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.     

时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（一）——水介质条件下黏着特性

300～400 km·h^-1速度范围内高速列车在湿轨条件下的制动黏着行为特点尚不清楚,制约着时速400 km高速列车制动黏着的有效利用。针对这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,研究高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性,提出基于高速轮轨关系试验台的轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性试验方法,探究100～400 km·h^-1速度范围内轮轨接触界面为中等粗糙度水平(Ra为0.4～0.6μm)且有水介质条件下纵向蠕滑率为0～30%时的制动黏着特性。结果表明：在纵向蠕滑率从0.5%增至5%～8%过程中,黏着力系数出现了减小的现象,此阶段不利于黏着的利用;纵向蠕滑率增至一定数值后(一般为5%～8%),若继续增加,则出现黏着力系数再上升的现象;试验速度为200 km·h^-1时,当纵向蠕滑率增至27%时出现黏着力系数上升的第2个峰,在纵向蠕滑率从30%开始减小过程中黏着力系数出现“卸载峰”;试验速度在300～400 km·h-1范围内,当纵向蠕滑率增至15%左右时出现黏着力系数上升的第2个峰,此处黏着力系数约为第1个峰时的2倍;加...     

轮轨油污染黏着特性的三维数值分析

在油污染工况下,建立一个考虑轮轨表面粗糙度的三维轮轨黏着特性数值分析模型.应用Patir和Cheng提出的平均流量模型,以多重网格法和多重网格积分法作为数值计算的工具,得到轮轨间存在油介质时的液体、固体粗糙峰接触压力以及膜厚的分布规律,并研究列车速度以及轮轨表面粗糙度对轮轨间黏着特性的影响.研究结果表明:随着列车速度增加,轮轨间的黏着系数逐渐下降;随着轮轨表面粗糙度的增大,轮轨间的黏着系数逐渐增大.此外,从数值角度分析速度增大引起黏着系数下降和粗糙度增大所引起黏着系数上升的机理.     

水介质条件下轮轨黏着特性试验研究

在JD—1轮轨模拟试验机上进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明:在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的黏着系数较干态时的黏着系数降低了50%~60%;在水介质条件下,不论是最大黏着值还是稳定黏着值(机车实际运行黏着区),受车轮速度影响较大,黏着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对黏着系数的影响较小;黏着系数在达到最大值(饱和值)之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大黏着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。     

基于虚拟样机的机车黏着控制研究

为了抑制轮对空转并最大限度利用轮轨黏着能力,需要开发基于虚拟样机和现代控制理论的机车黏着控制技术.建立了大功率机车牵引列车及电气牵引传动系统的机电一体化动力学模型,考虑到了大蠕滑率时轮轨黏着负斜率特性、电机磁饱和及转矩机械特性,对机车驱动过程进行仿真研究.提出通过检测同一转向架内不同轴之间的最大角速度差和角加速度差,实时计算轮轨黏着度,并采用模糊控制策略的黏着控制方法.仿真结果表明:在不同轨面及运行工况下,黏着控制使得轮轨有效黏着系数保持在黏着峰值,提高了机车的牵引性能;轮对的蛇行运动使得黏着控制中产生波动现象,波动频率与蛇行运动频率一致;针对不同结构参数机车和运行工况,黏着控制参数需要优化以达到最大的轮轨黏着利用率.     

油介质条件下轮轨黏着特性的试验研究

利用JD—1轮轨模拟试验机研究轮轨受污油、污油水混合物和污油水砂子混合物3种油介质污染工况下,不同轴重和车轮速度对轮轨黏着系数的影响。结果表明:当车速为90km·h-1时,污油和污油水混合物工况时的轮轨蠕滑特性相差不大(加水之后黏着系数减小);污油和污油水混合物工况下21和23t轴重时轮轨黏着系数相差较小,而25t轴重时的黏着系数明显比21和23t轴重时的大,但轮轨表面均未出现严重的磨损;在污油水砂子混合物工况下,轮轨黏着系数显著提高,但同时大大加重了轮轨表面伤损;当轮轨受到污油和污油水污染时,轮轨黏着系数均随着车速的提高而减小。     

时速400 km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着系数试验研究

在试验条件基本相同的情况下,全尺寸高速轮轨关系试验台与线路实车在160～300km·h-1速度范围内轮轨牵引黏着系数试验结果有较好的一致性.利用全尺寸高速轮轨关系试验台,测试时速400 km速度级内水介质条件下车轮表面在低、中、高粗糙度水平时牵引黏着系数随速度的变化规律,并将车轮在中等粗糙度水平时的试验结果与日本新干线...     

基于全尺寸试验台的水介质条件下高速轮轨黏着特性试验研究

基于全尺寸高速轮轨关系试验台,模拟轮轨接触界面在水介质条件下的轮轨黏着特性,研究喷水量、轮轨接触表面粗糙度、喷水温度、轴重和运行速度对水介质条件下高速轮轨黏着系数的影响规律。结果表明:水介质条件下,喷水量、轮轨接触表面粗糙度、运行速度对轮轨黏着系数影响较大,喷水温度和轴重对其影响较小;随喷水量的增加轮轨黏着系数逐渐减小,但当喷水量达到200mL·min-1后黏着系数不再减小;随着表面粗糙度的增加,运行速度对轮轨黏着系数的影响逐渐减弱,表面粗糙度增至1.0～1.1μm时运行速度对轮轨黏着系数的影响很小;在40～200km·h-1速度范围内,轮轨黏着系数随速度的增加减小得较快,而在200～400km·h-1速度范围内减小得较为缓慢;轮轨黏着系数随喷水温度的升高而增大,喷水温度为0℃(下雪)时的轮轨黏着系数较常温时下降11%～15%;轮轨黏着系数随轴重的增加而减小,在动车组常用轴重10～16t范围内轴重对轮轨黏着系数的影响只有10%左右。     

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。     

列车传动最优黏着控制策略研究

在列车的行驶过程中,轮轨间的黏着控制尤其重要,最大化利用黏着力可提高列车的牵引/制动性能。文中提出的列车传动最优黏着控制策略通过全维状态观测器准确地估计出当前利用的黏着系数;利用可变遗忘因子的递归最小二乘法有效地计算出黏着-蠕滑特性曲线斜率;采用最速梯度法迅速搜索最佳蠕滑速度给定值。同时为了实现最优黏着控制,设计了蠕滑速度控制环来获得牵引电机转矩指令补偿量。最后通过仿真,证明了该控制策略的正确性和有效性。     

基于ANSYS软件的二维地铁轮轨滑移摩擦热分析

根据地铁轮轨的真实尺寸外形,利用有限元软件ANSYS建立滑移过程中轮轨摩擦生热的二维弹性接触模型。该模型选取轮轨单元为热结构耦合单元,利用瞬态热分析求解器对摩擦热进行计算。该模型考虑轮轨间的热传导率和表面换热系数,通过仿真分析摩擦生热的基本现象,以及不同的速度、滑移率和摩擦系数对轮轨表面温度的影响,得出以下结论:轮轨温度和等效应力主要表现在轮轨表面,且受限于轮轨深度,随着深度的增加,温度和等效应力逐渐减小;但随着速度、滑移率和摩擦系数的增加,轮轨表面的温度均增加。     

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。     

轮轨滚动噪声激扰模型研究

为解决轮轨高频非线性接触问题和预测轮轨滚动噪声,需研究轮轨表面粗糙度的时域模型。在基于线性化理论的轮轨表面粗糙度频域表示方法的基础上,为满足轮轨非线性接触的要求,采用时频转换的方法建立轮轨表面粗糙度时域输入模型,并以Sato轮轨表面粗糙度谱为例,运用所建立的轮轨噪声预测模型及开发的轮轨噪声预测分析软件对轮轨滚动噪声辐射进行了仿真计算,将得到的轮轨滚动噪声频谱特征及其时域特点与工程实际监测结果进行对比分析,证明模型是可靠的。     

高速铁路轮轨噪声预测分析

基于高速铁路轮轨噪声机理,对高速铁路轮轨滚动噪声预测方法进行分析。建立高速铁路轮轨噪声预测分析模型,为轮轨噪声的控制提供必要的依据。在探讨列车—轨道相互作用关系、轮轨表面粗糙度、轮轨接触滤波、噪声辐射比、轮轨系统噪声辐射、地面的声反射等问题的基础上,对我国快速客运专线的轮轨噪声进行了数值仿真预测。给出轮轨噪声的频谱特性、距离衰减特性及随运行速度的变化规律。     

基于轮轨润滑的轨道交通车辆轮轨磨耗及噪声控制

文章针对轨道交通车辆轮轨磨耗及噪声的问题,提出控制轮轨摩擦因数的方法 ,通过轮轨润滑对轮轨磨擦和噪声的影响分析,得出使用轮缘润滑设备可有效降低轮轨磨耗并消除轮轨滑动摩擦产生的尖锐噪声。实际测试结果也证明了这一方法确实可行。     

道岔区轮轨力转移与分配特性研究

道岔区复杂的轮轨接触状态决定了其轮轨力特性与一般线路相比存在较大的差异。利用空间轮轨接触几何关系理论和Hertz非线性弹性接触理论，研究道岔区车轮与同侧并列的2股钢轨同时接触的2点接触问题。依据2点接触时轮轨弹性压缩量计算每一接触点上的轮轨力，由此确定车辆侧向和直向通过时的轮轨2点接触范围以及轮轨力转移和分配特性。结果表明：2股钢轨上轮轨力转移和分配特性不仅与钢轨外形、轨顶高度和宽度有关，而且与车辆过岔方式有关；考虑轮轨2点接触后的计算方法，消除了单点接触轮轨力计算中轮轨接触点从一股钢轨转移到另一股钢轨上时引起的轮轨力突变，使得轮轨力变化更为平顺和真实。     

地铁列车组动车配置对其性能的影响

详细介绍了地铁列车组中动车所占比例不同对列车组牵引性能、常用电制动性能、轮轨间黏着系数和平均旅行速度的影响;67%动车编组和50%动车编组的轮轨间黏着系数利用相当,全动车编组和67%动车编组的最大起动加速度、最大常用电制动减速度、平均旅行速度相当;从平均旅行速度方面来考虑,最高运行速度在100km/h以下时,50%动车编组是一种比较经济合算的编组。     

城市轨道交通列车轮对磨耗模型研究

为实时掌握城市轨道交通列车轮对在列车运行过程中的磨耗情况,结合某地铁线网下实际轮/轨参数,建立机车及轨道多体动力学模型,以仿真实际的轮轨接触作用。将动力学模型输出的轮轨接触变量与接触斑分析算法相结合,实现接触斑内滑动矢量的计算及黏滑区的界定。利用Archard磨耗模型分析接触斑滑动区,以获得接触斑内垂直磨耗情况。最后以接触变量分析-磨耗计算-型面更新为主体结构,采用多次循环的轮对磨耗仿真流程模拟轮对的磨耗过程,完成轮对磨耗模型的建立。将模型输出的轮对型面与实测型面进行对比,验证了模型的准确性。