高速列车车轮踏面磨耗预测方法的研究

高速铁路的发展满足日益增长的运输需求,同时带来了轮轨型面磨损问题.通过磨耗预测模型对车轮踏面磨耗量进行预测,及时对磨损的车轮踏面进行镟修,对于列车安全运行具有重要意义.通过建立轮对-钢轨三维有限元模型进行接触计算,提出一种基于有限元算法的摩擦功计算方法,即接触节点的摩擦功等于接触摩擦力与节点相对位移的乘积,实现车轮踏面磨耗预测.通过接触计算,发现接触斑中心处的接触摩擦力较大,相对位移量较小,摩擦功较小;将接触斑摩擦功叠加得到车轮踏面摩擦功,数值曲线呈中部大边缘小,且随牵引力的增大而增大;通过动力学计算,发现列车在直线钢轨运行初期的车轮横移量近似呈正态分布;对列车在直线钢轨上运行不同里程的车轮踏面进行磨耗预测,发现预测型面与实测型面具有相同的磨耗趋势,即车轮名义滚动圆处磨耗最严重,且磨耗宽度随列车运行里程增加而逐渐增大;应用有限元法计算磨耗功并预测车轮踏面磨耗,具有一定的研究意义和实用价值.     

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。     

非稳态载荷下轮轨滚动接触及其钢轨波磨研究

利用有限元法,考虑材料反复滚压条件下棘轮效应和局部滑动的影响,研究了非稳态机车和车辆车轮载荷作用下轮轨滚动接触的弹塑性应力、应变和变形,进而分析了塑性流动型钢轨波浪形磨损的形成和发展过程以及波谷和波峰处材料的力学行为.结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形引起的波磨,波磨发展速率呈衰减趋势,最终趋于稳定状态;在相同载荷下,与车辆车轮相比,机车车轮对钢轨波磨影响较大;波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.     

两种型面轮轨滚动接触蠕滑率和摩擦功

采用数值分析方法详细分析了2种型面轮对与轨道在滚动接触过程中的接触几何、蠕滑率和摩擦功。在摩擦功分析计算中利用了Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论,并考虑了轮轨的结构变形的影响。分析计算表明,在轮对运动相同的情况下,磨耗型轮对与轨道之间的蠕滑率和摩擦功与锥型轮对轨道之间的蠕滑率和摩擦功相差甚大。数值分析结果表明,现行铁路中正在推广使用的磨耗型轮对并不能减少轮轨接触表面之间的磨损,磨损型车轮的型面与钢轨尺寸的匹配还有待进一步改进。     

基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测

为对货车车轮磨耗寿命进行预测,在SIMPACK中建立车辆-轨道多体动力学模型,基于轮轨半赫兹接触理论和Zobory车轮磨耗模型编制车轮磨耗数值仿真程序.对C80型货车等在环形线和大秦线上运行时的车轮磨耗行为进行仿真,并根据实测结果和仿真结果对Zobory车轮磨耗模型进行修正,最后利用修正后的Zobory模型对C80型货车在国内某重载线路上运行时的车轮磨耗寿命进行预测.结果表明:车辆在环形线和大秦线上运行时,仿真得到的车轮磨耗分布范围以及圆周磨耗深度和轮缘厚度随运行里程的变化趋势均与现场实测结果较为接近,但车轮圆周磨耗率分别为实测结果的1.394 ～1.842倍和2.172 ～3.658倍,主要原因是仿真中采用了轮轨半赫兹接触理论,考虑了弹性剪切变形对滑动速度的影响,并且国内货车采用的CL60钢的硬度大于国外BSll钢的硬度;C80型货车在国内某重载线路上运行时,利用修正后的Zobory模型仿真得到的车轮段修磨耗寿命为39×105 km,运用磨耗寿命为65×105 km,与现场统计结果较为吻合.     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

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%。     

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．     

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.      

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.      

自然环境条件下轮轨接触黏着特性研究进展

轮轨黏着是铁路运输中的关键基础性科学问题之一,而轮轨接触界面良好的黏着状态是列车安全和高品质运行的根本保障. 轮轨系统作为1个开放的系统,受到各种自然环境因素的影响,如湿度、温度、水、风沙甚至铁氧化物,而所有的这些环境因素都会影响轮轨接触界面的黏着状态和损伤行为. 本文中综述了水、湿度、温度和风沙等自然环境因素对轮轨黏着特性影响规律的研究进展,分析了自然环境因素下轮轨界面铁氧化物特征,重点探讨了自然环境因素对铁氧化物形成的影响及其对轮轨接触黏着特性的影响规律和作用机理,并提出了轮轨黏着的未来研究方向.      

三维轮轨法向接触力学行为弹塑性理论分析

基于Hertz接触理论和双线性强化模型,建立了轮轨法向接触弹塑性理论分析模型,分析了轮轨法向接触力学响应特征,讨论了轴重对接触压力和接触变形的影响规律。同时,基于三维轮轨接触有限元模型模拟了轮轨接触力学行为,并引入理论误差系数分析了弹性模型和双线性强化模型对轮轨接触力学响应预测结果的差异性。结果表明,轮轨最大接触压力和接触变形量均随轴重的增大而增大;双线性强化模型的理论误差系数较小,采用双线性强化分析模型能较准确地预测轮轨接触弹塑性力学行为。研究结果可为轮轨系统安全服役和损伤评估提供理论和技术支持。     

基于有限元法的轮轨蠕滑特性研究

轮轨滚动接触蠕滑率／力理论是轮轨相互作用一系列问题研究的基础．现有的几种计算蠕滑力的理论模型均建立在Hertz接触条件和半空间假设的基础上，已经无法完成对复杂的接触问题的进一步研究．使用有限元参数二次规划法来求解轮轨的三维弹性／弹塑性接触问题，得出了在不同的轴重、牵引力矩、摩擦系数、踏面形状、横向力条件下的轮轨接触力．提出用轮轨接触的轮周位移计算蠕滑率的新方法，并对在各种参数下所得到的蠕滑率进行了分析比较．     

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.     

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。     

冲角工况下列车车轮损伤机理研究

曲线通过和蛇行运动时将会在轮轨间产生一定的冲角,为探究列车车轮在冲角工况下的损伤机理,利用JD-1轮轨模拟试验机对列车车轮进行滚动接触疲劳试验.结果表明:在冲角工况下车轮试件磨痕的不同区域存在不同的损伤机理,按损伤机理的不同可以将其分为塑性堆积区、疲劳损伤区和磨损区三个区域.在应力发生剧烈变化且应力方向由高应力区指向低应力区的区域将会出现材料的塑性堆积,并且在堆积处产生疲劳裂纹.滚动接触下的疲劳裂纹可以萌生于表面和亚表面,在较强应力作用下,车轮材料的晶粒发生了明显的细化,在横截面上呈现出纤维状组织.     

NUMERICAL SIMULATION OF TWO-POINT CONTACT BETWEEN WHEEL AND RAIL

The elastic-plastic contact problem with rolling friction of wheel-rail is solved using the FE parametric quadratic programming method. Thus, the complex elastic-plastic contact problem can be calculated with high accuracy and efficiency, while the Hertz＇s hypothesis and the elastic semi-space assumption are avoided. Based on the ‘one-point＇ contact calculation of wheel-rail, the computational model of ‘two-point＇ contact are established and calculated when the wheel flange is close to the rail. In the case of ‘two-point＇ contact, the changing laws of wheelrail contact are introduced and contact forces in various load cases are carefully analyzed. The main reason of wheel flange wear and rail side wear is found. Lubrication computational model of the wheel flange is constructed. Comparing with the result without lubrication, the contact force between wheel flange and rail decreases, which is beneficial for reducing the wear of wheel-rail.