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扣件刚度非线性对波磨区轮轨瞬态滚动接触行为影响研究

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西南交通大学学报 2022年

作者：徐井芒梁新缘王凯赵思琪王平西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室

试验研究标明WJ-8型扣件橡胶垫板刚度在长期服役过程中表现出非线性特征，静刚度随荷载增加而降低，为提高三维瞬态滚动接触有限元模型计算精确性，本文以LMA踏面车轮及CHN60型钢轨为基础，基于显式积分算法，将以往研究中线弹性扣件转... 详细信息

试验研究标明WJ-8型扣件橡胶垫板刚度在长期服役过程中表现出非线性特征，静刚度随荷载增加而降低，为提高三维瞬态滚动接触有限元模型计算精确性，本文以LMA踏面车轮及CHN60型钢轨为基础，基于显式积分算法，将以往研究中线弹性扣件转化为非线性扣件建立考虑扣件刚度非线性特征的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，研究刚度非线性对车轮与钢轨波磨间高频动态响应及瞬态接触行为的影响，重点分析波磨工况下时频域内轮轨接触力、轴箱加速度的变化信息。结果表明，扣件非线性对轮轨接触力变化影响明显，主要表现为车轮行驶至扣件前端时强振动导致橡胶垫板表现为柔软特性使轮轨接触力减小，车轮行驶至扣件上方时在轴重作用下振动减弱表现为刚硬特性使轮轨接触力增大，轮轨力变化差异最大达到13.1%。本文的研究将提升三维瞬态滚动接触有限元模型计算准确性，推动线弹性模型向非线性模型转变，对今后瞬态动力学模型建立及仿真分析提供指导性建议和理论、实验依据。

关键词：刚度非线性瞬态滚动接触波磨显式有限元法

钢轨脱碳层对轮轨瞬态滚动接触行为的影响分析

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机械工程学报 2018年第4期54卷 101-108页

作者：寇峻瑜王衡禹赵鑫赵国堂金学松西南交通大学牵引动力国家重点实验室中国铁路总公司

采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型,将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆—轨道高频动力作用充分考虑在内,采用'面-面'接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为,得到了随时间变化... 详细信息

采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型,将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆—轨道高频动力作用充分考虑在内,采用'面-面'接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为,得到了随时间变化的法、切向接触解。对比发现,屈服应力较低的脱碳层会增大钢轨表层的塑性变形,使得轮轨接触斑和黏着区增大,而最大法、切向接触应力和摩擦功相应降低;厚度有限(一般小于1 mm)的脱碳层对接触斑形状与尺寸的影响可忽略,但对接触应力、黏滑分布和摩擦功的影响不可忽略。脱碳层增厚会加大表面数层单元的总塑性变形,但第一层单元的塑性变形会因变形的再分布而稍稍变小。脱碳层的纵向不连续会使轮轨力、接触应力均在边界上呈现重要变化,车轮由带实测脱碳层钢轨滚入无脱碳层钢轨时,法、切向轮轨力会出现幅值分别为0.32和1.14 kN的动态力,相应的最大法、切向接触应力和摩擦功较脱碳层钢轨上的稳态值分别增加4.42%、19.71%和83.19%。某些条件下,这些突变或可引发不均匀磨耗,进而导致原本平顺的轨面上出现几何不平顺。

关键词：钢轨脱碳层瞬态滚动接触显式有限元法黏滑分布塑型变形

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短波激励下更高速轮轨瞬态滚动接触行为研究

短波激励下更高速轮轨瞬态滚动接触行为研究

作者：黄双超西南交通大学

学位级别：硕士

中国高速铁路即将迈入时速400公里时代,如此高的速度,在世界范围内并无现成经验可以借鉴,其背后蕴含着巨大机遇和挑战。现役高铁的运行实践表明,在服役过程中,轮轨接触表面可能会出现各种短波激励,恶化轮轨滚动接触行为,显著降低轮轨运... 详细信息

中国高速铁路即将迈入时速400公里时代,如此高的速度,在世界范围内并无现成经验可以借鉴,其背后蕴含着巨大机遇和挑战。现役高铁的运行实践表明,在服役过程中,轮轨接触表面可能会出现各种短波激励,恶化轮轨滚动接触行为,显著降低轮轨运行品质,甚至威胁列车安全。考虑到短波激励在更高速铁路上可能依旧高发,有必要对短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为开展深入研究,为设计更高速铁路奠定坚实的理论基础。鉴于此,本文开展短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为研究,为更高速轮轨短波激励管理策略提供有意义的参考。该研究主要涉及轮轨滚动接触理论、轮轨短波不平顺和轨面低黏着等方面的研究,故首先就相关研究开展文献综述,指出更高速下面临的问题与挑战,提出分析短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的必要性。鉴于此最终研究目标,本文建立了可求解更高速下轮轨滚动接触行为的时域数值模型,具体包括动车组车辆系统动力学模型和曲线段全轮对三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,其中,动力学模型为瞬态滚动接触模型提供轮对横移量、侧滚角和摇头角的关键运行参数。上述模型可引入高速铁路中常见的短时低黏着和短波不平顺这两类短波激励,涉及的短时低黏着和短波不平顺具体参数,取自现役高速轮轨的现场跟踪测试结果。在分析短波激励对更高速轮轨瞬态滚动接触行为的影响之前,先研究了无短波激励（平顺几何和正常黏着）下的准稳态轮轨滚动接触行为,揭示了速度（350～500 km/h）、牵引系数（0.05～0.3）和黏着系数（0.15～0.45）等对轮轨接触应力、黏滑特征和磨耗等的影响。结果表明,该模型可实现更高速下的轮轨准稳态滚动。因为是准稳态工况,所以速度对轮轨接触解的影响几乎可以忽略,牵引系数和黏着系数的影响与传统稳态滚动接触理论的预测相同,如随牵引系数升高,接触斑内滑移区逐渐增大,磨耗逐渐升高;随着黏着系数降低,滑移区逐渐增大,磨耗也逐渐升高。以曲线段单侧钢轨存在短时低黏着为例,研究了低黏着区长度（0.2～1.0 m）以及发生轨侧、速度（350～500 km/h）、牵引系数（0.05～0.3）和黏着系数（0.027～0.45）等因素对更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的影响机制。结果表明:典型参数下,单侧低黏着不会导致整个轮对发生大蠕滑空转或打滑,即正常黏着侧可以平衡低黏着侧的蠕滑力不足问题。仅高轨发生低黏着时,1)低黏着会导致另一侧发生不均匀磨耗,且在低黏着区大于等于0.6 m时,正常黏着侧的不均匀磨耗更严重;2)低黏着区长于0.6 m时,两侧不均匀磨耗严重程度均基本不变;3)速度增大,因低黏着所致轮轨力峰值和蠕滑率峰值有所降低,两轮不均匀磨耗程度略有减轻。低轨低黏着的结果类似,但现象更轻微,因此,现场中更需关注高轨的黏着状态。当然,倘若正常黏着侧的黏着水平降低至一定程度,不足以满足整个轮对蠕滑力需求时,则会发生整个轮对的低黏着现象,继而发生轮对大蠕滑现象,例如,对于牵引系数为0.1的工况,考虑到动力减载效应,正常黏着侧的黏着系数低于0.25时,则易发生轮对空转或打滑。以曲线段存在两侧不对称波磨为例,研究了波磨的发生轨侧、两侧波磨的相位差等因素对更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的影响机制。结果表明:1)波磨激励的高频振动可在轮轨系统内传递,导致两侧均产生高频响应,但二者的波动幅度和相位存在不可忽略的差异;2)当两侧波磨所致响应在一侧轮轨间同相位叠加时,可增强轮轨间动力作用;3)基于最恶劣的响应同相位叠加工况,提出了不同速度（350～500 km/h）、波长（30～210 mm）、轴重（10～15 t）下及考虑低频动力减载（法向力减载30%）后,轮轨接触脱离时的临界波深列表。

关键词：更高速度瞬态滚动接触短波激励切向滚滑轮轨接触脱离

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制动时低黏着区处轮轨瞬态滚动接触行为分析

机械 2019年第9期46卷 1-6,45页

作者：张鹏赵鑫温泽峰西南交通大学牵引动力国家重点实验室

建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,于时域内分析制动车轮通过长度1 m以下的短低黏着区时的瞬态滚动接触行为。模型采用了面面接触算法求解轮轨间滚动接触,考虑了轮轨真实三维几何和材料非线性。着重分析了低... 详细信息

建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,于时域内分析制动车轮通过长度1 m以下的短低黏着区时的瞬态滚动接触行为。模型采用了面面接触算法求解轮轨间滚动接触,考虑了轮轨真实三维几何和材料非线性。着重分析了低黏着区附近的轮轨力、应力、粘滑分布和摩擦功分布等的瞬态变化,结果显示:车轮进入低黏着区时,轮轨接触斑尺寸基本不变,但蠕滑力、接触斑内黏着区面积和摩擦功均显著降低,蠕滑率上升;待离开低黏着区并重新进入正常黏着钢轨后,显著升高的蠕滑率会使得蠕滑力和摩擦功显著高于滚入低黏着区之前的水平;低黏着区越长,发生磨损的可能性和严重程度越大;牵引与制动工况相比,蠕滑力/率方向相反,但黏着区的影响规律基本相同。

关键词：低黏着列车制动瞬态滚动接触接触表面伤损显式有限元法

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缩尺车轮-环轨滚动接触与磨耗特性仿真分析

浙江大学学报（工学版） 2024年第6期58卷 1275-1284页

作者：罗易飞胡彬赵鑫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

为了研究缩尺车轮-环轨滚动接触与磨耗特性,基于轮轨滚动行为(WRRB)模拟试验台参数,利用ANSYS/LS-DYNA建立瞬态滚动接触有限元模型,集成弹性蠕滑率求解程序和Tγ磨耗模型,通过试验验证模型的正确性.重点分析轮轨力、蠕滑率、接触应力和... 详细信息

为了研究缩尺车轮-环轨滚动接触与磨耗特性,基于轮轨滚动行为(WRRB)模拟试验台参数,利用ANSYS/LS-DYNA建立瞬态滚动接触有限元模型,集成弹性蠕滑率求解程序和Tγ磨耗模型,通过试验验证模型的正确性.重点分析轮轨力、蠕滑率、接触应力和钢轨磨耗深度,并考虑车轮驱动扭矩和速度的影响规律.结果表明:缩尺车轮-环轨结构的高频弹性振动造成轮轨垂向力波动;在比例载荷作用下,纵向动力学行为和钢轨磨耗深度变化趋势与服役轮轨一致;由于环轨的极小曲线半径,自由滚动工况下的横向蠕滑力/率、自旋蠕滑率、钢轨磨耗深度偏大,切向接触应力峰值出现在接触斑后沿两侧;车轮驱动扭矩和速度的影响规律可拟合为一组经验公式.研究可以为此类试验台的设计与应用工作提供理论依据.

关键词：缩尺车轮-环轨显式有限元法瞬态滚动接触蠕滑磨耗

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高速滚滑下轮轨表层材料的应变率水平估计

工程力学 2019年第4期36卷 239-247页

作者：寇峻瑜赵鑫张鹏温泽峰金学松王平西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031

基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型,详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨(波长30 mm～170 mm)和宏观粗糙度(波长4 mm～30 mm)时钢轨表层0.25 mm～0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示:1)空间... 详细信息

基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型,详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨(波长30 mm～170 mm)和宏观粗糙度(波长4 mm～30 mm)时钢轨表层0.25 mm～0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示:1)空间上,表层单元的应变率最大,时间上,表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程,且法向应变分量的应变率最大,其最值是Von Mises(V-M)等效应变率最值的1.50倍～1.86倍;2)网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响;3)采用0.5 mm网格和0.32μs步长,平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s^(-1),材料弹塑性无影响,波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s^(-1)和79.4 s^(-1);采用0.25 mm网格和0.042μs步长的结果约为上述值的1.65倍～1.88倍;4)最大V-M等效应变率随速度线性增加,随摩擦系数的增加而单调递增,牵引系数的影响可忽略。

关键词：高速滚滑瞬态滚动接触显式有限元法应变率宏观几何不平顺