轮轨滚动接触力学的发展

轮轨滚动接触力学主要研究轮轨滚动接触过程中的作用行为。 由于其研究的复杂性，目前在该领域的研究已基本形成既独立又关联 的六个分支，它们分别是轮轨滚动接触蠕滑率/力理论、轮轨粘着、 接触表面波浪形磨损、轮轨滚动疲劳、脱轨和轮轨噪音。本文综述了 这几个方面研究的发展历史和现状。由于轮轨滚动接触作用的研究又 是以轮轨滚动接触蠕滑率/力理论为基础的，故本文着重评述目前常 用于车辆/轨道动力学和轮轨关系研究中几个经典滚动接触理论模型 的优缺点。根据实际工程中轮轨作用存在的严重问题，并提出轮轨滚 动接触理论及其试验在今后的研究方向和所要考虑的有关重要因素。  

轮轨滚动摩擦温升分析

利用有限元法,考虑轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流以及热辐射的影响,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型来模拟轮轨滚滑摩擦温升;在模拟轮轨纯滑动条件下,计算分析了由磨损引起的滑动接触斑的尺寸增大对轮轨温度场的影响;在模拟轮轨接触斑部分滑动工况时,针对不同蠕滑率、摩擦系数以及轴重对轮轨温度场的影响进行了相应的计算分析.结果表明:接触斑材料的磨损速度只影响磨损过程中的温度场分布,其稳态温度场分布基本一致;热载荷随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大,进而影响轮轨滚动接触热疲劳.  

全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析

采用有限元法从摩擦热效应角度探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热-机械载荷耦合接触模型,分析纯滑动接触过程中轮轨的温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,分析了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响.结果表明:所采用的接触算法能够求解二维轮轨全制动工况下的热接触问题;轮轨摩擦热效应只存在于表层,其影响随着深度增加而减小;轮轨的相对滑动速度越高,其热效应越明显.  

高频轮轨相互作用下钢轨的波磨

对高频轮轨相互作用下轨道的波浪形磨损问题进行了考察．通过引入轮轨的灵感度，得到了轮轨间蠕滑力的波动同轨道表面不平顺幅值和表面曲率的波动关系；通过引入摩擦功计算了轨道表面的磨损，得到了磨损率的计算公式．结果表明，钢轨的磨损率同轨道的垂向动力行为密切相关；在不同激振频率下轨道表面不同点的磨损率不同．  

钢轨轨缝接触-冲击的有限元分析

基于弹性点支承梁模型，采用三维非线性动力分析有限元程序ANSYS／LS-DYNA3D，建立了轮轨轨缝处接触一冲击有限元分析模型，通过模拟车轮经过轨缝时冲击钢轨接头的过程，研究了冲击过程中轨头的应力分布情况．结果表明：车轮冲击钢轨接头时，轮轨间最大垂向接触力出现在冲击开始后0．5ms左右，约为静载时的2．6倍，且在一定时间段里，轮轨间出现瞬时脱离现象．同时，轮轨间接触力及各种最大应力均随着轴重的增加成正比增大；当车轮冲击轨端瞬时，最大Von Mises等效应力出现在轨端头部，约为静接触时的3倍；最大剪应力发生在离轨顶面5mm处．研究结果对于揭示轨头的冲击破坏机理和改善铁路轨缝连接方式具有指导作用．  

轮轨三维弹塑性接触应力的算法研究

轮轨三维弹塑性接触应力的计算是研究轮轨接触疲劳的前提，本首次将ＣＯＮＴＡＣＴ程序与有限元方法相结合，考虑钢轨的真实几何形状和边界条件，形成了统一的轮轨滚动接触算法和软件ＣＭＥＦ，快速、有效地计算钢轨中真实的弹塑性应力场。  

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响.钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态.推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式.利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力.采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响.通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应.结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.  

滚压强化的残余应力的数值仿真及工艺分析

表面滚压强化,由于在表层引起加工硬化和残余压应力,可以十分有效地提高构件、零件疲劳强度,而滚压强化的有限元数值仿真,将成为分析优化滚压强化工艺的重要手段.本文建立了连续多、圈滚压工艺的有限元数值仿真模型,获得了比较合理的滚压变形与残余应力结果.在此基础上对滚压工艺做了进一步分析.结果表明,滚压变形的进给量太大.滚压的转速太快都容易造成工件表层残余应力分布的不均匀甚至形成残余拉应力;在滚压与未滚压的过度区域,从表面到心部的近1mm范围内,均未出现人们通常所担心的残余拉应力.这将在工程生产实践中,为滚压工艺制订提供重要的依据.  

高速铁路工程中若干典型力学问题

高速铁路是一个复杂的系统工程, 涉及一系列关键力学问题. 本文讨论高速铁路工程中的3个关键固体力学问题:高速铁路轮轨滚动接触力学问题、高速列车关键结构部件疲劳问题和高速列车与线路结构动态相互作用问题; 概述了其研究进展与工程应用; 提出了今后进一步结合高速铁路工程需求的研究方向.  

钢轨横向不均匀支撑刚度对钢轨波磨的影响

建立了钢轨波浪形磨损计算模型,模型中考虑车辆轨道垂向横向耦合动力学行为、轮轨三维滚动接触力学行为和轮轨材料摩擦磨损的循环相互作用关系.发展了相应的计算程序,并用1:1试验装置验证了理论模型.详细分析了实际线路上由轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度和不同行车速度对曲线钢轨接触表面不均匀磨损的影响.通过数值分析可知: (1)列车通过曲线钢轨时,轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度易引发曲线钢轨波磨的形成和发展; (2)这类钢轨波磨具有与轨枕间距几乎相等的波长和28—35mm的短波长,这个短波长不均匀磨损主要是由轮轨高频接触振动引起; (3)同一个转向架4个车轮作用下形成的钢轨波磨最大深度波谷的分布是不同的; (4)改变过车速度不能有效地抑制轨枕离散支撑导致的钢轨波磨形成和发展速度.