考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析

以LM型踏面车轮和60kg·m-1钢轨为例,采用双线性塑性模型和平面应变热力耦合单元实现轮轨的热弹塑性耦合,传热过程中考虑轮轨接触斑处的非稳态热传导以及轮轨与周围环境间的热对流和热辐射,建立轮轨滑动接触二维热弹塑性有限元模型,分析轮轨接触斑间全滑动时不同相对滑动速度下,与温度变化相关的变摩擦系数对轮轨接触表面温度和等效应力的影响,并与取0.334的常摩擦系数时进行对比。结果表明:钢轨在轮轨接触斑附近的摩擦温升主要分布在其接触表面大约1.8mm的深度范围内,而车轮的主要分布在其接触表面大约2.5mm的深度范围内,采用变摩擦系数得到的轮轨摩擦温升要比采用常摩擦系数时低57%左右;轮轨接触斑附近钢轨和车轮的最大等效应力出现在车轮和钢轨的次表面上,采用变摩擦系数时得到的车轮和钢轨等效应力的影响范围比采用常摩擦系数时略小;轮轨间相对滑动速度对车轮接触表面的温度和等效应力影响不明显,但对钢轨接触表面温度和等效应力的影响明显,相对滑动速度越大,钢轨接触表面的温度也越高。     

轮轨内部剪切应力及其影响因素的研究

文中计算了在垂向力、摩擦力以及垂向力和摩擦力联合作用下轮轨内部剪切应力的分布，研究了轴重、车轮踏面外形、车轮直径以及轮轨间摩擦系数对轮轨内部剪切应力的影响。并指出，降低轴重、采用磨耗形踏面，增大车轮直径都可以降低轮轨内部的剪切应力，以及随着轮轨间摩擦系数的增加，轮轨内部剪切应力不仅其值在增大，而且其位置也逐渐移向表面。     

基于车辆动力学的铁路轨道曲线啸叫时域模型

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,为引入下落摩擦机理,在切向力计算中使用迭代方法确定摩擦系数和接触力,使用模态叠加法计算车轮振动响应,采用无限元方法计算车轮声辐射。研究不同曲线半径和通过速度下,曲线段轮轨间接触力的变化及接触区的黏着-滑动状态,对车轮振动特性进行分析,并研究了车轮声学响应。研究发现,在下落摩擦和整车车辆运动状态的共同作用下会出现啸叫现象;曲线段轮轨间的法向力和切向力均会出现振荡,接触区呈现黏滑振荡状态;车轮振动速度谱的峰值频率与车轮特征模态相近,车轮轴向和径向模态的高幅振动是高频啸叫的原因之一。啸叫现象主要出现在前轮上,相同工况下,前后轮声压级相差近20 dB,车辆速度和曲线半径对啸叫程度有明显影响,当车辆的曲线通过速度为60 km/h时,小曲线半径会出现严重啸叫现象;当曲线半径由200 m增大到400 m时,最大声压级降低34 dB;曲线通过速度由60 km/h降至40 km/h时,最...     

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。     

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。     

提速货物列车车轮凹磨限值研究

车轮凹磨作为货物列车车轮磨耗的一种主要形式,是影响货物列车提速性能的关键因素之一。为研究车轮凹磨对货物列车提速性能的影响,对阜淮线某型提速货物列车车轮磨耗进行跟踪测试。基于不同运营时期的磨耗车轮选取7种不同凹陷值下的车轮踏面廓形作为研究对象,并建立了车辆系统多体动力学模型,将不同凹陷值下的车轮踏面廓形输入车辆模型进行仿真。通过仿真计算和现场试验相结合的方法对不同凹磨状态下的轮轨接触特性和列车动力学性能进行分析。分析结果表明,随着车轮凹陷值的增长,踏面的等效锥度增大,出现凹磨的车轮踏面在名义滚动圆附近不易与钢轨形成有效的轮轨接触,导致轮轨接触点在此区域发生横向跳动,加剧了轮轨间横向冲击,导致轮对和构架的横向振动加速度增大,造成列车的稳定性和平稳性有所降低。随着车轮凹陷值的增加,车辆的临界速度会随之降低,致使货物列车提速范围受到限制。车轮踏面产生凹磨将对列车曲线运行稳定性和轮重减载率造成不利影响,但对脱轨系数影响不大。根据分析结果,建议运营速度提升至80 km/h的货物列车车轮凹陷值应控制在2.5 mm以内,以保证列车安全运营。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨垂向力的影响

列车车轮多边形磨耗会引起轮轨间作用力明显增大,对车辆和轨道部件产生恶劣的影响,严重时将会威胁到行车安全。本文以某城际高速列车在运行过程中发生转向架部件损坏事故为例,建立高速车辆-轨道耦合动力学模型和车轮多边形不平顺输入模型,计算分析列车运行速度、车轮多边形幅值及其阶数(或边数)等因素对轮轨垂向力的影响规律。结合现场高速车轮径跳的镟修期限统计和经验,以轮轨垂向动载荷限值为依据,考虑在不同速度下1~23阶车轮多边形幅值的影响,初步建立高速车轮多边形状态下的安全镟修限值。并通过分析安全限值曲线发现,当列车运行速度越快和车轮多边形阶次越高时,即使很小的车轮非圆化磨耗幅值也能导致轮轨力超出限值要求。本文结果可为高速列车车轮镟修维修工作提供参考和指导。     

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.     

轮轨干摩擦下的轮对横向自激振动机理

从轮轨间干燥接触情况出发,建立具有2个自由度的轮轨干摩擦下弹性定位轮对横向自激振动模型,并采用摩擦系数—蠕滑速度经验公式描述轮轨之间干摩擦力与蠕滑率的关系,进而从能量的角度研究轮对横向自激振动的形成机理。研究表明:轮轨系统中由蠕滑速度主导的反馈机制是产生轮对横向自激振动必不可少的条件;引发轮对横向自激振动的能量来自列车向前运动的一部分能量,并由摩擦力中的刚度力通过轮轨纵、横向蠕滑率的调节作用被输入到轮对中;轮对横向自激振动的稳定性取决于轮轨系统等效阻尼耗散的能量和摩擦力中刚度力输入的能量,轮轨摩擦力做功的正负将影响轮轨系统的稳定性。     

CRH3高速列车多边形磨耗车轮通过钢轨波磨区段的轮轨力研究

车轮多边形磨耗和钢轨波磨磨耗普遍存在于服役列车和典型线路上,针对这2种磨耗形式下的轮轨力学特性开展研究.建立柔性轮对的CRH3型高速列车刚柔耦合模型,构建车轮多边形与钢轨波磨的数学模型,分析200～350 km/h速度级下,波深、幅值均为0.01～0.04 mm,20～24阶车轮多边形磨耗与120～150 mm波长的钢轨波磨磨耗下对轮轨力的影响.研究结果表明:不同速度级下,车轮多边形阶次为20阶时,轮轨垂向力随着速度的增加而增大;改变车轮多边形的阶数、幅值,轮轨垂向力的大小随着多边形的阶次、幅值增大而增大;在考虑通过钢轨波磨区段的车轮多边形磨耗影响下,轮轨垂向力会出现明显的拍振现象,并且出现2个主频;当多边形阶次增加,轮轨垂向力的大小有所增大,但随着钢轨波磨波长的增加呈减小的趋势;当列车运行速度为300 km/h,车轮多边形幅值达到0.04 mm,车轮多边形阶数大于20阶,需要及时对车轮或钢轨进行镟修打磨工作,建议车轮多边形阶数为22阶、23阶、24阶分别对应钢轨波磨波深限值为0.04,0.03和0.024 mm.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

WJ-7型大调量扣件地段轨道动力响应测试及分析

为了恢复线路平顺状态,某线采用大调量扣件调整轨面高程。通过对大调量扣件地段轨道动力响应测试结果分析,评价其使用效果。分析结果表明,各评价指标均在安全限值之内;轮轨水平力、轮重减载率等指标随列车通过速度增大而增大;增加扣件调高量对轮轨垂直力、轮轨水平力以及脱轨系数的影响较小,但钢轨轨底横向位移、轮重减载率有增大趋势;在曲线段采用大调量扣件会导致钢轨轨头横向位移、轮重减载率和脱轨系数明显增大,建议在曲线地段扣件调高量不宜过大。     

3D轴焊接构架式转向架重车过曲线轮轨横向力超标原因分析

根据转向架结构理论分析和动力学仿真计算,对3D轴焊接构架式转向架通过曲线时重车轮轨横向力偏大的原因进行分析。认为3D轴焊接构架式转向架的主、副摩擦面摩擦系数偏大,使重车通过曲线时斜楔处于卡死状态,轮对轴箱纵向呈刚性定位,从而导致重车过曲线时轮轨横向力偏大。提出只要将斜楔副摩擦面的摩擦系数减小至0.1左右,则在轮轨纵向蠕滑力的作用下,轴箱斜楔纵向就不会被卡死,而且轮对纵向定位刚度只由轴箱弹簧提供,可以有效地降低重车过曲线时的轮轨横向力。线路动力学试验证明理论分析和仿真计算的结果是正确的。     

轮对稳态脱轨准则的研究

通过进行轮对的受力分析，导出了轮对临界脱轨的两个准则，一个为假设轮轨间出现摩擦滑动的经典脱轨表达式，另一个为考虑轮轨间蠕滑力效应的近似解析表达式。实例计算表明，经典方法的计算结果比近似解析方法保守，采用本文提出的解析表达式进行脱轨的判断更为合理。通过计算还得知，减小轮轨摩擦系数、增大轮缘角和减小轮对冲角有利于防止脱轨的发生。     

移动荷载作用下轨道路基动力响应分析

基于层状梁和粘弹性半空间体理论建立轨道路基耦合动力分析模型;通过移动坐标和Fourier变换得到移动谐振点荷载作用下轨道路基稳态响应在波数域内的解;再利用快速Fourier逆变换,求出钢轨、轨枕位移及道碴路基的相互作用力在空间域内解。通过算例分析荷载速度对路基表面位移的影响,结果表明:随荷载速度增大,路基表面位移峰值也增大,在荷载速度较低范围内,其对路基位移峰值影响不大,当荷载速度接近Rayleigh波速时,路基位移峰值急剧增大;随着荷载速度的增大,路基竖向位移分布呈现出的“波动性”也越来越明显,其“波长”随荷载速度的增大而减小。     

悬挂式单轨车辆走行轮失效对曲线通过及运行平稳性影响的仿真分析

悬挂式单轨车辆走行轮在车辆运行中起到承载和传力的重要作用,其走行轮失效对悬挂式单轨车辆运行性能有重大影响。通过多刚体动力学理论建立悬挂式单轨车轨耦合动力学模型,仿真分析了不同工况下走行轮失效对单轨车辆曲线通过及运行平稳性的影响。仿真结果表明:空载状态下走行轮失效的悬挂式单轨车辆在曲线半径100 m的线路上限速为35 km/h,而满载状态下走行轮失效的车辆一直处于不安全状态,需要尽快行驶到就近站点疏散乘客;同侧走行轮失效对单轨车辆的影响趋势基本一致;在相同行车速度下,走行轮失效时竖向平稳性指标出现了部分数值超过3.0的情况,说明走行轮失效时车辆的运行平稳性会变差。仿真研究结果可为走行轮失效的悬挂式单轨车辆运行提供参考。