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。     

轮轨接触问题的弹塑性分析

用有限元参数二次规划法，针对不同的轮径、轴重、牵引力和摩擦系数的各种工况分别进行了弹性和弹塑性计算，得出了轮轨间接触状态和接触内力的分布情况，并对其随各种参数变化的规律进行了分析，从而提出了改善机车粘着利用水平的途径。     

磨耗轮轨的弹塑性接触

本文研究了磨损轮轨的弹塑性接触,给出了数值算例,得到以下结论:磨损型轮轨的接触应力小,在强度方面优于圆锥形踏面;碰撞接触容易引起塑性变形,这种变形与踏面形状无关,应注意消除轮轨间的不平顺。     

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。     

瞬时滑动状态下轮轨摩擦系数试验研究

为研究瞬时滑动状态下荷载、速度对轮轨摩擦系数的影响规律,基于摩擦学第二定律,以U71 Mn钢轨为试验材料,研究瞬时滑动状态下,荷载、速度对轮轨摩擦系数的影响。结果表明:在瞬时滑动状态下,速度对摩擦系数的影响较为显著,摩擦系数随速度的增加而减小,当瞬时滑动速度达到2.6 m/s时,摩擦系数为0.34,较初始测定速度降低10%。摩擦力与荷载的增加成正比,但在瞬时滑动速度恒定的条件下,摩擦系数几乎不受荷载改变的影响。车轮发生瞬时滑动时,较大列车轴重和较小车轮自旋速度有利于车轮获得较大摩擦力,这对行车安全是有利的。列车瞬时滑动状态与制动状态下的摩擦系数是有差异的,在工程实际和轮轨接触分析时应根据车轮的滑动状态选用相应的摩擦系数。     

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。     

曲线磨耗状态下轮轨弹塑性接触有限元分析

基于现场实测的承载铁路小半径曲线段正常磨耗范围内典型轮轨型面.应用有限元分析软件AN-SYS建立轮轨三维接触有限元模型.模型考虑了车轮与钢轨的实际几何形状和边界条件,轮轨材料本构模型采用双线性随动强化弹塑性材料模型,计算分析曲线段不同磨耗程度车轮与钢轨的接触状态.计算结果表明:在相同载倚条件下,随着75 kg·m-1钢轨侧磨量的增加,轮轨接触斑面积呈增大趋势,钢轨最大Mises等效应力逐渐降低,轮轨踏面廓形逐渐相互匹配,接触状态得到改善;在钢轨侧磨量从0 mm增加剑5 mm过程中,轮轨接触状态变化较大,钢轨处于剧烈磨耗阶段,容易出现疲劳裂纹、剥离掉块等接触疲劳伤损,钢轨侧磨量超过5mm后,轮轨接触状态变化趋于平缓,钢轨处于稳定磨耗阶段.     

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。     

轮轨静接触时的应力状态

通过大量的数值分析，作者给出了既简便又可直接应用的轮轨静接触时应力状态的数值解。这些解表明了静接触应力场随接触椭圆短，长半轴之比b/a以及泊松比^v的变化规律．     

对流换热系数对轮轨滑动接触特性的影响分析

建立模拟轮轨滑动接触的热弹塑性有限元三维模型,以2种滑动速度为例研究机械荷载作用下对流换热系数对接触区的温度、接触斑的大小以及最大等效应力等轮轨接触特性的影响。研究结果表明:各研究工况下轮轨滑动摩擦热均能使接触区域达到相变温度;轮轨接触区的温度、接触斑的大小以及等效应力在有、无对流换热系数2种情况下差异显著,故对流换热系数在对轮轨滑动状态进行数值分析时不应忽略;对流换热系数的变化对接触特性的影响与滑动速度有关,建议2 m/s及以上速度的研究中对流换热系数可以取为定值,但在1 m/s及以下速度的研究中,对流换热系数的准确选取需进行深入研究。     

基于超声波的轮轨接触斑及应力检测系统研究

针对目前轮轨接触斑及接触应力分布难以有效检测的问题,基于接触面的准静态弹簧模型与超声波反射法,设计一种适用于静态轮轨接触状态检测的系统。系统采用水浸式点聚焦超声探头进行检测,主要由机械结构部分、超声波激励采集系统和接触斑及应力分析显示系统组成。机械结构部分包括轮轨加载机构和两轴扫描机构,分别实现对轮轨的固定与加载,以及夹持超声探头进行平面扫描运动;超声波激励采集系统实现对扫描机构的运动控制以及超声波信号的激励、采集和传输,并与接触斑及应力分析显示系统通过以太网通信,实现命令接收与超声波数据的上传;接触斑及应力分析显示系统实现超声数据的接收与处理,并实时显示和存储检测结果。利用所搭建的检测系统首先进行标定实验,建立超声声压反射系数与接触应力之间的关系,然后进行轮轨接触斑与应力分布检测实验,获得了20～70 kN载荷下车轮试件与钢轨的接触斑及应力分布云图,最后采用3次样条插值处理优化了检测效果。实验结果表明：所提出的检测方法与系统能够有效检测静态轮轨接触斑几何形状与接触应力的分布情况,反映真实的轮轨接触状态。对于轮轨的优化设计、寿命预测和轨道维护等研究都具有重要作用和意义。     

大轴重轮轨接触临界应力的实验室研究

测定大轴重条件下，新轮轨接触应力的允许上限，采用自由滚动条件下急剧上升的磨耗速度来指示临界应力。轮轨滚动接触磨耗的实验室研究模拟了１１３．４ｔ车的轮重。干净表面直线线路条件下的试验设备分两种：１：１４与１：５的轮轨模拟。研究确定，对于标准碳钢钢轨临界应力值为１３７９ＭＰａ。建议研制新型轮轨断面，使应力不超过临界应力值。     

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。     

轮轨接触温升的有限元分析

分析了轮轨接触的接触温升。结果表明，在正常接触工况和较大滑滚比条件下，轮轨接触温升可达到可观数值。     

考虑轮对弹性的轮轨接触斑特性研究

将轮对视为弹性体建立采用直线电机轻轨车辆的刚柔耦合动力学模型,研究轮对弹性对滚动接触的影响。结果表明弹性轮对的弯曲振动频率会与电机的沉浮和点头振动频率相耦合,增加了轮轨垂向力的变化幅度并加剧轮对的弯曲变化,从而增大轮对接触点的横移量,进而影响轮轨磨耗。还对接触斑的振动特性进行了初步探讨,建立了接触斑系统振动特性模型及其运动微分方程式。     

用热成像技术改进轮轨接触定位方法

根据热成像方法,提出了一种接触点数字化处理的新型方法。通过实车在RTRI试验线上进行了接触位置的定位试验。试验结果表明,当车辆在适用于热像摄像机的条件运行时,可精确识别轮轨间的接触位置。此外还介绍了如何将该方法应用于脱轨试验。     

轮轨接触几何关系对比分析

采用Kalker CONTACT方法计算轮轨接触几何特性,分析对比了LM,LM_A,S1002CN,LM_(B-10),LM_D,XP55车轮踏面与TB 60,60D,60N钢轨廓型匹配的接触几何关系。分析结果表明:相同车轮踏面与TB 60钢轨匹配的名义等效锥度最大,与60D,60N钢轨匹配的名义等效锥度较小;LM_A踏面与TB 60钢轨匹配以及LM,S1002CN踏面与60D钢轨匹配时,具有较好的直线运行稳定性和曲线通过性能;LM,LM_A,S1002CN踏面与TB 60钢轨匹配时,车轮回复到对中位置的能力强;车轮踏面与60N钢轨匹配的接触斑分布均匀,直线上的磨耗性能好;LM_D踏面与TB 60,60D,60N钢轨匹配时也具有很好的磨耗性能;车轮踏面与60N钢轨匹配时,曲线通过的磨耗功最大,磨耗严重。     

考虑车轮不圆的轮轨法向接触问题研究

建立了描述车轮不圆的轮轨三维模型,并假设切向接触对法向接触不产生影响,采用非赫兹接触理论探讨了车轮不圆对轮轨法向接触的影响。分析了正常情况下车轮横移量对轮轨法向接触的影响,并研究了车轮二阶不圆且滚动1/3周的轮轨法向接触变化特性。计算结果表明,接触斑外形可能有多种形状;车轮不圆会引起较大的接触应力。     

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