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高速列车轮轨接触刚度和接触阻尼研究与分析

高速列车轮轨接触刚度和接触阻尼研究与分析

作者：方姣华东交通大学

学位级别：硕士

随着铁路列车不断向高速化发展,轮轨接触的要求越来越高,而高速轮轨接触面受到法向接触载荷作用时,容易产生微小的角位移和线位移,使得接触表面材料发生弹塑性变形,结合面既储存了能量又消耗了能量,表现结合面既有接触刚度又有接触阻尼... 详细信息

随着铁路列车不断向高速化发展,轮轨接触的要求越来越高,而高速轮轨接触面受到法向接触载荷作用时,容易产生微小的角位移和线位移,使得接触表面材料发生弹塑性变形,结合面既储存了能量又消耗了能量,表现结合面既有接触刚度又有接触阻尼,对高速列车的静动态特性造成了不良的影响。轮轨表面特性对接触刚度和阻尼的影响突出,利用TR100袖珍式粗糙度仪和AT100硬度计跟踪测试CRH2A高速列车组镟修后、运行2.5、5、7.5和10万公里时车轮表面的粗糙度和硬度数值。伴随运行里程的增加,粗糙度数值减小,硬度值先缓慢减小,5-7.5万公里之间基本平稳,后来又逐渐增大,镟修后粗糙度和硬度都达到最大值。分形维数是表达粗糙度数值的有效方法,采用均方根方法算得分形维数随表面粗糙度呈负指数变化。硬度参数可以通过弹性模量输入有限元模型,建立硬度和弹性模量的关系,得到它们之间几乎呈正线性关系。这些实测数据为后文精确计算轮轨接触刚度和阻尼提供必要条件。根据分形理论,通过Matlab编程得到不同粗糙度对应的轮轨接触数值模型,提取各点数据,将离散点云数据重构,构成不同粗糙度下的钢轨曲面。采用ABAQUS建立不同粗糙表面的轮轨接触简化模型,车轮为离散刚体,钢轨为柔体,接触处用CPS4I细化网格,根据不同工况设置不同的材料参数,将钢轨底面全约束,加载位移载荷,仿真计算轮轨接触刚度和阻尼。根据接触刚度和阻尼基本理论,探讨符合轮轨接触特性分形理论和有限元方法,分析法向接触载荷、摩擦系数、粗糙度、硬度以及运行里程对轮轨接触刚度和接触阻尼的影响。仿真计算结果表明:法向刚度随着法向载荷、表面硬度、运行里程的增加而逐渐增大,而与粗糙度的变化规律正好相反,摩擦系数对法向接触刚度的影响甚微;切向刚度与载荷、摩擦系数、表面硬度呈非线性变化,随着它们增加而增大,而与粗糙度的关系比较复杂,体现出先增大后减小,在粗糙度为0.6um左右取得最大的切向接触刚度,在列车运行10万公里之内,轮轨切向接触刚度基本控制在5000-7000(N/mm)之间,变化趋势有增长阶段、下降阶段,同时也有平稳阶段;法向阻尼随着载荷、摩擦系数、硬度、运行里程增加而增大,但与粗糙度呈负增长关系;轮轨切向接触阻尼随着法向载荷、摩擦系数、表面硬度的增加而逐渐增大,却随着粗糙度的增大先增大后减小,列车运行不同里程时,切向接触阻尼的变化规律不是很明显,增长和下降趋势并存。

关键词：高速列车轮轨接触表面粗糙度接触刚度接触阻尼

钢轨焊接接头不平顺演变条件下的轮轨接触分析

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铁道标准设计 2023年第2期67卷 37-42页

作者：陈嵘孙耀亮安博洋王平阚前华西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室成都610031 西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺,严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响,首先,基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型,分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处... 详细信息

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺,严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响,首先,基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型,分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动态响应;随后,建立局部钢轨有限元模型,通过引入钢轨材料的循环本构模型,研究循环荷载作用下钢轨接头处的应力-应变响应。研究表明:(1)随着钢轨焊接接头几何不平顺的演变,轮轨接触力和接触应力逐渐增大,其变化率也随之提高;(2)考虑列车牵引工况时,在轮轨切向力的作用下,钢轨焊接接头处的材料响应在其几何不平顺演变过程中均处于棘轮效应状态,尤其是几何不平顺演变中后期,循环积累的应变显著增加,累积应变变化率由之前的22.4%增长到53.2%,即加快了钢轨的劣化;(3)若不考虑列车牵引或制动操作时的作用力,材料响应则为塑性安定。

关键词：钢轨焊接接头几何不平顺轮轨接触有限元方法棘轮效应

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钢闸门定轮存在锈坑时轮轨接触的有限元分析

人民黄河 2017年第4期39卷 99-103页

作者：郑圣义俞人杰滕楷河海大学能源与电气学院江苏南京211100 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州310014

定轮与轨道自身的性能以及两者之间的接触对于定轮式平面闸门支承系统的承载能力有直接影响。为了研究定轮上锈坑的存在对轮轨接触的安全适用性、耐用性的影响,以某电站高压事故闸门为例,采用ABAQUS对定轮存在锈坑时的轮轨接触进行了有... 详细信息

定轮与轨道自身的性能以及两者之间的接触对于定轮式平面闸门支承系统的承载能力有直接影响。为了研究定轮上锈坑的存在对轮轨接触的安全适用性、耐用性的影响,以某电站高压事故闸门为例,采用ABAQUS对定轮存在锈坑时的轮轨接触进行了有限元分析。将锈坑分为不同半径和不同深度两种工况,从应力与变形两方面进行对比分析。结果表明:当锈坑深度相同时,接触椭圆的面积随着锈坑半径的增大而增大,但增幅很小,最大等效应力与最大剪应力均随锈坑半径的增大呈递增趋势;当锈坑半径相同时,深度对等效应力的影响较小,对剪应力及其位置的影响较大。

关键词：平面钢闸门支承体系锈坑轮轨接触有限元分析

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钢轨接头处轮轨接触有限元分析

钢轨接头处轮轨接触有限元分析

作者：蔡武西南交通大学

学位级别：硕士

钢轨接头是铁路线路三大薄弱环节之一。随着列车速度和轴重的提高和行车密度的加大，钢轨接头的损伤也随之加剧。接触应力分析是接触疲劳破坏机理研究的基础。本文主要研究钢轨接头处的接触应力，其结果可作为今后研究钢轨接头处接触疲... 详细信息

钢轨接头是铁路线路三大薄弱环节之一。随着列车速度和轴重的提高和行车密度的加大，钢轨接头的损伤也随之加剧。接触应力分析是接触疲劳破坏机理研究的基础。本文主要研究钢轨接头处的接触应力，其结果可作为今后研究钢轨接头处接触疲劳破坏的依据。本文主要分别从静态和动态来研究钢轨接头处的接触应力： (1) 基于传统的钢轨接头(用两个夹板和六个螺栓连接钢轨)，利用大型有限元软件ANSYS建立钢轨接头处二维、三维静态弹塑性有限元模型。在三维模型中，考虑了多体接触问题，即考虑了车轮与钢轨、钢轨与夹板、夹板与螺栓和螺栓与钢轨之间的接触。计算钢轨轨头处的接触应力，研究接触点到轨端的距离、轴重以及接头螺栓预紧力对轨头处接触压力、应力、应变和变形的影响。 (2) 基于传统的钢轨接头，建立钢轨错牙接头处三维动态弹塑性有限元模型，模型中考虑多体间动态接触，结合ANSYS隐式和ANSYS／LS-DYNA显式程序，仿真计算车轮冲击钢轨轨头的过程。研究车速、轴重和错牙接头高度差对钢轨轨头处接触应力的影响。由轮轨接触静力计算结果发现： (1) 接触压力和接触斑随轮轨接触点距轨端距离的减小而增大，同时也随轴重的增大而增大。 (2) Mises等效应力σ和最大主剪应力τ随轮轨接触点距轨端距离的减小而增大，随轴重的增大呈线性增大。 (3) 钢轨轨头处等效应力的影响区域和塑性区随轮轨接触点距轨端距离的减小而增大，也随轴重的增大而增大。 (4) 钢轨螺栓孔处的应力随螺栓扭矩的增大而增大。由轮轨接触冲击计算结果发现： (1) 当车轮冲击钢轨错牙接头时，轮轨间的最大垂向接触力大约是静态轮载荷的4.7倍。此最大接触力为高频瞬态冲击力，主要作用在钢轨上，尤其在钢轨接头处的轨面上。 (2) 当车轮冲击钢轨错牙接头时，最大等效应力和最大塑性应变都发生在钢轨轨端表面处。 (3) 当车轮冲击钢轨错牙接头时，最大垂向接触力、等效应力、最大主

关键词：轮轨接触钢轨接头应力接触冲击有限元方法

考虑轮对柔性的轻量化高速转向架轮轨接触与动力学性能研究

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考虑轮对柔性的轻量化高速转向架轮轨接触与动力学性能研究

作者：高飞石家庄铁道大学

学位级别：硕士

轻量化是高速动车组转向架的发展趋势,相比于常规的轴箱外置转向架,轴箱内置能够大大降低转向架质量。由于轴箱悬挂位置的不同,导致两种轴箱布置形式转向架的轮对在一系悬挂力作用下表现出的轮轨接触特性和振动响应势必存在差异。同时... 详细信息

轻量化是高速动车组转向架的发展趋势,相比于常规的轴箱外置转向架,轴箱内置能够大大降低转向架质量。由于轴箱悬挂位置的不同,导致两种轴箱布置形式转向架的轮对在一系悬挂力作用下表现出的轮轨接触特性和振动响应势必存在差异。同时伴随着车辆高速化和轻量化的发展,轮轨激振频率与轮对某一自振频率重叠时造成的系统共振问题,对车辆动力学性能的影响愈发恶劣。顾在探究轴箱布置方式对车辆的动力学性能影响时,考虑轮对的柔性已不容忽视。本文以新型轻量化高速动车组为研究对象,通过轮轨接触有限元模型和柔性轮对车辆动力学模型,探究了不同轴箱布置方式下轮轨接触特性、轮对柔性的影响及车辆—轨道耦合系统的动力学响应。首先,建立了5种轴箱布置位置下轮轨接触有限元模型,研究了在多种影响因素下的轮轨接触特性差异。结果表明,轴重小于17t时,轮轨Mises应力和轮轨剪切应力与轴箱横向跨距的变化成反比关系。轴重超过17t后两种应力则是与轴箱横向跨距的变化成正比关系。内置轴箱结构更适合应用于轴重较大的车辆。其次,基于刚柔耦合动力学理论,建立了考虑轮对柔性的高速动车组整车动力学模型,并将其与多刚体模型进行了对比研究。通过轮对弹性特征分析,结果显示,增大轴箱横向跨距会降低轮对的自由和约束振动模态频率。在此基础上计算分析了轮对分别考虑为柔性和刚性时的轴箱内置和轴箱外置车辆与无质量轨道、惯性质量轨道以及柔性轨道耦合时的轮对振动响应差异。最后,对采用轻量化转向架的高速动车组开展了车辆动力学计算,研究结果表明,增大轴箱横向跨距可在一定程度上提高车辆稳定性;而当车辆通过小半径曲线时,增大轴箱横向跨距提高了轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体平稳性指标和磨耗功率等指标,降低了车辆小半径曲线通过性和平稳性,增大了轮轨磨耗。本研究综合了有限元理论与刚柔耦合动力学理论的研究方法,对不同轴箱布置方式的轻量化高速动车组的轮轨静态接触特性与整车动力学性能开展了大量研究工作,得到了采用轴箱外置结构转向架在轮轨静态接触特性上略优于内置轴箱的结构;但从动力学角度来分析,轴箱内置结构大大降低了转向架质量,提高了其小半径曲线的通过性能,有效减轻了磨耗等相关结果,以期为高速动车组的轻量化设计起到一定的工程借鉴。

关键词：刚柔耦合轮轨接触柔性轮对轴箱车辆动力学

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转辙器部分轮轨接触应力分析

铁道建筑 2008年第12期48卷 79-81页

作者：胡秋华成都铁路局焊轨段成都610051 西南交通大学土木学院成都610031

以客运专线18号道岔为例,选取磨耗型踏面车轮,建立弹性基底约束条件下的道岔区转辙器部分轮轨接触计算模型,对尖轨轨头顶宽20-50 mm范围内轮载过渡区,尖轨及基本轨的轮轨接触应力进行了较为详细的分析。

关键词：客运专线转辙器磨耗型踏面轮轨接触

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基于向量有限元的轮轨接触问题研究

基于向量有限元的轮轨接触问题研究

作者：钟俊杰西南交通大学

学位级别：硕士

轮轨滚动接触是一个高度非线性的问题,一直以来都是铁路系统的研究难题,同时也是轮轨系统问题研究的基础。本文采用向量式有限元(V-5)求解二维轮轨接触问题,旨在将该理论引进于轮轨接触问题的研究,为轮轨滚动接触问题的解决探索新的途径... 详细信息

轮轨滚动接触是一个高度非线性的问题,一直以来都是铁路系统的研究难题,同时也是轮轨系统问题研究的基础。本文采用向量式有限元(V-5)求解二维轮轨接触问题,旨在将该理论引进于轮轨接触问题的研究,为轮轨滚动接触问题的解决探索新的途径。本文首先论述了接触算法以及向量式有限元的研究现状。随后,根据V-5理论推导质点控制方程。利用V-5联合间隙单元法(V-5-gap)编程求解二维轮轨静态接触问题;采用罚函数法作为滚动接触算法,编写嵌入V-5的接触模块,用于求解二维轮轨滚动接触问题。阐述了静态接触模型,研究了间隙单元的弹性模量以及变形量在迭代过程中的变化规律,得知阻尼因子对静态接触的计算效率有影响。为了验证模型的正确性,将数值解与ABAQUS计算结果以及Hertz理论解进行对比,发现三者计算得到的最大法向压力以及接触斑宽度比较吻合。建立了滚动接触模型,其中利用罚函数法进行求解,验证了模型的正确性,把轴重为10t,滚动速度为160km/h的计算结果与Hertz理论解进行对比;发现滚动接触压力分布与Hertz法向压力分布吻合较好。然后分析了速度对滚动接触的影响,随着车轮滚动速度的增加,轮轨Von-Mises等效应力有缓慢增大的趋势;接触区前沿接触压力有微量增大,接触区后端接触压力有微弱减小,并讨论了产生该现象的原因。同时,随着轴重的增加,最大接触压力以及接触斑宽度都有一定增加。

关键词：轮轨接触向量式有限元间隙单元法罚函数法

基于轮轨接触关系的钢轨打磨廓形多目标优化方法研究

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基于轮轨接触关系的钢轨打磨廓形多目标优化方法研究

作者：杨家庭北京交通大学

学位级别：硕士

轮轨接触问题是一个复杂非线性问题,而钢轨打磨廓形优化涉及的因素较多,优化的评判指标也不相同。目前钢轨打磨廓形优化设计主要针对标准打磨廓形,在特定工况下实现单一或较少的目标优化,研究对象缺乏普遍适应性。在提倡个性化打磨的趋... 详细信息

轮轨接触问题是一个复杂非线性问题,而钢轨打磨廓形优化涉及的因素较多,优化的评判指标也不相同。目前钢轨打磨廓形优化设计主要针对标准打磨廓形,在特定工况下实现单一或较少的目标优化,研究对象缺乏普遍适应性。在提倡个性化打磨的趋势背景下,钢轨打磨廓形的优化设计需要结合实际线路特征和车辆运行情况,从廓形测量,到廓形数据处理、廓形的优化设计及性能检验应是一个完整的系统流程,当前的研究很少给出完善的优化设计方案。针对这些问题,本文对钢轨打磨廓形多目标优化设计方法进行了系统性研究,具体研究工作如下:(1)提出了一种钢轨廓形曲线测量数据的前处理方法,先利用局部加权回归法对测量样本廓形曲线进行平滑滤波,再使用算术平均法将样本廓形拟合成一个能综合表征线路病害特征的代表廓形,并从法线值、磨耗面积、垂磨值和侧磨值四个指标对代表廓形进行评估,最后建立代表廓形的3次NURBS曲线参数化模型,通过调整控制权因子,实现了对钢轨廓形曲线的精确数值计算和局部形状调整。(2)基于迹线求解法分析了轮对与钢轨的接触几何关系,计算得到轮轨接触的接触点位置、滚动圆半径差和接触角差等接触几何参数。基于三维非赫兹滚动接触理论,结合有限元分析方法,建立标准LMA车轮和60 kg/m钢轨接触的三维仿真模型,在ANSYS中进行轮轨三维接触静态分析,计算得到轮轨接触等效应力、接触斑和接触压力等力学性能参数;使用SIMPACK搭建车辆-轨道耦合动力学三维仿真模型,计算得到轮轨接触法向应力、滚动圆半径差和磨耗功等性能参数。(3)利用Isight设计仿真试验,搭建轮轨接触几何性能与轮轨接触力学性能RBF代理模型,结合NSGA-II算法,将钢轨参数化建模过程、轮轨接触匹配性能分析流程和轮轨接触性能多目标优化过程有机结合,建立了一个完整的钢轨打磨目标廓形优化系统流程,解决了传统轮轨接触几何和接触力学相关指标的计算存在计算量大、计算效率低等问题。运用个性化廓形打磨技术和非对称打磨廓形设计原理,分别对直线线路及小半径曲线线路的钢轨打磨目标廓形进行优化设计。(4)以NURBS可调权因子ω为设计变量,将轮轨累积接触应力平均值σ、平均最大接触应力值σ 和磨耗功W作为直线段代表廓形的优化指标,将滚动圆半径差Δr、轮轨法向接触应力值σ和磨耗功W作为曲线段代表廓形的优化指标,分别对直线段和小半径曲线段代表廓形进行多目标性能优化从而得到最优打磨目标廓形,并得到轮轨接触性能指标的最优Pareto解和对应的权因子解集,经过实际仿真初步验证了优化结果的准确性和钢轨打磨目标廓形的优化效果。

关键词：钢轨打磨钢轨廓形优化轮轨接触 NURBS曲线轮轨磨耗

闸瓦制动力不均衡状态下重载货车轮轨接触特性及动态行为分析

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闸瓦制动力不均衡状态下重载货车轮轨接触特性及动态行为分析

作者：张凯龙石家庄铁道大学

学位级别：硕士

铁路重载货车的制动机构是车辆行车安全的重要保障,制动机构故障直接产生的问题一般是分配在左、右两侧车轮上的闸瓦压力不相等。在车辆的运营和维护中发现的问题,如:左、右车轮磨耗不相等、轮缘磨耗和闸瓦偏磨等,在一定程度上是由不均... 详细信息

铁路重载货车的制动机构是车辆行车安全的重要保障,制动机构故障直接产生的问题一般是分配在左、右两侧车轮上的闸瓦压力不相等。在车辆的运营和维护中发现的问题,如:左、右车轮磨耗不相等、轮缘磨耗和闸瓦偏磨等,在一定程度上是由不均衡闸瓦制动力的作用产生的。本文以C80型重载货车为研究对象,建立了单节车辆的动力学仿真模型和单质点模型与三维精确模型相结合的混合短编组模型,探究了闸瓦制动力不均衡故障对重载货车轮轨接触特性和车辆运行安全性的影响。首先,将不均衡闸瓦制动力视为不均衡闸瓦压力和摩擦制动力矩两种作用的合成,运用单节车辆模型探究了两种作用效果的区别。通过分析发现,轮对运行状态和轮轨接触状态受不均衡闸瓦压力的影响相对较大,并且当一、三位轮对上发生闸瓦压力不均衡故障时,这种影响更为显著。车辆通过右转曲线时,不均衡闸瓦压力使一位轮对产生的顺时针方向摇头运动会改善轮轨接触状态,反之,逆时针方向的摇头运动会使轮轨接触状态恶化。其次,以实测C80车辆的踏面廓形为激励,分析了车轮磨耗后不均衡闸瓦制动力的影响。结果表明,踏面磨耗后轮轨接触状态会发生较大变化,这种变化有较强的非线性特征,而闸瓦压力不均衡的故障会使这种变化更明显。然后,对单节车辆和短编组列车在不均衡闸瓦制动力作用下的响应特点进行了对比分析。结果表明,短编组列车的轮轨接触特性变化规律与单节车辆基本一致,只是在幅值上有较明显的差别。由于中间车辆受到前后车辆的约束作用,在一定程度上减小了不均衡闸瓦压力的影响,使左右轮的轮轨接触状态趋于一致。最后,以短编组列车为例,从轮轨黏着特性和车辆运行安全性两方面对闸瓦压力不均衡程度限值进行了分析。结果表明,轨轨接触状态受曲线半径的影响相对较大,受不均衡闸瓦制动力影响相对较小,为使黏着面积百分比不低于60%,建议左、右车轮闸瓦压力差应不大于20 k N,考虑车辆运行安全性指标,建议左、右轮闸瓦压力差不大于40 k N。

关键词：闸瓦压力不均衡轮轨接触运行安全性