基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因,考虑轮对的旋转惯量,建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型. 基于轮轨系统摩擦自激振动的理论,采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性. 研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响,并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性. 数值模拟结果表明:在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下,轮轨系统的摩擦自激振动导致高速列车车轮多边形磨耗的产生,其导致的21~22阶和23~24阶车轮多边形磨耗占主导地位,这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为符合. 饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗,盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗. 制动压力为13 kN时,车轮多边形磨耗形成的几率最小,发展速度最慢. 过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗. 垂向悬挂力为75 kN时,车轮多边形磨耗形成的可能性最小,发展速度最慢.      

研磨子抑制高速列车车轮多边形磨耗的机理研究

高速列车车轮多边形磨耗是我国高速列车自2008年开行以来出现的最严重的问题之一，直接影响到高速列车的运行安全. 利用高速轮轨滚动试验机试验研究了研磨子的增黏作用和局部缺陷修复作用，探讨了其作用机制. 建立了由轮对、钢轨和整体道床组成的轮轨系统滑动摩擦自激振动模型，研究了轮轨黏着和滑动工况下的轮轨系统摩擦自激振动发生趋势，指出研磨子抑制高速列车车轮多边形磨耗的主要机理在于以下两个方面:(1)研磨子的增黏作用，使轮轨系统制动和牵引时不容易发生滑动，消除了车轮多边形发生的条件；(2)研磨子中硬质颗粒能够有效地将车轮踏面的微观缺陷及时打磨清除，从而有效抑制车轮多边形、异常磨耗及接触疲劳裂纹的产生.      

高速列车车轮磨耗预测仿真

为了研究高速列车车轮磨耗问题,建立了车辆多体系统动力学和车轮磨耗耦合模型.模型中考虑了车辆系统悬挂非线性?轮轨接触几何非线性和轮轨蠕滑力非线性.采用数值仿真方法研究车轮型面的磨耗分布和发展.考虑车辆通过一条由直线和不同曲线组成的典型线路,通过动力学仿真计算轮轨接触情况,采用FASTSIM计算轮轨接触斑上车轮磨耗量,进行车轮型面磨耗量的累积和型面外形更新,然后再进入下一个磨耗循环的计算.通过比较分析,选择车轮型面垂直磨耗0.1mm为型面更新的条件,分别采用Archard磨耗模型?基于摩擦功的磨耗模型和基于磨耗指数的磨耗模型来预测车轮型面磨耗发展情况.并与测量得到的车辆实际线路运行中车轮磨耗量进行了比较.结果表明,仿真得到的车轮型面磨耗发展情况和实际测量结果趋势相同,其中基于磨耗功和磨耗指数模型的计算结果接近,而Archard模型算得的轮缘磨耗相对较大.因此,可以根据具体线路有针对性地选择磨耗模型,通过仿真方法预测车轮型面的磨耗,为高速列车的安全可靠运行提供指导.     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现, 使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求. 而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性. 在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行. 随着运行速度的提高,系统间耦合加强, 服役模拟也越来越受到重视. 而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求, 提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真, 得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态; 提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟. 因此, 基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟, 而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.      

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现,使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求.而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性.在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行.随着运行速度的提高,系统间耦合加强,服役模拟也越来越受到重视.而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求,提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真,得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态;提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟.因此,基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟,而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.     

基于恒等映射多层极限学习机的高速列车踏面磨耗预测模型

针对高速列车车轮踏面磨耗单一模型无法对各种复杂工况下列车车轮踏面磨耗进行定量计算的问题, 提出一种基于恒等映射多层极限学习机的高速列车车轮踏面磨耗测量方法. 首先将恒等映射引入到多层极限学习机中, 提出一种基于恒等映射的多层极限学习机模型(identity multilayer extreme learning machine, I-ML-ELM), 采用机器学习公共数据集对该模型进行性能验证, 数值结果表明I-ML-ELM模型具有较好的准确性与泛化性; 然后基于车辆-轨道耦合动力学理论建立高速列车的车辆-轨道耦合动力学模型, 模拟列车运行的不同工况, 观测和分析高速列车的车轮踏面磨耗情况, 并通过I-ML-ELM预测模型对高速列车车轮踏面磨耗量进行学习及预测; 最后应用高速列车车轮踏面磨耗的实际测量值对I-ML-ELM预测模型进行进一步的验证, 结果表明: I-ML-ELM预测模型的各项性能参数指标在整体上优于以下五种网络: ELM, FLN, ML-ELM, ML-KELM和DLSFLN, 通过高速列车线路实测数据的进一步验证表明, 本文提出的基于I-ML-ELM的高速列车车轮踏面磨耗预测模型能较好地反映不同参数对高速列车车轮踏面磨耗值的影响规律.      

暖湿气流对不同服役温度下轮轨界面黏着与损伤的响应行为研究

为研究不同服役温度下高湿度暖湿气流对车轮材料黏着与损伤的影响，为列车轮轨的安全可靠服役提供理论参考.本文作者利用轮轨滚动接触磨损/疲劳试验机模拟宽温环境(-55～60℃)下，着重考察间歇暖湿气流对高速轮轨界面黏着与车轮表面损伤的响应行为.结果表明：同种暖湿气流(RH 99%)作用下，环境温度对轮轨滚动接触界面的黏着与损伤存在显著影响；在低温环境下，轮轨间的黏着系数会瞬时大幅度下跌，而高温环境下反而出现轻微上升的现象.在低温工况下暖湿气流诱导下的车轮损伤(如塑性变形和表面疲劳裂纹等)明显高于高温环境，磨损机制由低温环境下的疲劳磨损和磨粒磨损为主逐渐转变为高温环境下的氧化磨损、黏着磨损和疲劳磨损.因此，为进一步保障高寒地区列车通过隧道等湿热环境时的安全可靠运行，暖湿气流诱导列车轮轨低黏着状态的行为须予以关注和引起重视.     

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。     

高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应有限元模拟

车轮踏面剥离是轨道车辆车轮非圆化损伤的常见形式之一。轮轨滚动接触过程中,车轮踏面剥离会循环冲击钢轨,诱发异常大的轮轨动态相互作用,严重影响高速列车运行平稳性和安全性。基于三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应,分析了轮轨冲击过程中的轮轨接触力/压力、接触斑及黏/滑特性、钢轨表面节点速度分布和应力/应变状态等响应特征,讨论了列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的影响。结果发现,车轮踏面剥离引起的轮轨动态垂向接触力随列车速度的提高呈现出先增大后减小的变化趋势,并在列车速度为300 km/h出现最大值,约为轮轨准静态垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨动态接触力、轮/轨von Mises应力和等效塑性应变均显著增大;随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大。     

摩擦粒子填充材料对高速列车闸片制动性能的影响

在自行研制的制动缩比试验台上,对中心孔填充不同材料的高速列车制动闸片摩擦粒子进行拖曳制动试验,并采用有限元分析方法进行制动系统复特征值和接触应力分析,探讨填充不同材料对磨损特性、振动噪声和热分布的影响. 结果表明:原始摩擦粒子中心孔填充材料后,对制动系统的摩擦系数和模态耦合特性未产生显著影响,但对界面磨损行为和系统振动噪声特性产生明显影响. 填充粉末冶金后排屑行为下降,磨损行为更为复杂,制动系统产生的噪声增大;而填充紫铜、石墨和铸铁后的制动噪声均有所降低,尤其填充铸铁后表面磨损相对均匀,其摩擦学性能相较于其他粒子得到一定的改善. 填充材料产生的磨屑及相应的界面磨损行为是影响制动摩擦振动噪声和表面热分布的关键因素,填充合理的材料有助于降低制动噪声和改善制动界面磨损行为及表面热分布.      

高速列车制动闸片摩擦块形状对制动界面摩擦学行为的影响

在自行研制的高速列车制动缩比试验台上,对六边形、五边形和圆形摩擦块进行拖曳制动试验,研究摩擦块形状对高速列车制动界面摩擦学行为的影响,并采用有限元方法分析了不同摩擦块形状下制动界面接触行为的差异,探讨了摩擦块形状对接触压力分布及表面热分布的影响. 结果表明:摩擦块形状显著影响了制动界面磨损特性及接触压力分布,使得制动盘产生不同的温度分布现象. 在本试验条件下,六边形摩擦块表面磨损轻微,接触平台大小较为均匀,而五边形和圆形摩擦块表面呈现明显的犁沟和剥落特征,且大接触平台占比较高;六边形摩擦块与制动盘拖曳制动过程,界面具有较大的接触面积,使得接触压力分布较为均匀,表现出较好的接触行为,而五边形和圆形摩擦块的接触行为相对较为复杂,与之对摩的制动盘产生明显的热聚集现象.      

轮轨界面摩擦学转变结构层特性及其研究进展

摩擦学转变结构层是轮轨系统滚动接触过程中形成的典型损伤特征,其发生、发展及其演变过程对轮轨界面失效具有重要的影响. 本文作者分析了轮轨界面摩擦学转变结构层[TTS,包括白色浸蚀层(WEL)、棕色浸蚀层(BEL)以及塑性变形层(PDL)]的典型特征和微观结构,重点讨论了当前轮轨界面TTS的研究现状及在形成机制上的分歧和争论,并介绍了近年来国内外学者应用先进分析测试手段开展TTS研究的相关进展;归纳总结了TTS对轮轨界面损伤的主要贡献,最后重申了TTS在轮轨摩擦学研究中的重要性并提出了今后研究的发展方向.      

Stability and Bifurcation of Longitudinal Vehicle Braking

The longitudinal braking dynamics of a two-wheel vehicle model on an incline are considered using techniques from nonlinear dynamics. The model is planar and incorporates the coupled dynamics of two independently braked wheels and the vehicle body, and takes into account the slip dynamics of each wheel. By using the wheel slip values and the vehicle speed as dynamic states, it is shown that the qualitative behavior of the system can be completely captured by studying a relatively simple phase plane problem described in terms of the slip values. A systematic bifurcation analysis is carried out in which the brake torques of the two wheels are varied, and it is shown how the system transitions from stable braking to the possibility of lockup in one or both wheels, to guaranteed lockup in both wheels. In this manner a quite complete picture of the dynamic behavior is obtained as a function of the two brake torques, including regions with multiple possible steady braking outcomes, depending on the initial conditions. This analysis provides new insights into the dynamics of vehicle braking, and it provides a correction to the standard result for the critical values of the brake torques at which the wheels undergo lockup. This approach may also prove useful for evaluating brake proportioning schedules, or for investigating anti-lock braking systems and other methods of traction control.     

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.      

时变接触特性表面对界面摩擦学行为的影响

通过在锻钢基材表面沟槽中分别填充灰铸铁HT300、Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金材料获得具有时变接触特性的表面,并对锻钢光滑表面试样和时变接触特性表面进行摩擦学试验,研究不同时变接触特性表面对界面摩擦学行为(摩擦噪声、摩擦振动以及磨损行为)的影响. 结果表明:填充HT300的时变接触特性表面缓解了界面磨损,有效延续摩擦系统的稳定状态,抑制摩擦振动和噪声的产生;相反,填充Mn-Cu合金和填充Mn-Cu阻尼合金的时变接触特性表面加剧了界面磨损,加速了摩擦系统不稳定状态的出现,进而激发出高强度的摩擦振动和噪声. 在本研究中,摩擦系统失稳引起摩擦振动和噪声主要归因于摩擦磨损过程中黏着撕裂和犁削等界面作用,填充材料的阻尼特性未能起到减振降噪的效果.