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.      

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.     

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.      

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.     

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．     

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。     

谐波型波磨激扰下轮轨系统接触蠕滑特性

将钢轨波浪形磨耗理想化为三种波长和波深组合的连续谐波激扰,通过多体动力学软件UM,分析不同波长和波深工况下谐波激扰对轮轨接触蠕滑特性的影响。研究表明,当波长固定、波深增大时,钢轨轮对垂向振动加速度和纵向蠕滑率/力的平均值均增大,横向蠕滑率/力平均值均减小。当波深固定、波长增大时,钢轨轮对垂向振动加速度平均值和纵向蠕滑率/力平均值均减小,横向蠕滑率/力平均值均增大。纵横向蠕滑率/力均含有与初始不平顺频率值相接近的特征频率成分,纵向蠕滑率/力特征频率随着波深的增大趋向高频段发展,横向蠕滑率/力特征频率集中在低频段,且随着波深增大逐渐减小。当波深为0.3 mm时,纵横向蠕滑率/力强度相当,能量主要集中在低频,频率比较单一;当波深达到0.6 mm和0.9 mm时,蠕滑率/力以纵向蠕滑率/力为主,表现出多频率特征。在波长相同的条件下,随着运营时间的增加,磨耗量在低频段增加较小,在中高频段增加较大。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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。      

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.     

钢轨表面波浪形磨损研究

通过对现场获取的波磨钢轨进行铆钉上，硬度试验分析，探讨了钢轨波磨的形成机理，发现钢轨波磨主要是因为轨面的不均匀塑性变形所致，机车车辆结构的相似和列车运行速度的趋近将加速钢轨波摩的产生，而提高钢轨屈服强度可有效地减轻钢轨波磨。