轮轨振动行为下高速轮轨滚动接触瞬态特性分析

以CRH2型高速列车头车为研究对象,在轮轨滚动振动接触简化模型的基础上,采用多体动力学软件UM建立高速列车多体动力学数值模型,求解轮轨振动行为下的接触参数并作为有限元分析的输入;采用有限元方法建立高速轮轨滚动接触瞬态有限元模型,对轮轨振动行为下的高速轮轨滚动接触瞬态特性进行分析。结果表明:轮轨的垂向振动明显,轮轨垂向力呈周期性变化,且周期约为0.1s,振动频率约为10 Hz,轮轨垂向力最大为115 751.8N、最小为688.4N,分别为轮轨静载荷的1.938倍和0.012倍;轮对横移的振动频率约为1.05Hz,振幅为5.26mm;轮对横移量在0.5s时最大,为0.2s时的7.17倍,但纵、横向蠕滑力在0.2s时的大于0.5s时的;不同时刻轮轨间纵、横向蠕滑力的均值分别为13 542.11和1 239.07N;在一定范围内,纵、横向蠕滑力与轮轨垂向力、轮对冲角以及接触斑面积呈正相关。     

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。     

波磨激励下的地铁钢轨滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为

针对地铁曲线段钢轨波磨与滚动接触疲劳损伤共存现象,在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了采用显式时间积分的瞬态有限元模型,分析钢轨短波波磨对其上滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为的影响。以我国某地铁R450 m圆曲线段低轨损伤为例,考虑21条长度15 mm、深度3 mm、倾角30°且等间距分布的半椭圆形裂纹,波长30 mm、波深范围为0.03～0.09 mm的典型短波波磨,分析在速度67.6 km/h、摩擦因数0.5和牵引系数0.1等条件下,导向轮对通过时低轨侧瞬态滚动接触行为和裂纹群瞬态扩展行为。结果表明：裂纹群对轮轨接触产生持续周期性激励,且造成法、切向动态轮轨力波动幅值远低于典型短波波磨;处于波磨激励下动态加载时段内的裂纹,其最大裂尖动态应力强度因子较无波磨工况更大,而在减载时段内则相对更小,整个裂纹群的动态应力强度因子结果呈现出与波磨几何相对应的周期性波动;当波深增加时,最大裂尖动态应力强度因子也相应增大。在波长30 mm、波深0.09 mm的波磨激励下,裂纹群内的等效动态应力强度因子最大值较无波磨工况增加了34.4%,采用文献中报道的裂纹稳态扩展速率Paris公式发现,对应裂纹扩...     

CRH3高速列车多边形磨耗车轮通过钢轨波磨区段的轮轨力研究

车轮多边形磨耗和钢轨波磨磨耗普遍存在于服役列车和典型线路上,针对这2种磨耗形式下的轮轨力学特性开展研究.建立柔性轮对的CRH3型高速列车刚柔耦合模型,构建车轮多边形与钢轨波磨的数学模型,分析200～350 km/h速度级下,波深、幅值均为0.01～0.04 mm,20～24阶车轮多边形磨耗与120～150 mm波长的钢...     

城市轨道交通钢轨波磨诱发的轮轨噪声特性研究

城市轨道交通中钢轨的波磨问题不仅会影响钢轨的使用寿命,还会诱发轰鸣噪声,影响乘车环境。为探究钢轨波磨诱发轮轨轰鸣噪声的特性,开展现场波磨测试,获取真实的波磨状态下轨道不平顺数据。基于列车-轨道耦合动力学,对比常采用的美国6级轨道高低不平顺谱,分析了在实测的波磨短波不平顺激励条件下的轮轨相互作用力。将轮轨相互作用作为激励条件,分别输入考虑了详细约束条件的轮轨有限元模型中,结合边界元方法预测并分析了波磨条件下的轮轨噪声辐射特性。结果表明,钢轨波磨会显著增加轮轨振动频率在200 Hz以上的相互作用,使得轮轨振动加剧,从而导致轰鸣噪声产生。     

钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究

高速铁路钢轨轨头非对称打磨有效地减缓了钢轨疲劳斜裂纹的形成与发展.利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT分析了钢轨轨头非对称打磨对轮轨接触斑行为的影响.结果表明,打磨后轮轨磨耗数有所增加,有利于预防钢轨疲劳裂纹的形成.     

钢轨短波波磨与非稳态滚动接触力学

阐述了钢轨波磨的波长固定机理,给出了改善钢轨波磨的有关措施。     

重载铁路典型波磨区段轮轨力仿真分析

钢轨波磨是重载铁路上常见的一种病害,且波磨波长范围较广,为研究列车经过不同波长的波磨区段时轮轨垂向力变化情况,利用ABAQUS软件建立有限元模型,仿真计算不同工况条件下的重载线路轮轨垂向力响应。首先,结合重载铁路轴箱加速度的分析和现场复核,归纳钢轨波磨区段主要参数特征;接着,根据归纳的波磨特征建立有限元仿真模型并利用既有实测数据验证仿真结果的正确性;然后,利用控制变量法计算轮轨动力学在不同车辆轴重、运行速度、扣件刚度和弹簧阻尼参数下的影响特性。最后,通过比较不同波长下的轮轨垂向力发现,相同工况下,重载铁路短波长波磨区段能引起轮轨垂向力更大范围的幅值波动。因此,重载铁路产生钢轨波磨初期,为避免异常的轮轨力,要及时打磨。     

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。     

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%。     

高速铁路三维轮轨瞬态滚动接触-冲击模型参数研究

为进一步研究车辆轨道接触特性和钢轨损伤,采用显式有限元法建立适用于三维轮轨瞬态滚动接触分析的有限元模型,将轮轨间黏着系数、牵引系数、列车速度等考虑在内,研究不同模型参数对轮轨瞬态滚动接触计算的影响.通过详细对比分析扣件系统、钢轨长度、轨道板及参数对轮轨瞬态接触解的影响,并结合车轮模态分析结果,引入不同波长的轨面几何不平...     

重载铁路固定辙叉区轮轨瞬态滚动接触行为分析

固定辙叉有害空间造成的轨线不连续及结构不平顺大幅加剧车辆与辙叉间的动态相互作用,进而引起道岔伤损劣化加剧及服役寿命缩短。以重载铁路12号固定辙叉为研究对象,基于显式积分算法,建立考虑材料弹塑性及轮轨真实几何廓形的车轮-辙叉三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究不同运营速度下车轮不同方向通过时车轮与固定辙叉动态相互作用及轮轨接触行为,详细分析轮载过渡区内辙叉钢轨应力、应变大小及分布规律,结合材料安定图及疲劳指数对轮轨接触疲劳伤损特性进行分析,得到了钢轨滚动接触疲劳伤损易发区域为心轨断面顶宽20～30 mm,与现场固定辙叉疲劳裂纹发生位置基本一致。所建立的模型及研究结论能够为固定辙叉结构优化及疲劳寿命预测提供理论支撑。     

基于三维轮轨瞬态动力学模型的钢轨波磨不平顺动力影响与识别

应用有限元理论及ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件,建立三维轮轨瞬态动力学模型,分析高速铁路钢轨波磨不平顺对轮轨系统动力响应的影响特征,在此基础上,探讨钢轨波磨不平顺的识别方法。研究结果表明:钢轨波浪形磨耗会导致轮轨系统产生剧烈的高频振动,在钢轨实测波磨不平顺激扰作用下,轮轨垂向力、轴箱和钢轨垂向振动加速度等轮轨垂向动力学指标均表现出明显的高频振动特征,其高频振动频率范围位于500～700Hz,与相同速度条件下,实测钢轨波磨不平顺的主要波长成分对应;通过对轮轨系统动力响应指标进行小波包时频分析,可有效识别出钢轨波磨不平顺的波长与纵向位置。相关研究成果可为高速铁路钢轨表面短波不平顺的研究及钢轨波磨不平顺的养护维修管理提供参考。     

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。     

柔性轮轨下轮轨波磨综合作用的振动特性研究

运用ANSYS联合SIMPACK建立基于柔性轮轨下的某型高速动车组的车辆-轨道耦合振动模型,选取典型的车轮谐波磨耗(20阶,幅值0.01～0.03mm)及钢轨波磨(波长120～150mm,幅值0.01～0.04mm)进行综合分析,对比分析4种模型在不同磨耗下的振动特性。结果表明:模态共振导致柔性体振动幅值大于刚性体振动幅值,而远离模态共振时,柔性体产生的振动幅值小于刚性体振动幅值;考虑轮轨柔性状态时,轮轨非均匀磨耗综合作用产生的轮轨力大于单独考虑轮对或钢轨磨耗时产生的轮轨力;轮轨非均匀磨耗综合作用下产生的轮轨力、轮轨振动加速度随幅值增大而增大,与速度、钢轨波磨波长呈非线性关系;轮轨非均匀磨耗综合作用下,轮对振动加速度及轮轨垂向力呈周期性包络现象。     

轮轨滚动接触的边界元分析

为研究轮轨接触的动态蠕滑理论，本文建立了一个滚动接触的模型。其滚动接触的运动学未作任何几何简化，故可以处理Ｋａｌｋｅｒ理论不能解决的一些问题。发展了一种按真实几何条件求解弹塑性稳态滚动接触问题的边界元方法。数据算例分析了蠕滑率、材料不对称、几何不对称等因素对粘着系数和切向面力的影响。最重要的意义是在滚动接触研究中第一次能够得到切向面力对法向压力的作用。这一工作可用于分析列车在曲线通过、超高和爬坡状     

随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

以现场实测轮轨力为样本,利用参数假设检验方法,确定轮轨力幅值和频率特征,进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。建立轨道结构的多跨连续梁模型,分析群载作用下钢轨受力情况,确定最大弯曲应力所在位置;利用子模型技术,取最大弯曲应力所处的一跨钢轨为研究对象,建立子模型,分析不同幅值下轮轨接触斑内局部应力情况。根据临界平面法思想,建立随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型。结合具体实例分析表明:在一定速度范围内,轮轨力符合正态分布;根据随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,预测U75V钢轨通过约560万吨总重时轨面萌生裂纹,与现场观察结果吻合。     

钢轨波磨对高速车辆动力学性能的影响

运用ANSYS有限元软件及SIMPACK动力学软件联合建立高速动车组刚柔耦合动力学模型,选取客运专线高速区段典型的钢轨波磨(波长120～150 mm,波深0. 02～0. 06 mm),在充分考虑柔性轮对共振模态的基础上,研究钢轨波磨对车辆动力学性能的影响。研究结果表明:轮轨垂向力、轴箱振动加速度级与构架振动加速度级均随着波深的增大而增大,随着速度的增大基本呈增大趋势,与波长呈反比关系。但个别速度及波长下由于通过频率与固有频率存在共振,会影响上述变化规律;通过频率为550～600 Hz时,一系弹簧与减振器对轴箱振动的隔振效果较差。