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.     

基于轮轴动应力测试的轮轨力识别与分析

以300 km/h高速动车组动力车轮轴动应力测试为基础,经过数据处理和分析,识别出切向轮轨力和横向轮轨力.针对轮轴结构受力及应力分布特点,通过Ansys软件进行有限元模型分析,找到车轮作用载荷与应变之间的关系,计算得到切向蠕滑率,并运用最小二乘法进行参数识别,初步分析得到切向轮轨力与切向蠕滑率之间的关系及切向蠕滑率与速度之间的关系.     

货车极限黏着制动优化方法

基于Polach大纵向蠕滑理论的轮轨接触模型,确定了铁道车辆在制动工况下,轮轨黏着系数达到饱和时的轮轨蠕滑率。以闸瓦压力为优化对象,以轮轨蠕滑率为目标函数,在SIMPACK环境下构建了考虑制动系统的车辆动力学模型。通过ARX系统辨识技术,在SIMULINK环境下构建了轮轨蠕滑率响应的参照系统。为了使车辆模型与参照模型的蠕滑率在制动过程中保持一致,基于MIT自适应控制技术对制动时车辆的蠕滑率响应进行了跟踪,以实现对闸瓦压力施加方案的优化。计算结果表明:与一般闸瓦压力施加方案比较,优化后的闸瓦压力使轮轨最大蠕滑率下降了71.6%,使制动结束时的车速下降了11.8%,说明优化后的闸瓦压力不但能有效避免轮轨间的擦伤,还能够在一定程度上缩短车辆的制动距离。     

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。     

基于牵引制动性能的轮轨接触行为研究

为了探明在牵引工况和制动工况下的列车轮轨滚动接触行为，从而为今后轮轨损伤机理的研究提供理论基础，以CRH2-300型动车组轮轨为研究对象，通过有限元仿真研究了基于牵引制动性能摩擦系数模型的轮轨接触力学行为，结果表明：基于经验模型的摩擦系数显著大于基于牵引、制动模型的摩擦系数及新干线模型的摩擦系数，新干线模型的摩擦系数与基于牵引制动性能模型的摩擦系数较为接近；牵引工况下的切向力云图呈现两点接触形态，且沿运行方向前端的点接触切向力明显大于运行方向后端，而在制动工况下，切向力在起始时刻为单点接触，随后变为两点接触；在轮轨接触点处，车轮S23切应力呈圆弧形且走势与车轮角速度方向一致，钢轨与车轮S23切应力圆弧走势对称。     

驱动工况单轮对横向稳定性

为了解驱动工况下轮对横向稳定性,建立了考虑驱动力矩的简化单轮对动力学模型,针对不同轮轨的黏着特性,研究了弹性定位单轮的横向蛇行稳定性.结果表明:驱动工况下,轮对横向稳定性优于惰行工况,对于弹性定位动力单轮对,当平均蠕滑率为0.8%时,横向非线性临界速度为惰行时的1.1倍;驱动时,轮轨黏着饱和导致轮对摇头力矩减小,有利于横向稳定性,但纵向切向力增加使得横向切向力减小,对轮对横向稳定性不利.     

基于mixed Lagrangian/Eulerian方法的轮轨滚动接触特性分析

为了缩短有限元方法显式计算轮轨滚动接触的时间,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立了轮轨滚动接触有限元模型.应用该模型对轮轨接触区的单元进行细化,计算了列车在启动、运行和制动工况下轮轨的接触特性.计算结果表明:不同工况下,轮轨滚动接触区最大Mises应力、最大接触应力和接触斑面积等法向特性变化幅度均在2%以内,但接触区纵向截面中Mises应力分布及纵向剪切应力分布有较大变化;启动和制动工况下,最大Mises应力和最大纵向剪切应力位置均比自由滚动时更接近于轮轨表面;不同工况下,摩擦力大小和方向发生变化,在列车牵引和制动工况中,摩擦力达到极限时轮轨间出现完全滑动,摩擦力方向与滑动方向相反,且不同速度等级下的纵向摩擦力变化幅度也在2%以内.      

考虑材料温变特性的三维轮轨接触热分析

为研究材料温变特性对轮轨接触行为和摩擦温升的影响,提出了一种考虑材料温变特性的三维轮轨热力耦合模型,能够考虑纵、横向蠕滑率和自旋的影响,更为真实地模拟轮轨系统的服役状态.首先,研究了热力耦合建模方式对轮轨界面摩擦温升及接触应力的影响;随后,将该模型应用于地铁小半径曲线处车辆-轨道相互作用模拟.结果表明：当轮轨界面温度达到450℃时,轮轨接触应力显著降低,降幅可达20%;考虑热力耦合建模后,轮轨界面的预测温升明显低于不考虑热力耦合建模时的结果,在蠕滑率为0.16时,两者的差异可达51%;地铁车辆在小半径曲线线路上运行时轮轨摩擦温升因过大的蠕滑率与自旋会急剧增大到750℃,应考虑轮轨热力耦合建模以避免过高估计轮轨摩擦温升以及轮轨接触应力.     

轨道参数对高速道岔轮轨接触行为的影响

为研究60N钢轨350 km/h 18号高速道岔合理的轨距和轨底坡,利用60N钢轨高速道岔关键断面和实测LMA磨耗车轮,基于迹线法原理和Kalker三维非赫兹滚动接触理论,分析不同轨距和轨底坡参数下的轮轨接触几何和力学特性,并与CHN60钢轨高速道岔计算结果进行对比. 结果表明:在保证安全的前提下适当将轨距加宽可改善轮轨匹配关系,提升列车过岔平稳性,减小轮对横移量大于8 mm时的轮轨接触应力和表面滚动接触疲劳因子,延长尖轨使用寿命;轨底坡为1/30、1/40和1/50时,轮轨接触参数相差较小,匹配性能较优;轨底坡为1/10和1/20时,横向不平顺和轮轨滚动接触疲劳因子普遍较大,且1/10轨底坡对车轮磨耗的适应性较差;与CHN60钢轨高速道岔相比,60N钢轨高速道岔的等效锥度普遍更小,列车过岔平稳性更优;车轮磨耗易导致车轮在轮轨过渡区段空转,引起尖轨伤损.      

轮轨局部接触应力分析

运用接触摩擦单元理论，在文献（１）工作的基础上，对轮轨局部接触应力进行了有限元分析，文章考虑了无纵向力和由于牵引和制动引起纵向力时轮轨相互作用两种情况，计算中，将列车轴重分别取为２１０、２３０、２５０和３００ＫＮ，作用在单轮上的纵向力分为１０、１５、２０、２５和３０ＫＮ五种工况，由计算得到了轮轨局部法向接触应力和切向接触应力分布规律及主应力和变形，据此，文章进行了讨论并提出了结论。     

横风下车辆-轨道耦合动力学性能

应用多体系统动力学理论,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,利用新型显式积分法求解动力学方程组,利用赫兹非线性弹性接触理论计算轮轨法向力,利用沈氏理论计算轮轨蠕滑力,编写了车辆-轨道耦合动力学计算程序,研究了轨道结构对高速列车动力学性能的影响,分析了不同横风环境下高速列车动力学性能和列车姿态。研究结果表明：当列车运行速度为...     

基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

轮轨之间的弹性接触变形是车辆-轨道耦合动力学中计算轮轨力的核心,以基于Hertz接触理论的非线性接触刚度来描述轮轨之间的压缩量与轮轨法向力之间的关系. 目前的轮轨Hertz接触刚度计算公式为经验公式,来源于20世纪70年代英国铁路技术研究所的研究工作,分锥形踏面和磨耗型踏面两种类型,局限于特定的轮径范围和钢轨廓形. 基于三维弹性体Hertz接触理论,推导了满足Hertz接触条件的弹性体法向接触刚度通用计算公式,并结合轮轨几何外形特点,给出了轮轨接触斑大小及接触刚度参数的直接确定方法和数表,并以LM车轮踏面和CN60钢轨踏面匹配为例,对比分析了典型工况下计算结果与经验公式的差异. 分析结果表明:基于本文计算公式制定的Hertz弹性接触数表弥补了现有数表中缺乏接触刚度的不足,可直接用于弹性体接触计算;对于轮轨接触,与本文公式计算结果相比,以往经验公式中磨耗型踏面的接触常数计算结果仅在车轮名义中心圆弧与轨顶中心圆弧接触时的误差较小,约为0.40%～0.44%;其他接触位置时,经验公式计算结果与本文公式计算结果相差较大,误差范围可达 ?25.97%～131.42%.      

钢轨三维弹塑性滚动接触应力

用有限元法建立了钢轨三维弹塑性滚动接触计算模型，分析钢轨材料屈服强度对钢轨残余应力和应变的影响．模型中考虑了钢轨的几何形状和边界条件，通过在钢轨表面反复施加移动赫兹法向压力和切向力模拟车轮的反复滚动作用．结果表明：最大等效塑性应变和剪应变均发生在钢轨接触表面，此处易萌生裂纹；钢轨接触表面附近材料塑性变形流线趋势与现场观测到的裂纹方向一致；钢轨材料屈服强度越高，材料的累积塑性变形越小，钢轨的最大残余应力越接近于表面．     

滚石冲击钢筋混凝土板的弹塑性动力响应研究

滚石冲击钢筋混凝土板过程伴随复杂的能量转化,基于经验或Hertz接触理论的传统钢筋混凝土板抗冲击设计与实际状况有较大出入.为探索一种更加高效准确的滚石冲击响应计算方法,引入Olsson针对正交各向异性复合板提出的冲击动力控制方程,结合弹塑性接触理论开展滚石冲击钢筋混凝土板动力响应分析,并与Hertz解及动力有限元解进行对比,结果表明:相同条件下,Hertz理论解由于仅考虑板的弹性变形,其峰值冲击力较弹塑性理论解和动力有限元解分别增大31.8%和77.1%,其最大压痕深度较后两者分别增大17.3%和61.8%,而基于弹塑性接触准则的冲击动力响应更加接近于动力有限元解,趋于真实,且避免了复杂建模过程,高效可行.      

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.      

冻土桩基热弹塑性——蠕变有限元分析

根据桩土共同作用的工作特性,引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型与混凝土桩联系起来,建立冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能.     

高速铁路无缝钢轨断缝瞬态冲击行为分析

无缝线路钢轨焊缝及其热影响区在温度力作用下可能发生钢轨折断形成断缝. 为了研究钢轨折断对列车运营安全的影响,对轮轨接触受力特性及其材料高频动态响应进行了分析. 首先,建立了ANSYS/LSDYNA三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型;然后,根据不同速度轮轨力时域响应规律,选择了合适的模型计算工况,并且通过计算轮轨接触受力特性和材料高频动态响应,分析了车轮跨越断缝的安全问题;最后,通过小波变换获取了车轮跨越断缝时轮轨力的频域分布. 结果表明:断缝处轮轨高频冲击力峰值随断缝长度变化先减小后增大,转折点处断缝长度与行车速度负相关;车轮通过断缝时,钢轨最大剪切应力超过材料破坏极限,易导致钢轨材料脆断;轮轨力时频图中存在两个特殊频率成分,分别对应高频冲击荷载（1 500 Hz左右）及二次冲击荷载（450 Hz左右）,断缝长度对轮轨力频域分布影响较小.      

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.