考虑材料温变特性的三维轮轨接触热分析

为研究材料温变特性对轮轨接触行为和摩擦温升的影响,提出了一种考虑材料温变特性的三维轮轨热力耦合模型,能够考虑纵、横向蠕滑率和自旋的影响,更为真实地模拟轮轨系统的服役状态.首先,研究了热力耦合建模方式对轮轨界面摩擦温升及接触应力的影响;随后,将该模型应用于地铁小半径曲线处车辆-轨道相互作用模拟.结果表明:当轮轨界面温度达到450℃时,轮轨接触应力显著降低,降幅可达20%;考虑热力耦合建模后,轮轨界面的预测温升明显低于不考虑热力耦合建模时的结果,在蠕滑率为0.16时,两者的差异可达51%;地铁车辆在小半径曲线线路上运行时轮轨摩擦温升因过大的蠕滑率与自旋会急剧增大到750℃,应考虑轮轨热力耦合建模以避免过高估计轮轨摩擦温升以及轮轨接触应力.

考虑曲面接触斑的轮轨滚动接触行为分析

当轮缘与轨距角发生接触时,不满足弹性半空间假设,此时采用CONTACT会产生较大误差。对CONTACT中法向间隙、刚性蠕滑率和影响因子进行修改使其可以考虑轮轨曲面接触斑。以S1002CN车轮踏面和CHN60钢轨型面为例,分别采用曲面算法和CONTACT计算轮轨接触斑面积和接触应力等,并对结果进行对比分析。结果表明:当踏面与轨顶接触或轮缘与轨距角呈凸面接触时,2种算法得到的接触斑面积和接触应力差异甚微;然而,当轮缘与轨距角发生共形接触时,以横移量7.77 mm为例,CONTACT得到的接触斑面积比曲面算法小9.5%,最大法向应力和切向应力均比曲面算法大34%。相较于平面算法,曲面算法可以更精确计算轮缘与轨距角发生共形接触时的接触应力,从而用于轮轨磨耗和滚动接触疲劳的研究。

钢轨焊接接头不平顺演变条件下的轮轨接触分析

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。

高速行车条件下钢轨焊接接头区轮轨动态相互作用

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,对高速行车条件下钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动力相互作用进行了分析,明确了适用于400 km/h速度等级线路的钢轨焊接接头几何梯度与轮轨动态力的定量关系。将所提出的几何梯度法应用到某线路20例实测钢轨焊接接头几何不平顺的预测,并与数值模拟结果对比,验证方法的有效性。结果表明:列车以400 km/h通过平直度为0.2 mm的钢轨焊接接头时,其最大轮轨力约为静轮载的2.77倍,小于线路设计时常选用的3倍动态系数;几何梯度法能够考虑实测钢轨焊接接头几何不平顺,与数值模拟结果一致,可用于钢轨焊接接头几何不平顺的快速评估。

非赫兹型滚滑接触荷载作用下钢轨体内应力状态模拟分析

基于迹线法、Kalker的三维非赫兹滚动接触理论和半空间势函数理论解,分析不同接触荷载与接触状态下的轮轨接触差异。结果表明:接触荷载类型、饱和度、摩擦因数都是影响钢轨体内应力分布的重要因素;接触荷载类型主要影响钢轨体内的应力水平,对最大von Mises等效应力发生的位置没有影响;接触斑内黏滑分布和纵向应力整体分布情况主要由饱和度控制;摩擦因数越大,蠕滑饱和时最大von Mises等效应力越大,且越容易发生在表层;与非赫兹型接触荷载+部分滑动状态相比,赫兹型接触荷载+全滑动状态的最大von Mises等效应力更大且更易发生在表层,相同加载次数下钢轨会产生更大的塑性变形。以赫兹型接触荷载+全滑动状态为前提的简化轮轨接触疲劳预测模型得到的疲劳预测结果偏于保守。

复合材料轨枕力学特性仿真分析

复合材料轨枕是由美国TIETEK公司研发,由旧轮胎废塑胶制成的一种新型环保轨枕,但目前国内对其研究较少。基于此现状,本文进行了系统的复合材料轨枕静、动力学特性研究,得出如下结论:(1)复合材料轨枕具有较小的垂直刚度与较大的位移,但与混凝土轨枕对应指标相差不大;(2)相对于混凝土轨枕,采用复合材料轨枕后,会显著降低轨枕的加速度,具有良好的减振性能;(3)复合材料轨枕的应用增大了轨枕应力,进而增加了线路养护维修工作量;(4)随着行车速度的增加,复合材料轨枕的位移值与加速度值均增大;其中加速度的增幅随速度的增大而增大,而位移值的增幅随速度的增大而减小。