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基于轮轨瞬态滚动接触行为模拟的地铁钢轨短波长波磨形成机理研究

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基于轮轨瞬态滚动接触行为模拟的地铁钢轨短波长波磨形成机理研究

作者：周志军西南交通大学

学位级别：硕士

钢轨波磨形成机理至今仍是亟待解决的难题。钢轨波磨尤其短波长波磨易激发轮轨系统高频振动,导致车辆轨道振动噪声过大和关键部件疲劳失效,严重时威胁行车安全。近年来,随着地铁新型减振轨道结构的不断发展和广泛应用,车辆轴重和运行速... 详细信息

钢轨波磨形成机理至今仍是亟待解决的难题。钢轨波磨尤其短波长波磨易激发轮轨系统高频振动,导致车辆轨道振动噪声过大和关键部件疲劳失效,严重时威胁行车安全。近年来,随着地铁新型减振轨道结构的不断发展和广泛应用,车辆轴重和运行速度等不断提高,涌现的地铁波磨状态也呈现多样化,而其成因尚不完全明晰,以至于无法采取有效的措施减缓或消除钢轨波磨。本文针对国内某地铁线路中减振扣件轨道出现的钢轨短波长波磨现象,结合现场试验和理论仿真方法,从轮轨系统高频动态特性的动力类成因角度研究了其形成机理。主要工作和结论如下:(1)现场调查减振扣件轨道出现的钢轨波磨特征,其显著波长表现为40～50 mm,波深约为0.05～0.12 mm,列车以103 km/h速度通过该轨道时导致的波磨通过频率为572～715 Hz。在车辆运行条件相同前提下,同一条线路不同轨道结构呈现出不同波长的钢轨波磨,该现象的产生可能与轨道固有特性相关。(2)基于ABAQUS有限元隐式―显式算法相结合的方法,建立地铁减振扣件轨道三维弹性轮轨瞬态滚动接触有限元模型,模型中考虑轮轨结构高频柔性、轮对旋转效应和簧上质量惯性作用,减振扣件系统和一系悬挂通过刚度和阻尼单元模拟。基于数值模型,分析典型工况下车轮通过直线段光滑钢轨时的轮轨瞬态滚动接触行为,包括:轮轨高频振动特性、钢轨动态位移、接触斑内黏滑分布、轮轨瞬态滚动接触力及应力分布等。结果表明,车轮以103 km/h速度滚动约2.2 m后轮轨振动基本达到稳态,此刻轮轨垂向力与静轮重相差0.39～4.68 k N。模型考虑车辆牵引对轮轨纵向滚动接触力的影响,相比无牵引即纯滚时,牵引系数为0.3的轮轨接触斑内滑动区占总接触斑面积的31.5%,最大切向接触应力增大了约6.5倍。此外,借助Hertz接触理论和Kalker的CONTACT程序验证有限元模型的准确性,有限元模型计算得到的最大接触压力分别比Hertz接触理论和CONTACT程序小7.11%和4.74%;有限元模型和CONTACT程序计算得到的黏着区轮轨切向接触应力有略微差异,最大相差约6%。(3)利用模态分析法研究轨道、轮对及耦合结构的高频固有特性,以及通过现场力锤敲击和宽频带激励响应法分析轨道结构的高频敏感频带。结果表明,减振扣件轨道出现的40～50 mm波长波磨通过频率(572～715 Hz)与钢轨pinned-pinned共振频率(1106 Hz)不同,而与钢轨相对道床板弯曲振动模态频率(敏感频带为570～720 Hz)相近。当车轮通过钢轨不同长度(25～90 mm)凹坑不平顺激励时,40 mm长度凹坑激励下的轮轨振动加速度和轮轨垂向力响应最敏感,其表现频带范围分别为574～720 Hz和521～736 Hz,这与轨道敏感频带相近,若车辆通过40 mm长度不平顺则容易引起轨道共振,易诱发39～55 mm显著波长波磨。(4)结合轮轨瞬态滚动接触有限元模型计算获得的轮轨力和黏滑分布等接触参量,建立基于Archard磨耗计算方法的钢轨磨耗模型,研究车轮瞬态通过钢轨凹坑的轮轨动态力与钢轨纵向磨耗特征。仿真结果表明:1)轮轨力波动与钢轨摩擦功和钢轨磨耗相关,牵引系数为0.075、0.15和0.3时导致的钢轨磨耗波长基本为恒值,显著波长分别为51 mm、52 mm和52 mm。2)车辆以75 km/h、85 km/h、95 km/h和103 km/h速度通过减振扣件轨道时,轮轨垂向力和钢轨纵向磨耗表现频率固定机制(显著频率范围为610～838 Hz),形成的钢轨磨耗显著波长分别为44 mm、46 mm、49 mm和52 mm。3)减振扣件轨道钢轨40～50 mm短波长波磨的形成,主要由570～720 Hz敏感频带内的钢轨垂向弯曲模态被激发所致,仿真模拟的钢轨磨耗波长与现场实测结果基本吻合。

关键词：地铁钢轨波磨减振扣件轨道有限元法轮轨瞬态滚动接触轮轨高频振动形成机理

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高速道岔辙叉区轮轨瞬态滚动接触分析

高速道岔辙叉区轮轨瞬态滚动接触分析

作者：于浩西南交通大学

学位级别：硕士

列车高速过岔时对其产生强烈的冲击作用,严重影响道岔的使用寿命。而高速道岔辙叉区因其几何结构变化更为复杂,受到的冲击作用最为明显。为了适应高铁不断提速的现状,有必要探究车轮在辙叉区发生轮载过渡过程中轮轨瞬态滚动接触的变化... 详细信息

列车高速过岔时对其产生强烈的冲击作用,严重影响道岔的使用寿命。而高速道岔辙叉区因其几何结构变化更为复杂,受到的冲击作用最为明显。为了适应高铁不断提速的现状,有必要探究车轮在辙叉区发生轮载过渡过程中轮轨瞬态滚动接触的变化规律。本文以LMA磨耗型车轮通过18号高速道岔辙叉区为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA建立了考虑辙叉区真实轮轨廓形的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。模型考虑了材料的弹塑性本构关系,在时域内体现了真实情况下车轮通过辙叉区的轮轨滚动接触行为。主要工作和结论如下:车轮以300km/h的速度过辙叉区时,轮载过渡始于心轨顶宽24.2mm处,并在心轨顶宽38.2mm处过渡完成;车轮通过辙叉区翼轨中心线偏折点时会发生较大的轮轨减载情况,翼轨轮轨力、接触应力、等效应力和轮轨接触滑动区面积占比均相应减小;等效塑性应变仅出现在心轨顶宽26.2mm位置以后,在轮载过渡过程中塑性应变逐渐增大,在轮载过渡完成时达到最大值0.0135,翼轨未出现塑性应变。翼轨垂向位移在车轮达到稳态滚动时达到最大值1.5mm,经过翼轨中心线偏折点后翼轨位移有所减小,心轨垂向位移在轮载过渡完成时达到最大值1.7mm。车轮过岔速度越大,心轨上轮载过渡的位置越靠后,轮轨之间受到的冲击作用越明显,轮轨接触应力及塑性应变均相应增大;心轨和翼轨的垂向位移随车轮过岔速度的增加而减小,但相差不大;车轮以较小的速度过岔时,心轨轮轨的粘着性能较好,有利于减小辙叉区轮轨的磨损和冲击作用。辙叉区扣件系统刚度越大,轮载过渡发生的位置越靠后,但对轮轨力和接触应力的影响不大;对比等效应力和塑性应变发现,当翼轨和心轨扣件系统刚度分别为25k N/mm与30k N/mm时,车辆通过辙叉区心轨所受到的磨损最小;扣件系统刚度越大,辙叉区轮载过渡过程中心轨和翼轨的位移越小。车轮以不同牵引系数过岔时,对轮轨垂向力、轮轨接触应力和钢轨垂向位移影响较小;轮轨纵向力、等效应力、等效塑性应变、0.01以上较大塑性应变的分布范围以及心轨上接触斑滑动区面积占比均因牵引系数的增加而增大,因此车辆加速过岔会加剧钢轨的磨损。

关键词：高速道岔辙叉显式有限元法轮轨瞬态滚动接触过岔速度牵引系数扣件系统刚度

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三维轮轨瞬态滚动接触-冲击的模型参数研究

三维轮轨瞬态滚动接触-冲击的模型参数研究

作者：李博西南交通大学

学位级别：硕士

随着列车提速、轴重增加及城市轨道交通的蓬勃发展,截止2019年底,中国高速铁路运营里程将突破3.5万公里,运营里程高居世界第一。自高铁开通以来,陆续出现了轮轨擦伤与钢轨侧磨、短波不平顺损伤、车轮多边形等一系列新的工程问题,严重影... 详细信息

随着列车提速、轴重增加及城市轨道交通的蓬勃发展,截止2019年底,中国高速铁路运营里程将突破3.5万公里,运营里程高居世界第一。自高铁开通以来,陆续出现了轮轨擦伤与钢轨侧磨、短波不平顺损伤、车轮多边形等一系列新的工程问题,严重影响了车辆运行品质、缩短轮轨服役寿命、甚至危及着行车安全,因此解决轮轨接触问题将变得愈发重要。轮轨滚动接触问题是铁路移动装备关键技术问题研究的难点,要解决这些问题,首先要解决轮轨接触斑处的作用力与其相关因素的关系。近年来,利用有限元方法求解轮轨瞬态滚动接触问题成为主流。在进行瞬态求解过程中,文献中多采用静态建模的求解思路,且常采用半轮对的建模方式,没有涉及到不同的模型参数对轮轨瞬态计算结果的分析,而且轮轨冲击下的半轮对与全轮对的瞬态求解差异尚未研究。本文旨在通过改变三维轮轨瞬态模型的参数条件,探究不同参数条件下的模型瞬态求解结果,并结合模型中轮轨的模态分析结果,进而对钢轨顶面施加不平顺激励,研究半轮对和全轮对的冲击影响及其差异,并探究不同速度下轮轨冲击作用的影响,用来分析全轮对钢轨一侧顶面不平顺带来的冲击效应对另一侧轮轨接触的影响,最终探究出全轮对的适用范围。本文采用ANSYS/LS-DYNA软件并依照轮轨标准踏面建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,第二章详细阐述了模型的真实模拟过程以及关键技术的施加,并通过CONTACT数值程序与Hertz接触理论以接触斑大小和应力的方式对模型的建立求解正确性进行验证,继而展示出轮轨瞬态滚动过程中的求解结果。第三章中通过车轮和钢轨的模态分析结果,进而得出半轮对与全轮对不同频率下的变形大小,分析其存在差异,为第四章钢轨顶面施加不平顺激励打下基础。第四章对不同参数条件下的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型进行了对比分析,分别针对扣件系统、钢轨长度、轨道板以及全轮对与半轮对的模型结构差异等不同参数进行可控化分析对比,进而在建立的三维瞬态有限元模型基础上,结合模态分析结果,对钢轨顶面施加不平顺激励,对比半轮对与全轮对模型的轮轨冲击响应的差异性,最后分析了不同速度对轮轨冲击作用的研究,以此探究滚动过程中轮对一侧激励产生的冲击作用对另一侧的影响,并详细展示了本文所建立的数值模型可得到的瞬态滚动接触解,包括轮轨力、接触应力、接触斑形状、轮轨接触等效应力等。最后,根据本文的研究王作,得出相应的结论,并对考虑不同参数条件下的三维轮轨瞬态滚动接触--冲击的有限元模型的改进方向提出了展望。

关键词：模型参数显式有限元法轮轨瞬态滚动接触模态分析

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地铁先锋扣件轨道钢轨波磨形成机理初探

地铁先锋扣件轨道钢轨波磨形成机理初探

作者：朱强强西南交通大学

学位级别：硕士

近些年,随着我国地铁轨道交通的高速发展,地铁线路钢轨波磨现象越来越普遍。经调查发现,先锋扣件(或称浮轨式减振扣件)轨道普遍出现了短波长钢轨波磨现象。短波长钢轨波磨不仅造成车辆轨道系统的剧烈振动,还会带来烦人的噪声问题。对钢... 详细信息

近些年,随着我国地铁轨道交通的高速发展,地铁线路钢轨波磨现象越来越普遍。经调查发现,先锋扣件(或称浮轨式减振扣件)轨道普遍出现了短波长钢轨波磨现象。短波长钢轨波磨不仅造成车辆轨道系统的剧烈振动,还会带来烦人的噪声问题。对钢轨波磨形成机理的认识是控制和解决其产生和发展的依据。因此,对先锋扣件轨道钢轨波磨形成机理进行的调查研究具有重要的工程应用价值。基于现场调查及数值仿真分析,本文主要工作和结论如下:(1)首先综述了钢轨波磨形成机理的研究现状,明确了先锋扣件轨道钢轨波磨形成机理研究的意义及重要性。(2)调查了我国某地铁线路先锋扣件轨道钢轨波磨状态,先锋扣件轨道钢轨波磨主要表现为300 mm短波长特征。通过轨道固有特性测试及轨道零部件振动测试发现,先锋扣件轨道钢轨波磨的产生与轨道结构的动态特性相关。(3)建立了先锋扣件轨道的三维实体有限元模型,进行了轨道的模态及白噪声激励响应分析。结果表明,先锋扣件轨道钢轨垂向振动在45096 Hz和54338 Hz频带范围易被激发;480 Hz、560 Hz、630 Hz的轨道垂向弯曲模态频率与300 mm短波长钢轨波磨的通过频率相近。(4)建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型;模型中,为分析轨道柔性特征对钢轨波磨形成的影响,假设轮对为刚性体;模型可通过在钢轨或车轮表面施加纵向或周向的几何不平顺激励源。通过对比先锋扣件与普通扣件(或称DTVI扣件)轨道静态和动态轮轨接触参量(包括:钢轨位移、轮轨力、轮轨接触应力、接触斑形状、粘滑分布等)的差异。计算发现轮对通过先锋扣件轨道时的钢轨垂向位移较普通扣件的大(约5倍),钢轨翻转角较普通扣件的也大(约2倍);因而,先锋扣件轨道的轮轨接触稳定性低,轮轨间磨损严重,易出现钢轨不均匀磨损现象。(5)利用先锋扣件轨道三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,计算了钢轨纵向凹坑激励下轮轨垂向力的瞬态响应状态,分析了不同凹坑长度和车轮滚动速度对轮轨垂向力瞬态响应特征的影响,获得了轮轨垂向力在不同频带下的表现特征。计算结果表明:先锋扣件轨道在45050 Hz频带范围的轮轨垂向力表现显著,这与轨道在该频带存在垂向弯曲的模态特征有关。因而,先锋扣件轨道300 mm短波长波磨的产生与轮对通过先锋扣件轨道时轮轨垂向力在45050 Hz表现显著相关,轮轨垂向力特征主要与其轨道结构的动态特性相关,480 Hz、560 Hz、630 Hz的轨道垂向弯曲模态振动是先锋扣件轨道300 mm短波长波磨产生的原因。(6)计算分析了波磨波长、波深、速度及轮轨界面摩擦系数对轮轨动态接触参量的影响。结果表明:它们对轮轨动态接触参量影响很大;对于地铁线路出现的短波长钢轨波磨,应严格控制其波深,避免严重的振动噪声问题。

关键词：钢轨波磨先锋扣件有限元轮轨瞬态滚动接触轨道动态特性

地铁9号高锰钢固定辙叉滚动接触疲劳裂纹萌生分析

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地铁9号高锰钢固定辙叉滚动接触疲劳裂纹萌生分析

作者：董志国西南交通大学

学位级别：硕士

固定辙叉由于其本身的结构不平顺,列车通过时,必将引起较大的冲击力,同时辙叉内部会产生复杂的内力作用,在受到连续循环复杂应力作用下便会产生滚动接触疲劳裂纹,从而影响其服役寿命。为进一步明确固定辙叉滚动接触疲劳裂纹的萌生位置... 详细信息

固定辙叉由于其本身的结构不平顺,列车通过时,必将引起较大的冲击力,同时辙叉内部会产生复杂的内力作用,在受到连续循环复杂应力作用下便会产生滚动接触疲劳裂纹,从而影响其服役寿命。为进一步明确固定辙叉滚动接触疲劳裂纹的萌生位置及疲劳裂纹萌生寿命,探究不同因素对裂纹萌生的影响规律,本文以LM车轮通过9号固定辙叉区为研究对象,运用ANSYS/LS-DYNA建立了具有真实几何形状的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,计算了时域内真实情况下车轮通过辙叉区的轮轨滚动接触行为。通过J-S疲劳裂纹萌生寿命预测模型,对不同因素下的滚动接触疲劳裂纹萌生位置及寿命进行预测。主要工作和结论如下:车轮以80 km/h的速度通过辙叉区时,轮轨过渡始于心轨顶宽21.2 mm处,并在心轨顶宽26.8 mm处完成过渡。速度越大,心轨上轮载过渡的位置越靠后,轮轨过渡段长度越短。在轮轨过渡之前,由于翼轨中心线发生偏折而导致明显的轮重减载情况,并且速度越大轮重减载越明显。车轮过岔速度越大,轮轨之间受到的冲击作用越明显,轮轨力、接触应力、等效应力和剪切应力都会相应增大;对于塑性等效应变,速度越大,塑性等效应变越大,但影响不大。当行车速度为120 km/h时,车轮过渡心轨达到峰值后,迅速减小,后再次达到另一个峰值,有较强的震荡趋势。车轮过岔速度越大,轮轨之间受到的冲击作用越明显,接触应力、等效应力和剪切应力均相应增大。扣件系统刚度在25 k N/mm到35 k N/mm范围内时,辙叉区扣件系统垂向刚度对轮轨力、接触应力、等效应力和剪切应力影响较小。但随刚度的增大,有略微的增大趋势。不同行车速度下滚动接触疲劳裂纹萌生位置都发生在心轨顶宽30 mm处,裂纹萌生面与横向夹角发生在80°到100°之间,而裂纹面与垂直方向夹角差异较大,较难预测。并且速度越大,轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命越小;不同行车速度下滚动疲劳裂纹萌生都发生在心轨表面,且行车速度越大,疲劳寿命越小。不同扣件垂向刚度对滚动接触疲劳裂纹萌生的影响较小,裂纹萌生位置同样都发生在心轨顶宽30 mm处,裂纹萌生面与横向夹角发生在80°到100°之间,而裂纹面与垂直方向夹角差异较大,较难预测。同样,不同垂向刚度下滚动接触疲劳裂纹均发生在心轨表面,三种工况下最小滚动接触疲劳裂纹寿命均为2.4万次。

关键词：高锰钢固定辙叉疲劳裂纹萌生预测轮轨瞬态滚动接触显式有限元法过岔速度扣件系统刚度