机地铁车辆采用LMa踏面能获得更好的综合动力学性能。     

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.     

钢轨廓形优化对转辙器动力特性的影响研究

为提高列车高速直向过岔平稳性,将60N钢轨廓形及新设计的尖轨廓形应用于18号高速道岔转辙器部分,应用车辆-道岔耦合动力学理论,建立模型进行动力学仿真计算,与CHN60高速道岔转辙器动力特性进行对比。仿真计算结果表明:60N高速道岔转辙器部分轮载过渡段起点前移,轮载过渡时间增长;车辆直向经过道岔转辙器时的滚动圆半径差、轮对横移量和钢轨横向接触点外移幅值均减小,轮对蛇形运动幅度减小,行车平稳性得到提高;轮轨最大横向力由6.12 kN降低至4.75 kN,轮轨横向相互作用力减弱;车轮脱轨系数、车体横向加速度略有减小,轮轨垂向力、车轮减载率和车体垂向加速度变化不大,均在安全范围内。     

轮轨接触应力的有限元计算

为了得到精确的数值解,应用弹塑性理论及大型有限元软件ANSYS对轮轨接触应力进行了有限元计算,同时对建模、单元选择、网格划分、参数确定等计算过程进行了说明,得到了不同轴重(1t~30t)时轮轨塑性区尺寸、接触斑形状、Mises当量应力最大值及轮轨接触面压应力随轴重的变化规律。     

简谐激励下轮轨非稳态滚动接触的蠕滑力特性

轮轨非稳态滚动接触是指接触斑内的质点在滚动接触过程中,接触斑的外形和其他参数产生快速变化的过程,这时运动波长L与接触斑纵轴半径a处于同一数量级。本文使用Kalker三维滚动接触理论计算轮轨蠕滑率、法向力、钢轨轨面接触几何简谐激励时的非稳态蠕滑力,并与由稳态滚动接触理论计算的结果进行比较。其结果表明:在小蠕滑状态下,非稳态滚动接触的蠕滑力随L/a(简称波长比)的增长而产生明显的幅值衰减和相位滞后。在蠕滑率和钢轨轨面接触几何简谐激励时,非稳态蠕滑力的变化规律可用波长比L/a的传递函数描述,而法向力情况却不能。对于短波波磨等非稳态滚动接触行为,应使用非稳态滚动接触理论进行分析。     

高速轮轨接触几何关系的比较分析

高速轮轨接触几何关系研究涉及诸多因素。选择中国车轮踏面LMA与钢轨CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP-ARC与钢轨JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002与钢轨UIS60,比较这3种轮轨关系的几何参数差异,编制了轮轨接触几何的数值分析软件,计算不同轮对内侧距情况下的轮轨接触几何关系,比较在轮对内侧距为1353和1360mm情况下,轮对横移时的滚动圆接触半径差和接触角差的数值计算结果,探讨适应于我国高速车轮踏面形状和轮对内侧距,为高速轮轨关系的深入研究提供基础。