基于高频轮轨作用的波浪型磨损研究

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。通过引入轮轨的灵敏度，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；轨道表面不同点在不同激振频率下的磨损率不同。     

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.      

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．     

移动简谐荷载作用下轨道结构动态响应研究

研究了移动简谐荷载作用下轨道结构的动态响应特性,首先,将轨道结构简化为连续离散点支撑的弹性Euler梁模型,并建立了移动荷载作用下轨道系统动力学微分方程,基于无限周期结构在频域内的性质和叠加原理,推导出了移动简谐荷载作用下轨道结构上任意点的动态响应解析表达式;然后,数值分析了激励频率、扣件刚度、扣件阻尼对轨道结构动态响应的影响。研究结果表明:钢轨动态响应共振峰出现在荷载激励频率附近;随着激励频率的增大,钢轨动态响应峰值向高频方向移动;在高频段内,钢轨动态响应随着扣件刚度的增大而增大;扣件阻尼对系统的共振峰值及峰值带宽无显著影响,但在高频段内扣件阻尼具有明显抑制振动的作用,通过增大阻尼可以有效控制轨道的高频振动。     

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.     

纵向力作用下无缝线路动态特性有限元分析

本文通过建立无缝线路有限元动力分析模型,研究了钢轨自振频率和温度力之间的关系.该动力模型包括钢轨模型,钢轨扣件模型,轨枕模型,考虑了钢轨断面特性,钢轨磨耗,轨下刚度以及扣件的弹性刚度和扭转刚度等因素对动力模型计算的影响.分别分析了钢轨磨耗,轨枕支承间距,扣件刚度,钢轨类型以及轨下刚度等参数改变的情况下,钢轨纵向力变化对钢轨振动特性的影响.对部分的计算数据与实际试验测得的数据进行比较分析后,发现通过有限元方法所建立分析模型的计算结果与现场测试结果对比有较好的吻合,采用所建立的计算模型可以更准确地分析无缝线路轨道结构中钢轨纵向力与振动特性的内在联系.     

车-桥-线竖平面振动及其能量转化机制精细建模

建立了考虑车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制的竖平面内精细耦合运动方程.将车-桥(线)视为一个整体系统,车辆各剐体的纵向运动均作为独立的自由度,考虑到车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制,车辆驱动或制动作用采用轮轨间的纵向相互作用力和轮对作用力矩模拟,桥梁、线路结构采用梁单元离散,线路与桥梁之间的钢轨基础采用竖向和纵向的均布弹簧阻尼连接,建立了竖平面内精细耦合运动方程,它可合理模拟车桥(线)间能量相互转化的过程.简支梁桥算例表明:车辆在桥上无驱动或制动运行过程中,不考虑轨道结构时车速先增加后减小,而考虑轨道结构时车速只有减小的趋势,轮对还发生了高频的纵向振动,且车体和轮对的纵向振动对轨道竖向不平顺较为敏感;此外,考虑轮轨滚动碾压作用和能量转化机制时,钢轨加速度响应略偏大.本文研究可为实际车辆动态变速运行的模拟和更精细空间耦合模型的建立提供研究基础.     

秦沈客运专线高速列车构架蛇行波标准差的试验研究

国内外大多采用轨道横向不平顺作为列车—桥梁(轨道)时变系统横向振动的激振源。实际上，引起此系统横向振动的因素很多，诸如轨道横向不平顺、车轮踏面锥度、轮轨缺陷、车轮与钢轨的制造误差、车辆质量及其载重的偏心等。仅仅考虑轨道横向不平顺，会忽略其他很多因素的影响。相反，机车车辆构架蛇行波反映了引起此系统横向振动所有因素的影响，同时还反映了轮轨实际接触状态。研究证明，构架蛇行波标准差是输入此系统横向振动的能量，因此，有关它的研究十分重要。本文根据秦沈客运专线高速列车(中华之星)构架蛇行波现场测试结果，采用工程概率数值分析方法，对高速列车构架蛇行波标准差进行了统计分析，得出具有99％概率水平的高速列车构架蛇行波标准差与车速的关系曲线，为高速列车—桥梁(轨道)时变系统横向振动随机分析激振源的确定提供了基础资料；同时还列出了具有代表性的高速列车构架蛇行波实测波形图。     

列车荷载作用下轨道和地基的动响应分析

分析了列车运动荷载引起的应力波在轨道结构和周围地基中的传播,用动力子结构方法求解了铁路轨道和多层地基的相互作用问题,特别是在模型中考虑了轨枕离散支撑的作用.研究的对象结构包括列车运动荷载和受轨枕支撑的钢轨,以及下面的无限分层黏弹性地基.通过傅里叶变换求解微分形式的支配方程,得到了在频域和波数领域中的钢轨以及周围地基的振动准解析解,而响应时程则通过傅里叶逆变换得到.利用结果可以评估高速铁路列车运行时产生的轨道与周围地基的振动强度;同时提出了一种直观的方法来确定轨道与地基中产生共振时列车运行的临界速度.     

轮轨相互作用下钢轨焊接接头表面裂纹扩展分析

为了分析列车通过钢轨焊接接头时产生的轮轨动态冲击力对钢轨焊接接头表面裂纹扩展特性的影响,首先采用车辆-轨道耦合动力学数值模型计算轮轨垂向力,并建立带表面裂纹的轮轨接触有限元模型;然后将轮轨垂向力结果加载到有限元模型中分析其对裂纹扩展特性的影响。结果表明：在轮轨动态相互作用下,钢轨焊接接头处表面斜裂纹的扩展以剪切模式为主导,裂纹应力强度因子 KI 和应力强度因子范围ΔKII 随着列车速度的增大而增大;裂纹长度和裂纹面摩擦系数对应力强度因子范围ΔKII 影响较大,当裂纹长度从3mm 增加到10mm 时,其ΔKII 增大了204.2%,当裂纹面摩擦系数从0.1增加到0.6时,其ΔKII 减小了153.4%。     

铁路轮轨冲击振动模拟与试验

对铁路工程领域普遍存在的轮冲击振动现象进行了理论与试验研究。将车辆模拟为移动的多刚体振动系统,将轨道描述成离散点支承连续梁结构,应用快速数值 发方法编制了ＶＩＣＴ模拟软件,实现了轮轨冲击振动的快速数值模拟。     

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。      

第三介质作用下坡道对轮轨黏着特性影响

利用JD-1轮轨模拟试验机,通过设计坡道试验夹具实现了不同坡道接触条件的轮轨模拟试验,研究了第三介质条件下坡度对轮轨界面黏着特性的影响规律.结果表明:在干态、水介质和防冻液介质条件下,上下坡道工况的轮轨黏着系数均低于平直轨道工况;随坡道坡度的增加,黏着系数呈下降趋势且下坡道的黏着系数下降更为明显;与水介质相比较,轮轨界面存在防冻液时更容易引起低黏着现象;上坡道工况下,随速度和轴重的增加轮轨界面黏着系数呈略微下降的趋势.     

钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析

针对轮-轨滚动接触的短波长波浪形磨损现象,采用有限元法分析了三维实体模型的接触状态,通过计算分析了高频力作用下接触表面的塑性变形过程.结果表明:在一定的运动条件下,由于重复滚压作用,接触表面发生硬化并达到安定极限状态,生成有规律的短波长变形;钢轨表面塑性变形受枕木间距的影响;就具有随动硬化特性的钢轨材料而言,当摩擦系数μ<0.3时,屈服现象发生在材料表层下方;随着摩擦系数的增大,接触表面的切向力增大,安定极限的临界接触压力Po降低,屈服点移向接触表面,材料失效加快.     

Experimental Investigation on Dynamic Railway Sleeper/Ballast Interaction

In ballasted railway tracks, one of the important components that supports the rails and distributes wheel/rail loading onto the ballast supporting formation is a railway sleeper (sometimes is also called a “railway tie”). This paper presents results of an experimental modal analysis of prestressed concrete sleepers in both free-free and in-situ conditions, incorporating the dynamic influence of sleeper/ballast interaction. Dynamic interaction between concrete sleepers and ballast support is crucial for the development of a dynamic model of railway track capable of predicting its responses to impact loads due to wheel flats, wheel burns, irregularities of the rail, etc. In this study, four types of prestressed concrete sleepers were in-kind provided by the Australian manufacturers. The concrete sleepers were tested using an impact hammer excitation technique over the frequency range of interest, 0–1600 Hz. Frequency response functions (FRFs) were measured using PULSE modal testing system. The FRFs were processed using STAR modal analysis package to identify natural frequencies and the corresponding mode shapes for the sleepers. The conclusions are presented about the effect of the sleeper/ballast interaction on the dynamic properties of prestressed concrete sleepers and their use for predicting railway track dynamic responses.     

车辆/轨道相互作用理论研究进展及发展趋势

车辆与轨道之间的动力学相互作用问题,是铁路轮轨系统中最基本的问题．高速、重载铁路的发展,加速了车辆／轨道相互作用研究进程,也提出了更多更新的课题．在回顾轮轨相互作用研究历史的基础上,着重阐述了近二十多年来国内外在该领域所取得的研究进展,并对车辆与轨道相互作用研究趋势以及今后需重点开展的研究课题,提出了作者的观点．      

钢轨短波波磨的产生机理

通过对轮-轨系统进行动力学分析,指出高频率的能量传播主要集中于轮轨之间,在对轮-轨系统进行有限元分析的基础上,研究了轨道的受力情况和摩擦系数对应力分布的影响。讨论了轨道的弹塑变形和安定极限。     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of plastic deformation induced rail corrugation

A calculation model is put forward to analyze the effect of a scratch on the running surface of a curved rail on initiation and growth of plastic deformation induced rail corrugation when a wheelset is steadily and repeatedly curving. The numerical method considers a combination of Carter’s two-dimensional contact theory, a two-dimensional elastic–plastic finite element model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. A concept of feedback between the corrugation development and the vertical coupling dynamics of the wheelset and track is involved. The cyclic ratchetting effect of the rail material under repeated contact loadings is taken into account. The numerical results indicate that when a vehicle runs on rails with a scratch the contact vibration between the wheel and rail occurs at large amplitude, and rail corrugation due to plastic deformation initiates and develops. The corrugation has a tendency to move along the running direction and its evolution rate decays as wheelset passages increase. The passing frequencies of the plastic deformation induced corrugation depend on the natural frequencies of the track. The residual stresses stabilize after a limited number of wheelset passages. The residual strains increase at a reduced rate with increasing wheelset passages.