高速轮轨滚动粘着蠕滑模拟试验台的研制及试验研究

为能在高速条件下有效地利用粘着系数，研制开发了高速轮轨粘着蠕滑模拟试验台，它能模拟轮轨间的高速动态运动方式，进而研究高速下的轮轨关系。对实验台的结构特点和部分试验结果进行了分析和讨论。     

车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响分析

为了研究车轮扁疤对高速列车轮轨接触蠕滑特性的影响,基于多体动力学理论和滚动接触简化理论,建立考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆动力学模型,分析车轮扁疤参数变化对高速列车轮轨力和蠕滑力等特性的影响,并结合轮重减载率和轮轨垂向力指标得到车轮扁疤长度的安全限值。结果表明:考虑轮对柔性能更好地反映轮轨接触状态;在轮轨滚动接触过程中,车轮扁疤过长会导致轮对发生跳轨现象,严重时导致车辆脱轨,应及时根据扁疤长度限值镟修轮对;结合轮重减载率和轮轨垂向力制定车轮扁疤长度安全限值为27 mm,该限值可以更有效地保障高速列车安全运行。     

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。     

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。     

轮轨粘着-蠕滑特性试验研究

轮轨粘着－蠕滑特性是一个受多种因素影响的变量。采用模拟试验方法，分析机车轴重、轮径、增粘块和轮轨间冲角等参数对轮轨粘着－蠕滑特性的影响。试验结果表明：若轴重增大、轮径减少和轮轨间冲角增大，则车轮粘着系数下降。     

试验台上的轮轨蠕滑力特性

阐述了在微缩试验台对轮轨蠕滑力进行的试验,重点介绍了试验设备、方法和试验结果。     

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。     

非赫兹接触下轮轨接触蠕滑力的计算

以弹性半空间非赫兹接触理论计算轮轨法向接触问题,得到比较真实的法向压力分布。在此基础上,根据修正的FastSim算法计算了轮轨在单点接触、轮缘接触和单接触斑内两点接触情况下的蠕滑力。与CON-TACT的对比表明,修正的FastSim算法在计算轮缘接触时具有比较精确的结果,在计算单接触斑内两点接触时的精度相对于Shen-Hedrick-Elkins理论和FastSim算法均有较大的提高。基于修正的FastSim算法编制了便于风-列车-桥梁耦合分析应用的蠕滑力插值数表MFTTLM。     

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.     

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。     

高速铁路列车轮轨粘着特性的理论探讨

首次建立了带函数型摩擦系数的滚动接触理论，使滚动体的运行速度成为可能被讨论研究的参变量，并以ＣＯＮＴＡＣＴ程序为基础，编制了相对应的计算程序。然后通过对各种蠕滑状态和运行速度下粘着情况的详细计算，得到了与实测的蠕滑力－蠕滑率曲线以及粘着率－运行速度关系相一致的计算结果。本文的工作既可以说是对Ｋａｌｋｅｒ理论的修正，也可以说是对Ｋａｌｋｅｒ理论的补充和完善。     

基于细观尺度粗糙轮轨接触蠕滑特性数值分析

为了进一步考虑粗糙表面对轮轨蠕滑的影响,从微凸体的微米尺度跨越到米的尺度,着力于摩擦的物理学本质,建立干摩擦工况下的轮轨蠕滑力的二维动态计算模型。通过微凸体接触与断开来模拟轮轨接触的滚滑运动,讨论不同速度、蠕滑率、轮轨表面粗糙度参数等因素对轮轨黏着系数的影响,对每个因素造成的轮轨牵引系数的变化进行数值分析。在中低速情况下,通过对线路测量数据和实验室JD对滚机数据与模型计算结果的对比,验证了模型的有效性。结果表明随着速度的增大,黏着系数随之下降;适当增加轮轨表面粗糙度能提高轮轨间的黏着系数;同时以非人为划分的方式重现接触斑内牵引系数变化的过程,从黏着区到滑动区的过渡过程。     

机车车辆轮轨黏着-蠕滑问题研究

机车车辆轮轨黏着问题与机车运行存在密切关系。在其他条件不变情况下,牵引轴重必将加大滑动区面积,但随着蠕滑率的不断加大,黏着系数随着轴重增加而减少。黏着控制实质是蠕滑率控制,目的是有效识别和抑制机车空转和滑行,使机车牵引力或制动力在接近轮周牵引力峰值点工作,充分发挥轮轨可用黏着潜力,提高黏着利用率,并根据国内机车黏着利用方面存在的不足提出改进建议。     

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。     

考虑轮轨蠕滑和轮对蛇行的车桥耦合振动分析北大核心

列车通过桥梁时,车桥系统将发生动力相互作用。选取轮对的横摆和摇头作为独立的自由度,根据轮轨接触几何学理论,给出轮轨间的相互作用力,从而建立了轮对及车辆的振动微分方程。利用结构分析的有限单元法,建立了桥梁结构振动微分方程。根据车辆和桥梁两个子系统之间力和位移的协调条件,把二者耦合起来求解。以主跨为300 m的铁路斜拉桥和DF4型内燃机车为例,利用威尔逊-θ法,模拟机车过桥的全过程,求解桥梁结构的动力响应规律。计算结果表明:桥梁结构的横向动力响应随车速的增加先增大后减小;车速对扭转振动的影响不明显,而偏载对扭转振动有显著影响。     

高铁轮轨钢的发展及高速下的轮轨损伤

随着列车运行速度的提高,车轮和轨道用钢也在不断更新换代。通过对比国内外车轮和轨道用钢的化学成分、力学性能,指明微合金化是提高高速列车轮轨钢性能的关键因素:微合金化能够在保证高强度的同时显著提高钢的韧性,从而提高钢的抗疲劳性能。并对近期关于高速列车轮轨磨损、滚动接触疲劳以及磨损和滚动接触疲劳之间关系的研究进展进行了综述。     

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.     

基于ALE有限元的轮轨稳态滚动接触分析

基于Arbitrary Lagrangian Eulerrian(ALE)有限元方法建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.该模型用接触面上相对滑移速度定义轮轨滚动接触的黏着和蠕滑条件,并在虚功率方程中通过Lagrange乘子法引入接触界面上无切向滑移约束,更好地计算分析接触斑的黏着特性.该模型不但可以考虑材料、几何和接触非线性问题,还可以考虑车轮滚动速度、轮轨的实际几何形态以及惯性力的影响,并能分析接触斑的接触应力和相对滑移速度的分布情况.用该模型对单轮对在轨道上稳态滚动时的接触状态分析表明:基于该模型计算得到的轮轨滚动接触的接触斑形态和Hertz理论的椭圆假设有较大差别;通过相对滑移速度来描述接触斑滑动和黏着状态,更有利于描述轮轨的相互作用;明显观察到接触斑里的摩擦力分布和相对滑移速度的自旋效应;接触斑里摩擦力的旋转分布对轮轨系统的振动、轮轨的黏着和磨损的产生有较大影响.     

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。