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轮轨粘着问题的微观模型研究

中国铁道科学 1998年第2期19卷 1-9页

作者：孙琼臧其吉陈泽深铁道部科学研究院

将微观摩擦学和轮轨滚动接触理论创造性地结合在一起，建立了轮轨粘着的微观研究模型，获得了新的轮轨粘滑特性曲线，对轮轨粘着系数随列车速度的提高而下降的原因作出了理论解释。

关键词：轮轨粘着微观模型铁路滚动摩擦力

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轮轨粘着面积的数值研究

机械设计 2011年第6期28卷 9-11,14页

作者：刘海萍王彩芸申鹏刘启跃周仲荣西南交通大学摩擦学研究所四川成都610031

利用非Hertz滚动接触理论,应用数值方法CONTACT,分别计算了我国列车常用的两种车轮踏面(磨耗型和锥形)在列车静态接触情况下曲线半径、横移量和轮对摇头角对接触斑总面积和粘/滑区占接触斑总面积比重的影响。经过计算分析表明:在各种工... 详细信息

利用非Hertz滚动接触理论,应用数值方法CONTACT,分别计算了我国列车常用的两种车轮踏面(磨耗型和锥形)在列车静态接触情况下曲线半径、横移量和轮对摇头角对接触斑总面积和粘/滑区占接触斑总面积比重的影响。经过计算分析表明:在各种工况下,锥形踏面的接触斑总面积都大于相应磨耗型的,随着钢轨曲线半径的增大,接触斑面积无变化,粘着系数增大,接触斑中粘着区所占面积比重减小;当横移量增大到10 mm时,接触斑面积骤减,粘着占总面积比重亦骤减,进入全滑动区,出现爬轨;随着轮对摇头角的变化,接触斑面积几乎无变化,当轮对摇头角大于0.4°时,接触斑处于全滑动状态,粘着占总面积比重骤减。

关键词：轮轨粘着曲线半径横移量摇头角

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轮轨粘着模拟数值计算研究

轮轨粘着模拟数值计算研究

作者：刘海萍西南交通大学

学位级别：硕士

随着世界经济的发展,高速与重载铁路成为铁路发展的主要方向。列车在运行中,其牵引和制动都是通过轮轨接触斑间的切向力来实现的,即轮轨粘着。目前轮轨粘着研究的主要任务是找出最佳的粘着接触点,对其进行控制,来提高牵引和制动时力的... 详细信息

随着世界经济的发展,高速与重载铁路成为铁路发展的主要方向。列车在运行中,其牵引和制动都是通过轮轨接触斑间的切向力来实现的,即轮轨粘着。目前轮轨粘着研究的主要任务是找出最佳的粘着接触点,对其进行控制,来提高牵引和制动时力的利用率。本文应用Carter的二维滚动接触理论和粗糙面之间的稳态部分弹流的理论,使用数值的方法在不同粘度接触介质条件下时,应用Patir和Cheng的平均流量的模型进行假设,建立起轮轨的二维粘着的数值模型,并使用多重网格的方法对其进行了求解,研究了滚动速度、轴重、粘度等对粘着力和油膜厚度的影响;并应用CONTACT接触理论计算了我国现用的两种车轮踏面在运行中,各种影响因素如曲线半径、横向位移、摇头运动和轴重对轮轨接触斑面积的影响,及其中粘/滑区面积占总面积的比重,得到了如下的结论： 1.随着粘度和滚动速度的增大,无量纲流体动压力P增大,无量纲粗糙峰接触压力Pa减小,Pa与无量纲总压力W的比值(Pa/W)降低,轮轨之间的粘着系数下降,无量纲中心膜厚和最小膜厚都增大,将提高油膜的承载能力;随着轴重的增大,无量纲流体动压力P变化甚微,无量纲粗糙峰接触压力Pa与无量纲总压力W的比值(Pa/W)增大,轮轨之间的粘着系数增大,无量纲中心膜厚几乎无变化,无量纲最小膜厚减小。 2.对于磨耗型踏面和锥形踏面,轨道曲线半径对轮轨接触斑内粘/滑区面积的分布有较大影响。小曲线半径时,车轮基本处于滑动状态,易导致出轨,车轮在直线轨道上行进时,较为安全,且锥形踏面的总面积和最小安全曲线半径值都大于磨耗型的对应值;列车横移量对轮轨接触斑面积影响较大,当横移量超过10mm时,接触面积骤减,且接触斑内粘着所占比重也下降严重,磨耗型踏面的接触面积受横移量影响较大,而锥形则较小,粘/滑比重随横移量变化趋势基本相同;轮对摇头角对轮轨接触面积影响较小,随着摇头角的变化,接触斑总面积变化很小,当摇头角大于0.4。时,粘着占总面积比重迅速减小到零,对于两种踏面,轮对摇头角对于接触斑总面积和粘/滑比重的影响相同;对于我国现在常用的两种踏面,锥形踏面的接触区总面积,及在各种曲线半径时,粘着面积都大于同种工况时磨耗型的结果。

关键词：轮轨粘着部分弹流润滑多重网格法轴重滚动速度粘度

研磨子对高速列车轮轨粘着和车轮磨耗的影响研究

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研磨子对高速列车轮轨粘着和车轮磨耗的影响研究

作者：张正桥西南交通大学

学位级别：硕士

随着车辆速度的大幅提高,列车的制动功率不断增大,早期的闸瓦制动逐渐被盘式制动所取代。失去了闸瓦对踏面的摩擦作用后,轮轨粘着性能下降,踏面擦伤、异常磨耗和多边形问题愈加严重。伴随着1964年世界上第一条高速铁路的通车运营,研磨... 详细信息

随着车辆速度的大幅提高,列车的制动功率不断增大,早期的闸瓦制动逐渐被盘式制动所取代。失去了闸瓦对踏面的摩擦作用后,轮轨粘着性能下降,踏面擦伤、异常磨耗和多边形问题愈加严重。伴随着1964年世界上第一条高速铁路的通车运营,研磨子应运而生,并在随后的半个多世纪内广泛应用于高速列车和城轨车辆的制动系统中,起到了良好的轮轨增粘和踏面修形效果。然而,我国针对研磨子的理论研究起步较晚,技术水平尚不成熟。为了更清晰地认识研磨作用的影响功能并实现优化控制,本文以高速列车上配备的研磨子为对象,在总结国内外技术经验的基础之上,应用有限元分析软件、动力学分析软件和控制仿真软件开展了以下研究工作:（1）解释并阐述了研磨子、车轮、钢轨三者之间磨耗过程的微观原理和规律。在经典磨耗理论的基础上,针对研磨子与车轮的磨耗,利用ABAQUS软件建立了研磨子与踏面的球形及圆锥形磨粒磨耗有限元模型;针对轮轨磨耗,在SIMPACK软件中基于初始的车轮钢轨型面、线路条件及轨道激励,构建了CR400BF型动车组的车辆系统动力学模型来计算接触几何参数。结合法向接触理论、切向力算法、Archard磨耗计算模型和踏面更新算法建立了完整的车轮磨耗预测模型。（2）为研究研磨子对轮轨粘着的影响,以某试验中实测的函数型摩擦系数替换Polach粘着力近似算法中原有的摩擦系数,解决了Polach模型计算水油介质下的粘着系数时数值偏大的问题。应用修正后的计算模型分析了粘着性能的影响因素以及研磨子对粘着性能的改善原理和效果。由于研磨子的增粘原理与磨耗原理类似,故应用磨粒磨耗模型进行仿真,分析了磨耗过程中材料的应力应变变化,并讨论了关键参数:研磨速度、压入深度、摩擦系数和磨粒半径数量对磨耗过程的影响规律,为研磨子作用参数的优化和控制策略的制定提供依据。（3）为研究研磨子对车轮磨耗的影响,基于磨粒磨耗中磨耗率基本不变的结论,在车轮磨耗预测模型中加入了不同等级的研磨子作用程度进行对比仿真分析,发现研磨子能有效减小凹坑磨耗宽度,并能在一定区间内减缓等效锥度的增长,提升车辆的横向稳定性,但最大磨耗深度略微增加。（4）根据上述得到的研磨子磨耗规律和功能效果,在恒常研磨策略和传统粘着控制方法的基础上设计了研磨子模糊控制系统,并分别建立了牵引和制动工况下的模糊规则,对比模糊控制系统的输出结果和车轮的滑行空转信号后发现控制系统可以在指定的车速范围内检测到增粘需求时迅速响应,通过增大研磨子作用压力来改善轮轨关系,并可以根据增粘需求和修形需求智能调节研磨子的作用频率,最大程度上减少了材料损耗和维修成本,为研磨子的优化控制提供了新的方向和思路。

关键词：研磨子有限元仿真轮轨粘着车轮磨耗预测模糊控制

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牵引电机控制策略对轮轨粘着影响的研究

牵引电机控制策略对轮轨粘着影响的研究

作者：应杰大连交通大学

学位级别：硕士

轮轨间的粘着是轨道交通车辆牵引力和制动力的根本,而交流传动电力牵引系统中,牵引电机控制策略是影响轮轨间粘着的重要因素之一。本文以某型电力机车机械传动、驱动系统为研究对象,希望通过研究找出牵引电机控制策略中影响轮轨粘着的... 详细信息

轮轨间的粘着是轨道交通车辆牵引力和制动力的根本,而交流传动电力牵引系统中,牵引电机控制策略是影响轮轨间粘着的重要因素之一。本文以某型电力机车机械传动、驱动系统为研究对象,希望通过研究找出牵引电机控制策略中影响轮轨粘着的具体环节,为设计和改进交流传动电力牵引系统提供参考。本文针对某型电力机车的驱动系统和牵引力传递机制进行分析,建立了单轮驱动系统的动力学模型;通过对动力学模型的分析,得到了单轮驱动系统的数学模型,该数学模型即是表征牵引电机输出转矩与蠕滑速度（粘着判据）之间关系的传递函数,通过对该传递函数进行分析,进而得到了牵引电机输出转矩的相关特性是如何对轮轨粘着产生影响的。本文对牵引电机矢量控制策略和牵引电机直接转矩控制策略进行研究,找出了其中影响转矩特性的具体环节,以及这些环节是如何对牵引电机输出转矩产生影响的:然后,以牵引电机输出转矩为媒介,以转矩特性对轮轨粘着的影响为基础,分析了这两种控制策略对于轮轨粘着的影响。本文还利用MATLAB/Simulink仿真软件平台,建立了牵引电机矢量控制策略对轮轨粘着影响的仿真模型和牵引电机直接转矩控制策略对轮轨粘着影响的仿真模型,设计了相关的仿真实验;通过对仿真结果的分析,得到了与理论分析相一致的结果。本文根据理论分析和仿真验证的结果,得到了牵引电机矢量控制策略中转子磁场定向不准和考虑死区时间的逆变器调制算法,牵引电机直接转矩控制策略中滞环比较器的滞环宽度,会对轮轨粘着产生影响,并且以此为依据,提出相关改进建议。

关键词：轮轨粘着牵引电机矢量控制策略牵引电机直接转矩控制策略转矩脉动仿真

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地铁轮轨粘着试验台设计与研究

地铁轮轨粘着试验台设计与研究

作者：王亚磊西南交通大学

学位级别：硕士

随着城市人口的快速增长,地铁客运迅速发展,使得依靠轮轨界面粘着性能运转的车辆负载日益增大。在轨道运输过程中,轮轨低粘着现象成为不断困扰车辆运行的主要问题。对轮轨关系的试验研究可以分为试验台试验和线路试验,由于线路试验中车... 详细信息

随着城市人口的快速增长,地铁客运迅速发展,使得依靠轮轨界面粘着性能运转的车辆负载日益增大。在轨道运输过程中,轮轨低粘着现象成为不断困扰车辆运行的主要问题。对轮轨关系的试验研究可以分为试验台试验和线路试验,由于线路试验中车辆实际运行工况的复杂性、高昂的成本,以及无法测量单一因素对粘着特性的影响,通过粘着特性试验台探究轮轨粘着特性是必要的研究手段。因此,本文对粘着特性试验台的设计与研究具有非常重要的意义。在分析地铁轮轨运行工况和轮轨粘着试验技术要求的基础上,本文确定了一种能够模拟轮轨不同工况的轮轨粘着试验台系统方案。该轮轨粘着试验台的设计采用了模块化设计思想,将整个试验台划分为轮轨接触模拟系统、驱动系统、加载系统、防护装置、介质喷洒装置等。对试验台各模块进行了结构设计,并利用Solid Works软件完成了三维建模。利用Abaqus有限元软件对加载轴进行了强度和刚度校核,结果表明所设计结构在极限工况下能够满足强度和刚度要求。利用Abaqus有限元软件对主轴和模拟轨道轮进行模态分析,得到了前六阶振型和临界转速,确定了共振频率,仿真结果表明不会引起共振现象。对轮轨粘着试验台的测控系统进行方案设计,主要包括硬件和软件两部分。设计了基于PLC的控制系统硬件方案,并对基于PLC的控制系统的硬件设备进行合理的选型。利用LabVIEW软件设计了测控系统软件,将软件分为PLC控制模块、变频器控制模块、数据采集模块和数据管理模块,并对其进行了详细设计与调试。将人机交互界面设计分为三部分,分别是通讯参数界面、控制外设界面和粘着特性界面,使得试验过程中具备友好的人机交互。最后,完成了轮轨粘着试验台的加工、装配与调试工作,并通过初步轮轨粘着试验对试验台的性能进行了验证。

关键词：地铁轮轨粘着试验台有限元分析 LabVIEW

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第三介质条件下轮轨粘着特性研究

第三介质条件下轮轨粘着特性研究

作者：汪洪西南交通大学

学位级别：硕士

车轮与钢轨之间的粘着问题是列车运行过程中一个重要影响因素,列车的启动、运行和制动都要靠车轮与钢轨之间的粘着来实现,因此轮轨粘着行为对列车运行的安全性、舒适性和经济性都有很大的影响。基于Carter的二维滚动接触理论和粗糙面... 详细信息

车轮与钢轨之间的粘着问题是列车运行过程中一个重要影响因素,列车的启动、运行和制动都要靠车轮与钢轨之间的粘着来实现,因此轮轨粘着行为对列车运行的安全性、舒适性和经济性都有很大的影响。基于Carter的二维滚动接触理论和粗糙面间部分弹流理论,利用Patir和Cheng的平均层流模型,建立了第三介质条件下轮轨间二维滚动接触数值模型,采用多重网格法对其进行求解。研究了滚动速度、轴重、表面粗糙度、车轮半径及介质粘度对轮轨粘着特性的影响。利用JD-1轮轨模拟试验机研究了水油介质条件下滚动速度和轴重对轮轨粘着特性的影响,并将实验结果与数值结果进行了对比分析。论文通过研究得到以下几个结论： 1.数值仿真结果表明：油介质下的轮轨粘着系数明显低于水介质下粘着系数;轮轨粘着系数随表面粗糙度、轮径的增加而增大;随滚动速度、轴重的增加而降低;随介质粘度的增加而降低。在众多影响因素中,滚动速度与表面粗糙度的影响比较大;介质粘度对轮轨粘着特性的影响是通过改变介质膜厚来实现的。 2.实验结果表明：在水、油介质条件下,轮轨粘着系数随滚动速度和轴重的增加而降低。 3.数值仿真结果和实验结果对比分析表明：相同条件下数值仿真结果曲线和实验结果的曲线在变化趋势上完全一致;由于数值仿真过程中对作用不大的影响因素进行了简化处理,故数值仿真结果与实验结果存在一定的差异,且两者误差小于10%。

关键词：轮轨粘着第三介质部分弹流润滑多重网格法表面粗糙度

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水介质条件下轮轨粘着特性研究

水介质条件下轮轨粘着特性研究

作者：宋建华西南交通大学

学位级别：硕士

世界各国积极发展高速重载铁路和城市轨道交通。列车的牵引、加速和制动是靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的,这种轮轨间的相互作用特性称为粘着特性,可以将轮轨粘着力理解为轮轨滚动过程中所产生的滚动摩擦力。对轮轨粘着问题... 详细信息

世界各国积极发展高速重载铁路和城市轨道交通。列车的牵引、加速和制动是靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的,这种轮轨间的相互作用特性称为粘着特性,可以将轮轨粘着力理解为轮轨滚动过程中所产生的滚动摩擦力。对轮轨粘着问题的研究目的是掌握轮轨滚动过程中的受力状态随车轮运动状态的变化规律,得出轮轨粘着力随蠕滑率和运行速度的变化规律,即轮轨粘着-蠕滑特性曲线（简称粘滑特性曲线）,并寻找出最佳粘着点,以便进行粘着控制,充分发挥机车的牵引功率和制动功率。本文主要以Carter二维滚滚接触理论和粗糙面间的稳态部分弹流理论为基础,应用数值方法对水介质条件下轮轨粘着特性进行了研究,研究了滚动速度、轴重对粘着的影响;并在JD-1轮轨模拟试验机上研究了水介质条件下轮轨粘着特性的研究,得到了一定的规律。通过以上数值分析和试验研究,得到了以下结论： 1.以Carter二维滚滚接触理论和粗糙面间的部分稳态弹流理论为基础采用Patir和Cheng的平均流量模型建立起水介质条件下二维粘着数值模型,在对数值模型求解过程中,采用多重网格法进行求解。通过输入不同的参数,研究了滚动速度、轴重对粘着的影响。研究发现：相同轴重下,滚动速度越大,粗糙峰接触压力与总压力的比值越小,导致轮轨之间的粘着系数下降;相同速度下,轴重较大,粗糙峰接触压力占总压力的比值也越大,此时粘着系数也较大。 2.在JD-1轮轨模拟试验机上进行轮轨在于态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明：在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的粘着系数较干态时的粘着系数将低了50%～60%;在水介质条件下,不论是最大粘着值还是稳定黏着值（机车实际运行黏着区）,受车轮速度影响较大,粘着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对粘着系数的影响较小：粘着系数在达到最大值（饱和值）之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大粘着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。

关键词：轮轨粘着部分弹流润滑多重网格法轴重滚动速度水介质

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轮轨接触振动及其对轮轨粘着的影响

铁道机车车辆 2002年第B12期22卷 166-172页

作者：孙琼铁道科学研究院机辆所北京100081

轮轨滚动接触分为稳态接触和非稳态接触。非稳态接触使得轮轨接触参数发生变化 ,即发生接触振动。轮轨接触参数的变化必将影响轮轨粘着性能。本文对轮轨接触振动进行建模、求解 ,并将轮轨接触参数的变化应用于修正的轮轨粘着理论中 ,探... 详细信息

轮轨滚动接触分为稳态接触和非稳态接触。非稳态接触使得轮轨接触参数发生变化 ,即发生接触振动。轮轨接触参数的变化必将影响轮轨粘着性能。本文对轮轨接触振动进行建模、求解 ,并将轮轨接触参数的变化应用于修正的轮轨粘着理论中 ,探讨轮轨接触振动对轮轨粘着的影响。

关键词：轮轨接触振动轮轨粘着建模影响机车动力学滚动接触