三维非赫兹滚动接触理论在 轮轨滚动接触中的应用* ——TPLR 的编制及应用

应用Kalker 的三维弹性体非赫弱滚动接触理论, 将运动于直线轨道上的单轮对蠕滑率 ?力关系, 建立在TPLR (非赫兹轮轨蠕滑力数表) 中。分析了不同正压力所对应的蠕 滑力值以及用表中的数值修正的蠕滑力值的精度。简单介绍了该表的使用方法。      

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。     

岔区轮轨滚动接触理论分析

为研究岔区轮轨匹配关系和经典轮轨接触理论对岔区的适用性,建立了岔区轮轨接触有限元模型,编写了数种岔区法向力及切向力计算程序. 以18号高速道岔转辙区及辙叉区典型断面为例,在法向对比了赫兹、半赫兹、Kalker三维非赫兹滚动接触理论与有限元模型在接触斑面积和接触应力上的差异,切向对比了基于赫兹和半赫兹的FASTSIM算法、Polach模型和CONTACT程序在不同工况下的蠕滑力差异. 计算结果表明:有限元模型考虑了轮轨材料应力应变特性,更接近实际运用工况,赫兹、半赫兹、Kalker三维非赫兹与有限元法接触斑面积分别最大相差50.42%、17.83%和24.78%,最大接触应力相差60.28%、25.25%和32.37%; 各工况下4种切向力模型蠕滑力随蠕滑率的变化趋势相同,同一工况下基于赫兹和半赫兹的FASTSIM算法和Polach模型与CONTACT计算结果最大相差8.08%、5.19%、9.70%; 综合岔区轮轨法向、切向计算精度和计算效率,半赫兹接触理论结合FASTSIM算法在岔区大批量的数据处理中更具优势.      

非赫兹接触轮轨蠕滑力数表TPLR的研究

本文介绍了直线轨道上单轮对运动状态蠕滑率和蠕滑力关系律数表的编制方法。数表中轮轨蠕滑率／力计算模型是非赫兹型的。     

短波波磨状态的轮轨纵向蠕滑力特性

为了对具有简谐波形的钢轨短波波磨进行分组与分析轮轨非稳态滚动接触的纵向蠕滑力特性,引入了波磨深度指数与波长比,采用Kalker三维滚动接触理论计算了车轮的纵向蠕滑力,并与采用稳态滚动理论计算结果进行了对比,使用频率响应的系统辨识法对纵向蠕滑力的波动分量进行了拟合,在短波波磨等深度指数条件下,用波长比的二阶传递函数描述了...     

一个非线性的非稳态蠕滑力计算模型

本文讨论了由轨道对车轮的简谐动态输入引起的线性化简谐蠕滑力的影响。用弹性理论并空间假设下的数值解法。同时考虑接触区内粘着区和滑动区的非稳态变化和切向面力的非稳态变化，反复迭代，计算了非稳态的蠕滑系数，得出线性的非稳态蠕滑率－力关系，并将其与沈志云－赫居里克－埃尔金斯理论结合，推广到了非线性的惰形。     

准静态条件下三维脱轨系数临界值简化计算方法

根据轮轨系统坐标系间的变换关系,在准静态条件下建立了轮轨接触斑三维受力分析模型,推导了考虑轮对摇头角与轮轨蠕滑力的三维脱轨系数计算公式,得到了脱轨临界状态时三维脱轨系数临界值的计算方法;以LMA车轮踏面与CHN60钢轨廓形为例,分析了轮对摇头角与摩擦因数对三维脱轨系数临界值的影响规律,并与Nadal脱轨系数临界值进行了对比;为简化三维脱轨系数的计算方法,根据Shen-Hedrick-Elkins蠕滑模型讨论了不同轮对摇头角、摩擦因数与垂向力条件下Kalker线性合成蠕滑力与3倍库伦摩擦力间的比值关系;分析了横向蠕滑力与纵向蠕滑力的比值随轮对摇头角与摩擦因数的变化规律,提出了一种准静态条件的三维脱轨系数简化计算方法,并与精确公式计算结果进行了对比。分析结果表明:与三维脱轨系数临界值相比,当轮对摇头角在1.5°以内时,纵向蠕滑力在切向力中的占比要明显大于横向蠕滑力,造成Nadal脱轨系数临界值具有一定的保守性,但在轮对摇头角较大时,横向蠕滑力在切向力中的占比达到了90%以上,Nadal与三维脱轨系数临界值计算结果基本相同;车轮脱轨临界状态下轮轨接触斑内已达到纯滑动状态,横向蠕滑力和纵向蠕滑力的比值基本不受摩擦因数影响,并与轮对摇头角存在强线性关系;与精确公式相比,三维脱轨系数简化计算方法的误差在±5%以内,可以满足工程应用的要求。     

确定轮轨接触椭圆的直接方法

本文根据赫兹的弹性体接触理论,针对轮轨接触这一特定情况,证明可由参数ρ/r直接确定轮轨接触椭圆的各个参数及无量纲的蠕滑系数,使计算得到大大简化,便于实际应用。文中同时采用这一方法,对回旋产生的线性相对横向蠕滑力进行了分析,引出该力仅与sinδ/μ有关的重要结论,可供近似计算使用。     

基于半赫兹接触的车轮磨耗计算

为了分析轮轨接触模型对车轮磨耗计算的影响,基于半赫兹接触、赫兹接触和Kalker完全理论程序CONTACT分别计算轮轨接触应力和接触斑形状,并在Kalker简化理论基础上求解半赫兹接触的蠕滑力;基于Archard磨耗模型,计算车轮磨耗深度在踏面上的分布.计算结果表明:由于半赫兹接触考虑了接触斑内曲率的变化,则接触斑形状和最大接触应力比赫兹接触更接近于CONTACT计算结果;在大自旋蠕滑工况下,应用半赫兹接触得到的横向蠕滑力与CONTACT计算结果有较大偏差,其余工况相差不超过18%;基于半赫兹接触的FASTSIM计算时间约为基于赫兹接触的6倍,是CONTACT计算时间的1/166;半赫兹接触时,考虑弹性滑动速度的车轮磨耗深度更接近于CONTACT计算结果.     

基于临界平面法的钢轨裂纹萌生寿命预测模型研究

临界平面法是常用的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,诸多文献分别基于此研究了相关的预测模型,但计算出的钢轨裂纹萌生寿命时间比现场观测到的裂纹萌生寿命稍短。通过对预测模型进行理论分析,结果认为,蠕滑力在裂纹萌生预测模型中起十分重要的作用,尤其是纵向蠕滑力与自旋蠕滑力。采用全蠕滑状态是致使预测结果比实际观测结果要短的重要原因之一。此外,摩擦热应力产生的残余应力为拉应力,不平顺导致接触应力的改变,钢轨材质与夹杂物的影响,以及裂纹萌生阶段的选取准则,磨耗的影响等,都应在钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测中有合理考虑。     

轮对磨耗对地铁车辆稳定性的影响

使用车辆动力学软件SIMPACK建立了广州某地铁车的辆车辆动力学模型,通过对地铁轮对磨耗规律的分析,使用AUTO CAD制作了轮缘厚度为30的少量磨耗的轮对和轮缘厚度为28的大量磨耗的轮对,然后导入到车辆动力学模型中。分析了车轮磨耗对轮轨接触的蠕滑力/率的影响,发现随着磨耗程度的增加,蠕滑力/率均增大。通过SIMPACK软件的仿真计算得出地铁在不同磨耗下的非线性临界速度,仿真结果是:非线性临界速度随磨耗程度的增加逐渐减少,所以地铁运行的稳定性也是逐渐减小。     

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象,基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究. 分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型,确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况;根据动力学仿真所得轮轨接触参数,建立轮对-轨道-轨枕有限元模型;采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性. 研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时,导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和;轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%,轮轨接触角的偏差小于5%;相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%;缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性,故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.      

车辆转向架Hopf分岔分析

针对Cooperrider简单转向架模型，分析了铁路车辆转向架的亚临界Hopf分岔特性。利用数值方法研究了不同非线性力作用下转向架的横向稳定性，得到轮轨饱和力、蠕滑力、纵、横向阻尼力、轮缘死区接触力、踏面斜率以及轮轨间隙对转向架系统线性、非线性临界速度的影响规律。为机车走行部的优化设计提供了参考。     

独立旋转车轮转向架横向动力学研究

建立了独立旋转车轮转向架车辆的动力学计算模型，利用数值模拟方法得出独立旋转车轮转向架和传统轮对转向架动力学响应值，比较了两种转向架的横向动力学性能。由于独立旋转的左右车轮无转动约束，所以纵向蠕滑力很小甚至为零，从而消除了轮对蛇行现象。研究还表明，轮轨磨擦系数对独立旋转车轮的对中性能影响较大。     

山区客运专线曲线区段钢轨磨耗量的仿真分析

以山区客运专线钢轨磨耗量以及运营安全性作为研究对象,数值仿真作为手段,仿真计算基于Kalker线性蠕滑理论,借鉴Elkins磨耗指数模型,考虑轨道不平顺,车轮踏面与钢轨型面及弹性地基影响,使用SIMPACK软件建立动车组模型仿真,计算了蠕滑率和蠕滑力的大小,讨论了曲线半径对蠕滑率、钢轨磨耗量、减载率及脱轨系数的影响。比较了不同曲线下,两种踏面的动力学性能。随着圆曲线半径减半,LMa（高速动车组踏面）的左轨磨耗量增大了大约6倍左右。从磨耗量和安全性的角度对山区客运专线设计方法提出建议。     

牵引力对机车横向运动稳定性的影响

为了探明机车牵引状态下的横向稳定性,采用多体动力学软件SIMPACK建立了某型提速机车动力学模型,以非线性临界速度作为机车横向稳定性的评判指标,并采用数值积分方法计算了机车临界速度,研究了牵引系数对机车直线和曲线临界速度的影响规律.研究结果表明:机车牵引力的存在改变了轮轨切向蠕滑力的大小和作用方向;随着牵引系数的增大,机车在直线和曲线上的临界速度均先增大后减小;机车曲线上的临界速度低于直线上的,同一牵引系数下,曲线半径越小,临界速度越低;在牵引工况下,轮对横移量不宜再作为机车曲线稳定性的判定指标,采用轮轨纵向蠕滑力对稳定性进行评判更为合理.     

主动转向式转向架的理论研究

提出了一种采用力作用元件对轮对施以摇状运动环控制的方法。通过计算仿真、研究了控制系统的稳定性问题瞬态性能，分析了该主动控制导向转向架的曲线通过性能和蛇行稳定性，并与传统的转向架进行了对比分析。结果表明该主动控制导向转向架能根据转向架在曲线轨道上的受力环境，使轮对经较合理姿态通过曲线、最佳地利用轮轨间的蠕滑力，减小轮轨磨耗。     

键图模拟在轮轨动力学研究中的应用

本文应用键图法模拟机车车辆的动态特性。文中建立了轮轨蠕滑力、自由轮对和两轴车的健图模型,并给出了部分数值计算的结果。从初次将键图法引入车辆动力学的经验来看,健图模拟具有简明、快速和便于研究参数等优点。值得加以推广应用。      

基于能量法的轮对蛇行运动稳定性

为了分析轮对蛇行运动的形成机理与能量传递机制, 基于车辆系统动力学理论推导了轮对蛇行运动的能量表达式; 借助轮对运动参数的相位关系和能量表达式, 确定了轮对蛇行运动过程中各部分所做的功及其对应的能量传递路线; 通过数值仿真计算不同参数条件下的输入能量, 对比了踏面等效锥度、轮对质量、一系悬挂刚度与重力刚度等参数对轮对稳定性的影响规律。研究结果表明: 蠕滑力和锥形踏面的协同作用是轮对产生蛇行运动的根本原因, 蠕滑力中的刚度项通过调节纵、横向蠕滑率向轮对系统横向运动输入能量, 蠕滑力中的阻尼项耗散轮对系统的能量; 当输入能量大于耗散能量时, 轮对蛇行运动发散, 当输入能量小于耗散能量时, 蛇行运动收敛, 当输入能量等于耗散能量时, 轮对做等幅周期运动; 增大轮对质量和车轮踏面等效锥度不利于轮对的稳定性, 增大一系悬挂纵、横向刚度对轮对稳定性有利; 踏面等效锥度对轮对稳定性的影响最大, 当锥度由0.15增大到0.20时, 输入能量增大了约9.5倍; 一系悬挂刚度的影响次之, 刚度由75kN·m-1增大到100kN·m-1时, 输入能量减小了约60%;轮对质量影响最小, 轮对质量由1 000kg增大到2 100kg时, 输入能量增长了约1.1倍; 在锥形踏面下, 重力刚度对轮对稳定性的影响可以忽略。      

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.