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。     

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。     

柔性轨道下高速列车车轮谐波磨耗对轮轨滚动接触蠕滑特性的影响

针对柔性轨道下因谐波磨耗车轮激励而引发钢轨和轮对振动时的轮轨蠕滑问题,在分析柔性轨道下轮轨间滚动接触振动对轮轨蠕滑特性影响机理的基础上,基于CRTS型双块式无砟轨道和CRH2型高速列车,采用ANSYS和UM软件建立柔性轨道下高速列车的动力学数值模型;选取6种典型谐波磨耗(阶数分别为1,6和11阶;对应波深分别为0.1和0.3mm)车轮,进行轮轨滚动接触振动特性、轮轨蠕滑力和蠕滑率的分析。结果表明:车轮谐波磨耗阶数和波深的增加均导致钢轨垂向加速度、轮对垂向加速度、轮轨垂向力及轮轨蠕滑力和蠕滑率的大幅增加,且与阶数的影响相比,波深对滚动接触蠕滑特性的影响更大;当车轮的谐波磨耗取11阶和0.3mm波深时,轮轨垂向力最大值、钢轨垂向加速度最大值、轮对垂向加速度最大值和平均值、纵向蠕滑率平均值、纵向蠕滑力绝对平均值、横向蠕滑力最大值、纵向蠕滑力最大值分别约为车轮无谐波磨耗时的7.27,49.6,20.35,15.18,7.8,9.064,6.7和8.57倍;考虑柔性轨道后,轮轨接触脱离时间明显增加,轮轨蠕滑率和蠕滑力也有明显增大。     

牵引力对机车车轮轮轨黏着性能的影响分析

为了解机车在牵引工况下轮轨的蠕滑特征,本文采用线性蠕滑理论和非线性修正方法,推导出轮轨接触的蠕滑力公式,结合磨耗型踏面的轮轨接触几何特征,采用Simpack多体动力学软件建立DF8B型三轴转向架机车动力学模型,进行动力学仿真验证。研究发现:传统转向架机车在牵引工况通过曲线时,导向轮对外侧车轮轮缘根部接触钢轨,总的蠕滑力处于饱和状态;当轮轨接触总的蠕滑力饱和时,牵引力会引起轮轨接触界面的纵向和横向蠕滑力重新分配,牵引力越大,纵向蠕滑力越大,横向蠕滑力越小。惰行工况下导向力矩最大,随着牵引力的增加,导向轮对的导向力矩逐渐减小。     

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。     

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%。     

牵引力对机车轮轨关系的影响分析

为分析机车牵引力对轮轨关系的影响,在SIMPACK多体动力学软件中分别建立了基于60钢轨和60N钢轨的"机车-轨道"耦合动力学模型,设定了水平轨道和坡道通过曲线的2种工况,分析机车牵引力与轮轨蠕滑关系、最大法向接触应力和RCF损伤系数的关联度。计算结果表明:增加牵引力使轮轨纵向蠕滑率和纵向蠕滑力迅速增加,横向蠕滑力降低,机车在60N钢轨上运行时变化尤为明显;钢轨内侧纵向蠕滑力受牵引力作用方向改变,引起钢轨内侧裂纹方向改变;相比60钢轨,60N钢轨抵抗磨耗的能力较强,但容易产生滚动接触疲劳。     

独立旋转车轮轮轨接触蠕滑特性分析

分析了独立旋转车轮轮轨接触蠕滑率的计算方法,定义了车轮滚动系数,对车轮横移、摇头、曲线半径及车轮滚动系数对轮轨滚动接触蠕滑率的影响进行了详细的研究。研究结果表明:车轮蠕滑率对其横移比较敏感,同常规轮对相比,独立旋转车轮的踏面型状对其蠕滑率影响显著;车轮摇头对横向蠕滑率影响较大,但对纵向蠕滑率和自旋蠕滑率影响甚微;车轮滚动系数对纵向蠕滑率影响比较明显,对横向蠕滑率和自旋蠕滑率略有影响;曲线半径仅对独立旋转车轮的自旋蠕滑率有较大影响,对纵向蠕滑率和横向蠕滑率则影响甚微。最后,利用独立旋转车轮转向架车辆的动力学模型,验证了文中给出的蠕滑率计算方法的正确性。     

机车牵引状态下曲线通过导向特性研究

考虑车轮与钢轨的运动特性及轮周牵引力,推导出机车在牵引状态下通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并对曲线通过时的轮轨横向动态相互作用特性进行仿真计算与分析;同时研究牵引力大小对转向架导向性能的影响,对比分析了机车牵引与惰行状态下的导向性能。理论仿真分析结果表明:牵引力可以改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向,与惰行工况相比,牵引状态下的轮对导向力矩有所减小,轮对的自导向能力减弱,不利于曲线通过;提高牵引力,总轮轨蠕滑率将很快达到饱和状态,牵引力越大,轮轨纵向蠕滑力越大,两侧纵向蠕滑力差值越小,机车轮对自导向能力越差,轮对冲角增大,而轮轨横向蠕滑力越小;当牵引力增加到一定程度时,总轮轨蠕滑率超过极限状态,曲线通过时两侧轮径差太小而出现打滑和空转的现象。     

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.     

钢轨循环滚动接触过程残余应力-应变的变化规律研究

钢轨残余应力包括钢轨生产残余应力和轮轨循环滚动接触所产生的残余应力,两种残余应力共同决定了在役钢轨的损伤形式。提出了一种引入钢轨生产残余应力的有限元方法,采用Chaboche循环塑性本构模型,在接触表面施加循环移动的Kalker三维非赫兹接触法向、切向力和横向分布力模拟车轮运动,建立了曲线通过钢轨循环滚动接触有限元模型,并对钢轨循环滚动接触过程中残余应力-应变的变化规律进行研究。结果表明:随循环滚动次数的增加,钢轨生产残余应力很快重新分布并逐渐趋于稳定,而残余切应变则呈现近似线性增加;钢轨纵向残余应力和残余等效塑性应变随曲线半径的增加在数值上均逐渐减小、随摩擦系数的增加而逐渐增大、随纵向蠕滑率的增加而先增大后减小。     

基于轮轨蠕滑最小化的钢轨打磨研究

根据对轮轨蠕滑形成机理的研究,指出轮轨接触的滚动半径差是影响轮轨蠕滑的重要参数;利用车辆动力学软件NUCARS和选用不同钢轨廓形,仿真计算滚动半径差对轮轨关系的影响,据此提出应通过钢轨打磨,消除或减弱轮轨蠕滑,从而实现轮轨关系的改善,达到延长钢轨使用寿命的目的.理论计算和现场钢轨打磨试验表明,在大秦重载铁路实施钢轨打磨后,滚动半径差减小,钢轨的廓面形状与车轮形成贴合型接触,降低了轮轨蠕滑力和横向力以及轮轨滚动阻力,改善了轮轴转向特性,使钢轨的平均侧磨减少了将近50％,钢轨的通过总重从9×108 t增加到15×108 t以上.     

影响轮轨粘滑振动的主要参数分析

轨道交通轮轨间的粘滑振动是小半径曲线轨道上发生波磨的主要原因。通过建立具有扭转和弯曲自由度的单轮对仿真模型来研究轮轨间两个主要参数对于抑制粘滑振动、减缓波磨形成的影响。降低Kalker系数后,线路圆曲线段没有出现粘滑振动,蠕滑力-蠕滑率关系曲线的饱和点也移向更高的蠕滑率值;内外轮轨摩擦系数同时降低后,抑制了粘滑振动,但轮轨间仍处于滑动状态,当内外轨摩擦系数降低值不一致时,线路曲线段的粘滑振动仍然存在,但峰峰值将有所减小。     

轮轨接触力学研究的最新进展

本文论述了西南交通大学牵引动力国家重点实验室近几年来在轮轨接触力学及其应用研究方面的最新研究成果，其中包括Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论的全尺寸模型试验验证、高速动态轮轨蠕滑力的试验研究、基于理论和数值方法的轮轨接触表面粗糙度和污染影响的分析、高速粘着的脱轨试验研究及其机理分析，对钢轨的波磨现象也作了论述，并提出了今后的研究方向。本文所介绍的研究成果对我国今后进一步开展轮轨关系的研究将起到促进作用。     

基于不同车轮直径的轮轨接触关系问题

针对不同车辆的车轮直径差异问题,研究了车轮直径对轮轨接触几何关系、轮轨接触斑、轮轨最大接触应力、蠕滑率、车辆稳定性以及轮轨磨耗等的影响。通过计算可以得出:随着车轮直径增加,左右车轮滚动圆半径差逐渐增大,等效锥度随着车轮横移量逐渐增大;接触斑面积逐渐变大,轮轨接触最大应力显著下降;轮轨的横向和纵向蠕滑率逐渐减少;车辆的稳定性变好,车辆过曲线时的磨耗变大。     

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。     

重载货车作用下固定辙叉心轨磨耗分析

针对大秦铁路75kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉心轨处的磨耗问题,基于Kalker简化理论,建立车辆-道岔系统动力学模型。分析比较重载C80型货车侧向通过道岔辙叉区时,不同车轮和道岔型面匹配下的轮轨蠕滑力、轮轨接触斑面积、车轮滚动圆半径与车轮磨耗功率间的关系以及轮轨型面匹配程度和变化规律。结果表明:当车辆从翼轨行进到心轨时,其标准车轮滚动圆半径的突变值在4~5mm之间,相对于标准车轮,磨耗车轮的值降低了50%,对心轨的垂向冲击较小;轮对由翼轨过渡到心轨时,其左右磨耗车轮的滚动圆半径差值小于标准车轮,磨耗车轮的纵向蠕滑力相对标准车轮减低了45%~63%;磨耗功率大小与车轮滚动圆半径以及轮轨型面匹配程度有关。     

独立旋转车轮轮轨蠕滑率研究

通常情况下轮轨之间的接触有两种可能：一点接触或两点接触，而独立旋转车轮应尽量避免两点接触，为此用一种有别于相关文献的独立车辆蠕滑率公式推导方法，导出了独立旋转车轮一点接触蠕滑率计算公式，定义了车轮滚动系数，指出该参数对独立旋转车轮以及蠕滑控制轮对的研究有重要的意义，并分析了轮对运动（横向和摇头）和车轮滚动系数对滚动接触蠕滑率的影响，通过分析得知，车轮踏面外形对蠕滑率影响对运动（横向和摇头）和车轮滚动系数对滚动蠕滑率的影响，通过分析得知：车轮踏面外形对蠕滑率影响十分敏感，应谨慎选择独立旋转车轮的踏面；车轮滚动系数对纵向蠕滑率影响比较明显，对横向蠕滑率和自旋蠕滑率的影响很小，用已经建立的带独立旋转车轮的车辆模型，对目前分析使用较多的两类形式的独立旋转车轮蠕滑率公式通过阶跃响应进行了比较，结果表明两者之间的差异很小，对动力性能的计算都能达到工程要求。     

单轮对试验台试验及轮轨蠕滑力计算模型的验证

结合机车车辆滚动振动试验台的单轮对蠕滑力试验，介绍其试验系统，进行相关的理论分析和计算，例如试验系统所特有的轮轮接触蠕滑率计算、轮对运动方程推导、试验过程的动态仿真计算。最后通过试验和计算结果的对比，对轮轨蠕滑力计算模型进行验证。     

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。