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机车牵引齿轮瞬态啮合接触模拟研究

机械工程学报 2023年第22期59卷 401-410页

作者：范伟赵鑫罗易飞温泽峰金学松西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031

齿轮副是机械结构普遍采用的关键传动部件,其啮合接触状态直接影响机构运行品质。采用显式有限元法,建立三维齿轮副瞬态啮合接触模型,将齿轮副三维几何、弹性变形和系统振动等复杂因素考虑在内,于时域内重现轮齿间瞬态啮合接触,获得接... 详细信息

齿轮副是机械结构普遍采用的关键传动部件,其啮合接触状态直接影响机构运行品质。采用显式有限元法,建立三维齿轮副瞬态啮合接触模型,将齿轮副三维几何、弹性变形和系统振动等复杂因素考虑在内,于时域内重现轮齿间瞬态啮合接触,获得接触斑、法/切向接触应力、相对滑移及齿面磨耗的随时变化。齿面间滚动接触由基于罚函数的“面-面”接触算法求得,引入非牛顿弹流润滑摩擦,采用考虑部分弹流润滑的Archard模型计算齿面磨耗。以国内某大功率电力机车牵引斜齿轮副为例,分析理想齿形下速度和牵引系数对轮齿啮合接触行为的影响。发现65 km/h、100 km/h和120 km/h运行速度下,分别在经过0.008 s、0.0115 s和0.012 s的动态松弛后基本建立起近似稳态啮合接触,轮齿进、出啮合导致齿轮副接触力在其理论解上下周期性波动。牵引系数增大会增加轮齿间接触力和应力,运行速度65 km/h下,牵引系数0.27对应的接触斑面积和每次啮合磨耗深度最值分别为432.22 mm^(2)和32.94×10^(-9)μm,为牵引系数0.15下的1.2和1.6倍。速度增加会降低磨耗深度,牵引系数0.15下,120 km/h运行时每次啮合磨耗深度最大值较65 km/h下降低48%。未来可进一步引入齿面磨耗和疲劳损伤,为研究非理想条件下齿轮瞬态啮合行为及其影响提供基础分析工具。

关键词：齿轮副显式有限元法瞬态啮合接触接触应力齿面磨耗

基于有限元法的轮轨滚动行为模拟试验台轮轨接触特性研究

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基于有限元法的轮轨滚动行为模拟试验台轮轨接触特性研究

作者：罗易飞西南交通大学

学位级别：硕士

轮轨试验台是研究轮轨滚动接触及损伤行为的重要工具,其轮轨接触行为与现场的异同决定了其适用性。西南交通大学牵引动力国家重点实验室建立的“轮轨滚动行为模拟试验台”属于缩尺车轮—环轨型轮轨试验台,与传统的双轮对滚试验台相比,... 详细信息

轮轨试验台是研究轮轨滚动接触及损伤行为的重要工具,其轮轨接触行为与现场的异同决定了其适用性。西南交通大学牵引动力国家重点实验室建立的“轮轨滚动行为模拟试验台”属于缩尺车轮—环轨型轮轨试验台,与传统的双轮对滚试验台相比,可考虑轨下离散支承特性。但该试验台的模拟特性及适用范围尚不明确,其应用亦处于起步阶段。鉴于此,本文运用有限元方法对轮轨滚动行为模拟试验台的轮轨接触特性开展数值模拟研究,为该试验台的应用提供有意义的理论参考。首先指出有限元模拟该试验台的轮轨接触行为、分析其模拟特性的必要性,就国内外轮轨试验台应用现状、轮轨滚动接触求解方法、试验台模拟特性分析等方面开展文献综述。以轮轨滚动行为模拟试验台的设计参数建立了试验轮轨的静态接触和瞬态滚动接触有限元模型,可获得时域轮轨力、接触应力、蠕滑率等结果,结合Tγ磨耗模型(T、γ分别为轮轨切向力和蠕滑率)可进一步求解钢轨磨耗深度。相应地,以同样的方法建立了线路服役轮轨的静态接触和瞬态滚动接触有限元模型,用于试验轮轨模拟特性的定量分析。以Hertz接触最大法向接触应力等效准则确定试验车轮垂向载荷,分析车轮纵向位置、车轮冲角、车轮横移量对试验轮轨静态接触的影响,并与同等条件下的服役轮轨进行了比较。结果表明,试验轮轨具备精确模拟服役轮轨静态接触的能力,车轮纵向位置和车轮冲角对其静态接触的影响很小,但由于侧滚自由度的差异,车轮横移量需控制在-1.0～3.0 mm才能定量地再现服役轮轨的接触应力、接触斑几何、轨内Von Mises等效应力等静态接触特征。在轮轨表面平顺的条件下,求解了试验轮轨典型工况(速度116.7 km/h、牵引系数0.1、黏着系数0.5)下的瞬态滚动接触,探明了牵引系数、速度、黏着系数对其瞬态滚动接触行为的影响规律,以1:3的速度缩比和350 km/h的服役轮轨进行了定量对比。结果表明,试验轮轨具有偏高的轮轨横向力、切向接触应力、自旋蠕滑率、钢轨磨耗深度,其速度的增大使轮轨力波动更加明显,牵引系数增大会显著提高轮轨纵向力、切向接触应力、纵向蠕滑率、钢轨磨耗深度,黏着系数降低使得其纵向蠕滑率和钢轨磨耗深度分别显著增大和减小。对于高速(350 km/h)条件下的试验轮轨瞬态滚动接触模拟,通过在隐式积分中考虑轮轨初始转速,改善了模型求解效果。引入轨面单个凹坑和连续波磨两种高频激励,得到激励下的轮轨瞬态滚动接触行为以及不平顺的发展趋势,探明了凹坑长度与深度、波磨波长与波深对试验轮轨瞬态滚动接触的影响规律,定量对比了典型激励下试验轮轨和服役轮轨的瞬态滚动接触行为。结果表明,典型凹坑激励下,试验轮轨垂向力和接触应力先减后增,凹坑有扩宽、变浅的趋势;凹坑长度增加(>10 mm时)会使轮轨垂向力和接触应力波动量、钢轨最大磨耗深度减小;凹坑深度增加使得轮轨力波动量、接触应力均增大,钢轨最大磨耗深度总体上呈增大趋势。典型波磨激励下,试验轮轨的轮轨力和接触应力呈周期性波动且滞后于波磨几何,波磨有波长不变、纵向位置逐渐移动的趋势;波长的增加显著降低试验轮轨垂向力、接触应力峰值及波动量,波长超过26.7 mm后钢轨磨耗深度变化不大;当波深增加,轮轨力和接触应力波动量均线性增大,钢轨磨耗深度总体上减小。与等比例的凹坑或波磨激励下的服役轮轨相比,试验轮轨会低估轮轨力和接触应力的波动幅度而高估钢轨磨耗深度。作为对上述时域结果的补充,从频域的角度对比了试验轮轨和服役轮轨的固有特性。结果表明:试验轨道和服役轨道的垂向敏感频带分别为2 222～2 901、963～1 845Hz,横向敏感频率分别为1 904、2 699 Hz和528、692、963、1 845 Hz。试验车轮的固有频率是同等振型的服役轮对的2.30～5.05倍,试验钢轨扭转和垂向弯曲固有频率分别是服役轨道的4.5倍和3.3倍左右,试验轮轨整体的P2共振固有频率是服役轮轨的1.9倍。

关键词：试验台缩尺车轮—环轨有限元法轮轨接触固有特性

采用GJ-Ⅲ型扣件地铁轨道的钢轨波磨形成机理

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中国铁道科学 2022年第3期43卷 37-49页

作者：周志军李伟温泽峰朱强强罗易飞西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 武汉地铁运营有限公司湖北武汉430032

在调研和测试我国8条采用GJ-Ⅲ型扣件地铁轨道中钢轨普遍出现短波长波磨特征的基础上,采用隐-显式有限元法,建立并验证考虑钢轨短波长凹陷激励的三维轮轨滚动接触有限元模型;通过模型求解不同波长钢轨凹陷和车速激励下的轮轨高频振动特... 详细信息

在调研和测试我国8条采用GJ-Ⅲ型扣件地铁轨道中钢轨普遍出现短波长波磨特征的基础上,采用隐-显式有限元法,建立并验证考虑钢轨短波长凹陷激励的三维轮轨滚动接触有限元模型;通过模型求解不同波长钢轨凹陷和车速激励下的轮轨高频振动特性,并结合模态分析法、力锤敲击法和白噪声激励法探明显著高频振动来源,从动力类成因角度解释采用GJ-Ⅲ型扣件轨道的钢轨波磨形成机理和磨耗特征。结果表明:在25~60mm短波长凹陷和不同车速激励下,轮轨垂向力显著频率和白噪声激励下的钢轨垂向振动显著频率,与波磨通过频率吻合;车轮以75,85,95,103 km·h^(-1)速度滚过短波长凹陷钢轨后形成的钢轨不平顺显著波长分别为31.5,31.5和40,40,40和50 mm,与线路测试得到的钢轨波磨波长吻合;采用GJ-Ⅲ型扣件轨道的波磨并非钢轨1阶Pinned-Pinned共振引起,而主要是由570~720 Hz内的钢轨垂向弯曲高频固有特性被激发所致。

关键词：地铁轨道 GJ-Ⅲ型扣件短波长波磨有限元法轮轨高频振动特性 Pinned-Pinned共振

基于有限元法的钢轨硌伤模拟及其应力状态研究

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铁道学报 2023年第4期45卷 102-110页

作者：罗易飞周韶博赵鑫周志军范伟温泽峰西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

为研究诱发局部滚动接触疲劳的钢轨硌伤现象,需精确模拟其应力应变场。基于显式有限元法建立钢轨动态硌伤有限元时域分析模型,考虑车轮滚滑、真实接触几何、率相关弹塑性本构等因素,轮-轨-异物间瞬态接触采用基于罚函数的“面-面”接触... 详细信息

为研究诱发局部滚动接触疲劳的钢轨硌伤现象,需精确模拟其应力应变场。基于显式有限元法建立钢轨动态硌伤有限元时域分析模型,考虑车轮滚滑、真实接触几何、率相关弹塑性本构等因素,轮-轨-异物间瞬态接触采用基于罚函数的“面-面”接触算法求解。针对摩擦系数为0.3,车轮运行速度为300 km/h,直径4 mm的刚性球形异物造成的硌伤进行模拟。结果表明:模型能捕捉到异物在硌伤过程中的复杂空间运动轨迹,以及连续体振动造成的应力波动;硌伤几何、残余应力、应变场具有明显的空间非对称性;车速从100 km/h增加至350 km/h,硌伤坑变浅,表层残余应力、等效塑性应变在200 km/h时出现极值;摩擦系数由0.5降至0.1,硌伤截面形状、残余应力应变非对称化加剧。

关键词：钢轨硌伤显式有限元 von Mises等效应力等效塑性应变非对称化

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轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

铁道学报 2023年第6期45卷 41-49页

作者：尹利钧赵鑫张笃超罗易飞温泽峰周韶博西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现... 详细信息

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料,且只有在硌伤深度超过150~200μm的临界值时发生,对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料,表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示,初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿,底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳,后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比,硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高,但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深,更易引发大块剥离,局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。

关键词：轮轨材料硌伤局部滚动接触疲劳双盘试验油润滑高速轮轨钢重载钢轨钢

缩尺车轮−环轨试验台轮轨静态接触相似性研究

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第10期53卷 3901-3911页

作者：罗易飞赵鑫周志军尹利钧温泽峰杨吉忠西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031

为研究缩尺车轮−环轨试验台对我国高速铁路服役轮轨的模拟能力,以轮轨滚动行为模拟试验台为例,分别建立轮轨静态接触有限元模型以及我国典型高速铁路系统的全尺寸服役轮对−轨道接触有限元模型,分析轮径、钢轨曲线半径、轮轨几何等非恒... 详细信息

为研究缩尺车轮−环轨试验台对我国高速铁路服役轮轨的模拟能力,以轮轨滚动行为模拟试验台为例,分别建立轮轨静态接触有限元模型以及我国典型高速铁路系统的全尺寸服役轮对−轨道接触有限元模型,分析轮径、钢轨曲线半径、轮轨几何等非恒定缩尺比例因素存在时的轮轨接触相似性,对比试验和服役轮轨系统在不同冲角、横移、相对位置等条件下的轮轨静态接触解,具体包括最大接触压力、接触斑面积及轨内Von Mises等效应力。研究结果表明:在最大法向接触压力相等的模拟准则下,高速轮轨系统对应的试验车轮垂向载荷为10.56 kN,而其在最大轨内Von Mises等效应力相等的模拟准则下的相应载荷为9.34 kN。冲角和轮轨相对于轨枕的位置的影响可以忽略;试验车轮横移−3.0~1.0 mm与服役轮对相应横移−9.0~3.0 mm条件下的最大接触压力相对误差小于5.2%,接触压力分布、接触斑面积、轨内Von Mises等效应力等均具有良好相似性,但在更大正向横移下接触状态存在无法忽略的差异。由此可见,在负向和正向小横移时,轮轨滚动行为模拟试验台在轮轨法向接触方面能够精确地模拟服役轮轨系统。

关键词：高速轮轨试验台有限元方法轮轨静态接触应力相似性

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考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型

河海大学学报（自然科学版） 2024年第1期52卷 37-45,62页

作者：程实陈瑾罗易湖北经济学院工程管理系湖北武汉430074 湖北经济学院碳排放权交易省部共建协同创新中心湖北武汉430074 湖北省地质实验测试中心湖北武汉430074 中国地质大学(武汉) 湖北武汉430074

为解决定量评估干缩裂隙优势流的难题,基于双孔隙域入渗理论,将开裂土体分为裂隙两侧基质域、裂隙底部基质域与裂隙域三部分,结合Green-Ampt入渗模型,提出了一种考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型,并基于该模型探讨了降雨强度、裂... 详细信息

为解决定量评估干缩裂隙优势流的难题,基于双孔隙域入渗理论,将开裂土体分为裂隙两侧基质域、裂隙底部基质域与裂隙域三部分,结合Green-Ampt入渗模型,提出了一种考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型,并基于该模型探讨了降雨强度、裂隙初始面积率及裂隙深度对土体两域积水时间、优势流入渗量及入渗深度的影响规律。结果表明:干缩裂隙产生的优势流入渗量占总降水量的73.4%~91.4%,入渗深度为裂隙深度的3.1~7.2倍;降雨强度增大将缩短土体基质域积水时间,增大优势流入渗深度;降雨过程中干缩裂隙面积率减小使优势流入渗量减小;裂隙初始面积率增大使两侧基质域入渗量减小,优势流入渗量增大但入渗深度减小;裂隙深度增大使裂隙域积水时间延后,优势流入渗深度增大;模型计算结果与干缩裂隙实际入渗规律相符,同时避免了为裂隙域赋水力学参数带来的误差与不便。

关键词：干缩裂隙优势流双孔隙域 Green-Ampt入渗模型

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凹凸模具对多层金属板弯曲成型损伤的影响

机械强度 2024年第3期46卷 756-762页

作者：商锦萍李静易飞武汉生物工程学院武汉430415 昆明理工大学机电工程学院昆明650500 湖北亿纬动力有限公司荆门448000

凹凸模具在对金属板料的弯曲加工成型工艺中占有重要的地位,其中凹凸模具的圆角半径也一直是弯曲件工艺设计的关键参数。多层金属板在弯曲加工中会出现单层金属板不存在的分层损伤现象,因此主要研究凹凸模具对多层金属板在弯曲加工中损... 详细信息

凹凸模具在对金属板料的弯曲加工成型工艺中占有重要的地位,其中凹凸模具的圆角半径也一直是弯曲件工艺设计的关键参数。多层金属板在弯曲加工中会出现单层金属板不存在的分层损伤现象,因此主要研究凹凸模具对多层金属板在弯曲加工中损伤的影响情况,通过改变相应模具参数来进行试验并使用有限元仿真来验证。结果表明,多层金属板在弯曲加工过程中会出现分层损伤的现象,而在不改变凸模的情况下,分层损伤的程度会随着凹模圆角半径的增大逐渐减小,多层金属板的弯曲成型效果越好。同时发现,当凹模圆角半径的数值等于凸模圆角半径与金属板材的厚度之和时,该多层金属板的弯曲成型性能最好,基本不会出现分层损伤的现象。

关键词：凹凸模具圆角半径多层金属板弯曲加工分层损伤

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以一锚定乾坤,立名著之江海

初中生天地 2024年第24期 21-26页

作者：罗易不详

近年来,湖北省中考语文命题在名著阅读方面做出了诸多有益探索,引导同学们以学科“大概念”为“锚”,深扎“真阅读,深阅读,个性化阅读”的名著之海。

关键词：个性化阅读名著阅读深阅读中考语文湖北省有益探索