重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

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.     

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。     

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。     

广州地铁1号线车轮与钢轨滚动接触特性分析

以广州地铁1号线车轮和钢轨为例,运用有限元软件建立三维轮轨滚动接触有限元模型,对不同牵引力和不同横移量的轮轨滚动接触特性进行计算分析.结果表明牵引力改变轮轨接触Mises应力的分布;随着牵引力的增大,接触斑纵向摩擦力分量明显增大,接触斑后部最先出现蠕滑区,牵引力越大接触斑黏着区越小,蠕滑区越大;在横移为-5～5 mm范围内,接触斑分布在车轮踏面倾斜角为1∶46的斜面上,从这个角度看,该踏面与CHN60钢轨匹配并没有完全发挥磨耗型踏面增大接触面积、减小接触应力的作用.     

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。     

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。     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

列车蛇形运动状态下轮轨接触特性分析

为了分析列车在蛇形运动状态下轮轨接触区域的形状、面积、轮轨接触应力和Mises应力的特性,根据有限元理论并结合ANSYS有限元软件,建立包含一个轮对的轮轨系统有限元模型,计算分析轮轨接触特性与轴重和轮对摇头角之间的关系,计算结果表明:轮对摇头角对接触特性的影响不是很明显,而轴重和轮对中心横移量对轮轨接触斑的面积和形状有着显著的影响;接触斑的形状不同于用Hertz理论得到的椭圆形接触斑。     

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。     

惰行和制动工况下重载列车曲线通过数值模拟

为了研究重载列车在惰行和制动工况下通过曲线时的轮轨接触特性,采用数值方法建立单自由度车辆和全自由度车辆混合的列车动力学模型,对比分析了惰行和制动工况下列车曲线通过时的运行安全性、车轮磨耗分布特征、轮轨滚动阻力特性影响。结果表明:考虑车钩负载效应和闸瓦贴靠车轮作用的列车模型在曲线制动工况下的轮轨横向力和脱轨系数指标均比惰行工况时略差,但轮重减载率指标几乎相当;由于制动时闸瓦压力增大了轮对的摇头约束,导致通过曲线时导向车轮磨耗功率的动态分布区域比惰行时更靠近轮缘处;制动工况下的牵引比率随曲线曲度线性变化的范围比惰行工况时大,且随着制动强度的增大,牵引比率也逐渐增大。     

机车车辆轮—轮与轮—轨接触关系的比较

滚动振动试验台进行车机车车辆动力学性能测试时，由于用有限半径的轨道轮代替平直轨道，即使在所有模拟参数与实际线路完全一致的情况下，其动力学性能测试结果仍存在误差，本文从轮轨接触几何参数，重力刚度、轮轨接触斑几何何形状及蠕滑特性等多方面分析轮－轨和轮－轮工况的差异以及由此而产生对机车车辆动力学性能参数的影响，根据计算结果，可对滚动振动试验台的标定提供定量的参考。     

考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析

以LM型踏面车轮和60kg·m-1钢轨为例,采用双线性塑性模型和平面应变热力耦合单元实现轮轨的热弹塑性耦合,传热过程中考虑轮轨接触斑处的非稳态热传导以及轮轨与周围环境间的热对流和热辐射,建立轮轨滑动接触二维热弹塑性有限元模型,分析轮轨接触斑间全滑动时不同相对滑动速度下,与温度变化相关的变摩擦系数对轮轨接触表面温度和等效应力的影响,并与取0.334的常摩擦系数时进行对比。结果表明:钢轨在轮轨接触斑附近的摩擦温升主要分布在其接触表面大约1.8mm的深度范围内,而车轮的主要分布在其接触表面大约2.5mm的深度范围内,采用变摩擦系数得到的轮轨摩擦温升要比采用常摩擦系数时低57%左右;轮轨接触斑附近钢轨和车轮的最大等效应力出现在车轮和钢轨的次表面上,采用变摩擦系数时得到的车轮和钢轨等效应力的影响范围比采用常摩擦系数时略小;轮轨间相对滑动速度对车轮接触表面的温度和等效应力影响不明显,但对钢轨接触表面温度和等效应力的影响明显,相对滑动速度越大,钢轨接触表面的温度也越高。     

不同运行工况下高速轮轨稳态滚动接触蠕滑特性分析

以LMA型踏面车轮和CHN60钢轨为对象,基于有限元软件ABAQUS,采用mixed LagrangianEulerian法,分析全滑动制动、全滑动牵引、蠕滑制动以及蠕滑牵引4种工况下的高速列车轮轨稳态滚动接触蠕滑特性。结果表明:全滑动制动工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑制动工况下的6.5倍左右,全滑动牵引工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑牵引工况下的1.7倍左右;接触斑内的蠕滑力矢量在全滑动工况下均指向同一方向,制动时与运动方向相反,牵引时与运动方向相同,而在蠕滑工况下其存在自旋效应;全滑动工况下的纵向蠕滑率均大于蠕滑工况下的,而蠕滑工况下的横向蠕滑率均远大于全滑动工况下的;纵向蠕滑率在全滑动工况下的分布只有1个峰值区域,而在蠕滑工况下则存在2个峰值区,前一工况下的横向蠕滑率分布区域较散,数值相当小,最大仅为0.064%,而后一工况下的分布则相对集中,其最大值可达0.287%。     

滑动状态下地基刚度对轮轨接触特性的影响

高速铁路作为国民经济的基础设施,沿线分布长、区域广,因各地区土质不同造成地基刚度也不一样。本文通过建立轮对三维有限元热机耦合分析模型,参照合理地基刚度,研究分析了全滑动状态下地基刚度的改变对轮轨接触特性的影响。结果表明:地基刚度的改变对轮轨接触区域的温升影响并不明显;全滑动状态下轮轨接触区热量较为集中,使得接触斑的面积相对于静态分析时增加了2.2倍左右;全滑动状态下的等效应力由机械应力、热应力叠加而成,并且热应力居于主导地位。     

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.     

轮轨高频瞬态冲击下钢轨螺栓孔棱边受力分析

为研究螺栓孔在轮轨接触应力场作用下的棱边应力分布规律及受力特性，建立带有螺栓孔的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，研究列车牵引、制动及钢轨擦伤所致高频激励下车轮动载对螺栓孔棱边应力峰值及分布规律的影响。结果表明：擦伤位置是影响螺栓孔棱边受力特性及应力分布规律的关键因素；轨面擦伤可激发高频附加动力冲击作用，螺栓孔斜向棱边Mises应力峰值随运营速度的提升而显著增加，轨面擦伤使斜向棱边方向螺栓孔应力集中效应显著加剧；列车牵引状态加剧了螺栓孔45°、225°方向棱边应力集中效应，而制动状态加剧了螺栓孔135°和315°方向棱边应力集中效应。     

基于细观尺度粗糙轮轨接触蠕滑特性数值分析

为了进一步考虑粗糙表面对轮轨蠕滑的影响,从微凸体的微米尺度跨越到米的尺度,着力于摩擦的物理学本质,建立干摩擦工况下的轮轨蠕滑力的二维动态计算模型。通过微凸体接触与断开来模拟轮轨接触的滚滑运动,讨论不同速度、蠕滑率、轮轨表面粗糙度参数等因素对轮轨黏着系数的影响,对每个因素造成的轮轨牵引系数的变化进行数值分析。在中低速情况下,通过对线路测量数据和实验室JD对滚机数据与模型计算结果的对比,验证了模型的有效性。结果表明随着速度的增大,黏着系数随之下降;适当增加轮轨表面粗糙度能提高轮轨间的黏着系数;同时以非人为划分的方式重现接触斑内牵引系数变化的过程,从黏着区到滑动区的过渡过程。     

函数型摩擦系数条件下轮轨滚动和滑动接触的热机耦合分析

以直径为860mm的LMA型踏面轮对和60kg.m-1钢轨为例,在考虑轮轨间热传导以及轮轨与环境间的热传导和热辐射基础上,采用非线性有限元分析软件ABAQUS提供的mixed Lagrangian-Eulerian方法建立轮轨接触的热机耦合有限元模型,并采用隐式和显式相结合的方法分析轮轨滚、滑动接触工况下的热机耦合问题。结果表明:轮轨滚动接触时,轮轨间的摩擦温升较小、不影响轮轨表面的材料性能,工程上可以忽略其温度对轮轨接触特性的影响;轮轨滑动接触时,轮轨间的摩擦温升足以改变轮轨表面的材料性能,进而影响摩擦系数,且不同摩擦系数对轮轨接触热机耦合特性影响也较大,因此采用与相对滑动速度、温度和载荷等因素相关的函数型摩擦系数可以准确分析轮轨滑动接触的热机耦合特性。     

地铁车辆频繁启停工况加速钢轨滚动接触疲劳损伤行为

列车启停过程中轮轨接触应力复杂交变,近站点附近车辆频繁启停运行工况加速了钢轨滚动接触疲劳损伤。为深入了解地铁车辆频繁启停工况下的钢轨滚动接触疲劳损伤特性,利用轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台(JD-DRCF/M)开展频繁启停工况下轮轨滚动接触疲劳试验。对比研究4种不同加/减速度工况下(0,400,800和1 200 r/min²)轮轨滚动接触界面黏着、钢轨磨耗和疲劳裂纹行为。研究结果表明：在干态环境中,加速工况显著降低了轮轨界面的黏着系数,其中：800 r/min²加速度下降幅最为明显;而进入水介质环境后,黏着系数出现瞬时极低值、加速度工况下的黏着系数降幅程度差异显著。加速度工况未引起钢轨的过高磨耗,但其对钢轨磨损形貌、表面粗糙度等的影响均较为显著,过高的加速度极易诱发钢轨以剥层机制失效并伴随表面粗糙度的大幅提升。钢轨磨耗与轮轨界面的剪切作用密切相关,加速度的存在往往不同程度地加剧了近表层钢轨材料的塑性变形和疲劳裂纹的萌生与扩展,使得裂纹扩展角、裂纹长度与数量均有不同程度地增加。因此,有必要开展实验条件下钢轨试样滚动接触损伤与实际现场钢轨损伤间的...