非理想,非完整约束轮对动力学

推导了铁道车辆轮轨接触的非完整约束方程,考虑动坐标系产生的惯性力和轮对转子的陀螺力矩效应,用绝对坐标法建立了任意曲线轨道动坐标系下轮对的动力学方程,通过迭代Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子同时得到接触点法向力（理想约束反力）和蠕滑力（非理想约束反力）针对两点接触引起的数值积分不稳定,提出了等铲一点接触模型,最后通过验算了Ｐａｓｃａｌ考题和仿真自由轮对的蛇行运动,验证了本文轮轨模型的正确性,为开发通用车辆动力学     

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。     

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．     

An Augmented Formulation for Mechanical Systems with Non-Generalized Coordinates: Application to Rigid Body Contact Problems

In computational multibody algorithms, the kinematic constraintequations that describe mechanical joints and specified motiontrajectories must be satisfied at the position, velocity andacceleration levels. For most commonly used constraint equations, onlyfirst and second partial derivatives of position vectors with respect tothe generalized coordinates are required in order to define theconstraint Jacobian matrix and the first and second derivatives of theconstraints with respect to time. When the kinematic and dynamicequations of the multibody systems are formulated in terms of a mixedset of generalized and non-generalized coordinates, higher partialderivatives with respect to these non-generalized coordinates arerequired, and the neglect of these derivatives can lead to significanterrors. In this paper, the implementation of a contact model in generalmultibody algorithms is presented as an example of mechanical systemswith non-generalized coordinates. The kinematic equations that describethe contact between two surfaces of two bodies in the multibody systemare formulated in terms of the system generalized coordinates and thesurface parameters. Each contact surface is defined using twoindependent parameters that completely define the tangent and normalvectors at an arbitrary point on the body surface. In the contact modeldeveloped in this study, the points of contact are searched for on lineduring the dynamic simulation by solving the nonlinear differential andalgebraic equations of the constrained multibody system. It isdemonstrated in this paper that in the case of a point contact andregular surfaces, there is only one independent generalized contactconstraint force despite the fact that five constraint equations areused to enforce the contact conditions.     

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.     

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．     

轮轨材料硬度匹配性能试验研究

利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71 Mn热轧钢轨的硬度匹配性能,分析了不同硬度车轮与U71 Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为.结果表明:车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响;随车轮硬度增加,车轮磨损量呈下降趋势,钢轨磨损量表现为线性增加,轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势,轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小.车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响,车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主,随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤,对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制.     

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.     

曲率半径对车轮滚动接触疲劳性能的影响

滚动接触疲劳和磨损是铁路轮轨损伤的主要问题.本文中应用赫兹接触理论,在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变试验冲角,研究了干态工况下曲率半径对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察车轮试样剖面与磨痕表面交界处的疲劳裂纹,分析不同曲率半径条件下车轮的滚动接触疲劳机理.结果表明:由于加工硬化的作用试验后所有试样的硬度均有提高;随着曲率半径的减小,车轮钢的磨损量增大,塑性流变层增厚且不均匀,车轮试样疲劳裂纹扩展加剧;裂纹在交变应力作用下容易继续向下扩展,从而形成严重的疲劳破坏.     

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．      

三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了U71Mn、PD3、PG4三种钢轨与AAR-B车轮材料匹配时的滚动磨损与损伤性能.结果表明:不同钢轨材料的微观组织结构明显不同,钢轨硬度对轮轨滚动摩擦系数基本无影响;随钢轨硬度增加,钢轨磨损率减小,车轮磨损率增大,轮轨系统总磨损率先减小后增大.随试验时间增加,不同钢轨试样的硬化率趋于一致,车轮试样硬化率随钢轨试样硬度的增加而变大,轨轮硬度比随试验时间增加趋于相同.钢轨材料对轮轨试样表面损伤形貌有一定影响,随钢轨硬度增加轮轨表面犁沟现象明显,钢轨试样表面剥落损伤减轻且塑性变形层变薄,出现了明显的疲劳裂纹损伤,钢轨硬度增加导致车轮试样表面剥落加重且塑性变形层变厚;轮轨试样表层出现明显的白层现象,且车轮试样的白层更厚.     

Three-Dimensional Large Deformation Analysis of the Multibody Pantograph/Catenary Systems

To accurately model the nonlinear behavior of the pantograph/catenary systems, it is necessary to take into consideration the effect of the large deformation of the catenary and its interaction with the nonlinear pantograph system dynamics. The large deformation of the catenary is modeled in this investigation using the three-dimensional finite element absolute nodal coordinate formulation. To model the interaction between the pantograph and the catenary, a sliding joint that allows for the motion of the pan-head on the catenary cable is formulated. To this end, a non-generalized arc-length parameter is introduced in order to be able to accurately predict the location of the point of contact between the pan-head and the catenary. The resulting system of differential and algebraic equations formulated in terms of reference coordinates, finite element absolute nodal coordinates, and non-generalized arc-length and contact surface parameters are solved using computational multibody system algorithms. A detailed three-dimensional multibody railroad vehicle model is developed to demonstrate the use of the formulation presented in this paper. In this model, the interaction between the wheel and the rail is considered. For future research, a method is proposed to deal with the problem of the loss of contact between the pan-head and the catenary cable.     

曲线半径对钢轨磨损影响的数值计算与试验分析

用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,轮轨接触质点间蠕滑力、黏滑区的分布和摩擦功随曲线半径的变化,利用模拟试验研究了曲线半径对钢轨试样磨损特性的影响.结果表明:钢轨磨损量随曲线半径的增大呈非线性减小,在小于1 200 m的小曲线半径范围内,钢轨磨损量值随曲线半径的减小而急剧增大;随着曲线半径的增大,轮轨接触斑中最大滑动量逐渐减小,滑移区的面积减小,而黏着区的面积增大;轮轨接触斑上摩擦功随曲线半径的增大呈非线性的减小.     

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。     

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。     

不同介质对轮轨增黏与磨损特性影响

利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了水介质下砂、氧化铝、研磨子对轮轨增黏与磨损特性影响.结果表明:干态和水介质下随蠕滑率增大黏着系数呈先增加后小幅降低并趋于稳定.水介质下氧化铝介质的增黏效果最好,研磨子最差;砂介质使轮轨磨损严重且塑性流变层最厚,轮轨试样表面剥落严重;氧化铝介质下轮轨磨损量较砂介质小,塑性流变层轻微;研磨子介质下的轮轨试样磨损量最小,磨损表面较为光滑;落叶显著降低黏着系数,且易形成落叶浆,使接触表面产生划痕;落叶工况下撒砂能增加黏着系数且能去除落叶浆,但易造成轮轨试样的剥落损伤.     

低温环境下轮轨材料滚动磨损模拟试验研究

针对高寒地区温度环境特点,设计了低温环境轮轨磨损模拟试验装置,实现了低温环境下轮轨滚动磨损模拟试验,对比研究了室温(23~25℃)及–60℃试验温度下轮轨试样的滚动摩擦系数、磨损量、硬度及表面损伤等变化情况.结果表明:与室温环境条件相比,低温环境条件下轮轨材料的摩擦系数、磨损量均明显增大;低温环境下试验后轮/轨硬度比较室温环境下增大,车轮硬化情况严重;随温度的降低,轮轨试样的表面磨痕呈现出不同的损伤机制;所设计低温环境轮轨磨损模拟试验机可用来评价不同低温环境下车轮与钢轨材料摩擦磨损行为.