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．     

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。     

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。      

应用于高速轮轨滚动接触的蠕滑理论算法对比研究

运用多体动力学仿真软件UM建立了车辆-轨道多体动力学模型,并基于轮轨滚动蠕滑理论对比分析了FASTSIM算法与CONTACT算法两者在稳态和瞬态滚动状态中轮轨动态作用力之间的差异.计算结果表明:列车以稳态滚动状态行驶在直线轨道和曲线轨道上时通过FASTSIM算法计算得出的横、纵向轮轨蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在的差异值较小,达到了10%~15%,而在瞬态滚动状态下尤其是在大蠕滑以及考虑风阻等比较恶劣的工况下行驶时计算得出的横、纵向蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在较大的误差,差值达到了25%,并且随着车速的增加,最大差异值达到了30%,这表明CONTACT算法在瞬态滚动工况下进行蠕滑力计算上相比于FASTSIM算法更加精准,更适用于作出对列车运行时的安全性方面的评价.      

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.     

轮轨横向接触过程时域计算模型的建立与分析

为研究轮轨横向接触过程稳定性对曲线啸叫噪声的影响,利用改进的新型摩擦系数模型计算了轮轨接触面上的摩擦力变化,在考虑车轮横向、垂向动力学特性的基础上建立了轮轨横向接触系统时域模型。针对S型辐板辗钢整体车轮分析了横向蠕滑量和车轮阻尼对该系统的稳定性影响。结果表明,轮轨接触面上动静摩擦力之间的落差引起的粘滞一滑动形式的自激振动是引起曲线啸叫噪声的主要原因,增大车轮模态阻尼使其大干等效阻尼的临界值,或减小轮轨问横向蠕滑量使其小于0．0024可以使系统稳定,轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

Asymptotic response of a two DOF elastoplastic system under harmonic excitation. Internal resonance case

The study of a two DOF elastoplastic system is formulated in a suitable phase space, velocity and force, in which an originally multi-valued restoring force is represented by a proper function. The asymptotic response can thus be studied using the Poincaré map concept and avoiding approximate analytical techniques. On account of the peculiarity of this hysteretic system, which has a well-defined yielding point, its dynamics is studied in a reduced dimension phase space using an efficient numerical algorithm. It is shown that the asymptotic response is always periodic with the period of the driven frequency and is always stable. Thus the response of the oscillator is described by its frequency response curves at various intensities of the excitation. The results presented refer to a system with two linear frequencies in a ratio of 1 : 3. The response is highly complex with numerous peaks corresponding to higher harmonics. The effect of coupling in conditions of internal resonance is a strong modification of the frequency response curves and of the oscillation shape of the structure.     

模态截断与简谐载荷的响应灵敏度分析

本文解决了如何利用获得的少数低阶模态，通过改进的模态展开法来计算响应及其灵敏度的问题。算例表明本文方法十分有效     

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.     

简谐激励作用下轴向运动梁横向振动特性分析

为分析简谐激励作用下轴向运动梁的横向振动问题,采用单元数目及长度固定不变、节点参数在不同时间步下无缝传递的节点生死方法,建立了时变系统的动力学有限元模型,通过已有实例验证了模型的准确性和有效性。在此基础上,分析了架设速度、激励力频率和幅值对某型平推式军用桥梁架设过程横向动力响应的影响规律。结果表明,在架设过程中,当桥梁的时变固有频率与激励力频率接近时,桥梁位移动态响应呈共振的特点,据此提出了减小某型平推式军用桥梁架设过程动力响应的措施。     

低阶谐波磨耗轮对引起的轮轨及等效人体动态响应分析

低阶谐波磨耗轮对不仅会引发高阶谐波磨耗,还会引起列车振动进而影响乘员的舒适性。在传统的10自由度列车模型的基础上,利用集中质量法,将满员时乘客的总质量等效在列车的前后转向架和车体中间三个质量点上,考虑三个等效质量体的沉浮运动,形成了13自由度的人-车模型。该模型既可以研究不同磨耗轮对激励对乘员振动特性的影响,又可以避免将单个乘员纳入系统计算时造成的累计误差。其中轨道结构为多层梁模型,且考虑轮轨接触损失。结果表明,行车速度和磨耗轮对的阶数和波深的增大均会诱发列车发生跳轨现象,影响行车安全。此外,在相同轮对工况下,前端等效人体的垂向加速度均大于车体,所以应该以等效人体而非列车的振动响应来评价乘员舒适性。     

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.