基于半赫兹接触的车轮磨耗预测分析

为了对比赫兹与半赫兹接触算法在轮轨磨耗仿真过程中的差异,建立CR400BF动车组动力学模型,分别基于赫兹接触与半赫兹接触算法(STRIPES)进行长距离仿真,用Archard磨耗模型计算磨耗量,以实测250000km踏面磨耗量为参照分别比较两种算法的计算结果。结果表明:不同钢轨廓形对应磨耗量及磨耗分布差异明显;不同磨耗里程下半赫兹接触的接触斑形状差异明显,接触斑面积逐渐增大且最大接触应力逐渐减小;磨耗前期,两种接触算法得到的磨耗量及磨耗分布差异不大,且与实测结果较为接近,但磨耗中后期,两种算法得到的磨耗量较实测结果都偏大且半赫兹接触较赫兹接触更加符合实测结果,原因在于随着磨耗里程增大,轮轨接触不再满足赫兹接触假设。

基于半赫兹接触的车轮磨耗计算

为了分析轮轨接触模型对车轮磨耗计算的影响,基于半赫兹接触、赫兹接触和Kalker完全理论程序CONTACT分别计算轮轨接触应力和接触斑形状,并在Kalker简化理论基础上求解半赫兹接触的蠕滑力;基于Archard磨耗模型,计算车轮磨耗深度在踏面上的分布.计算结果表明:由于半赫兹接触考虑了接触斑内曲率的变化,则接触斑形状和最大接触应力比赫兹接触更接近于CONTACT计算结果;在大自旋蠕滑工况下,应用半赫兹接触得到的横向蠕滑力与CONTACT计算结果有较大偏差,其余工况相差不超过18%;基于半赫兹接触的FASTSIM计算时间约为基于赫兹接触的6倍,是CONTACT计算时间的1/166;半赫兹接触时,考虑弹性滑动速度的车轮磨耗深度更接近于CONTACT计算结果.

不同高速动车组车轮踏面的轮轨接触关系对比

为了研究我国不同高速动车组的轮轨接触关系,针对我国高速动车组车辆常用的5种车轮踏面(LMA、LMB、LMC、LMD、LMB10)和高速铁路60N钢轨,对其轮轨匹配特性进行了研究。基于迹线法求解轮轨接触几何关系,采用半赫兹接触理论计算不同轮轨匹配的接触斑和接触斑内的法向应力分布。研究结果表明:从接触几何角度来看,LMA和LMC踏面等效锥度较小,踏面和钢轨上的接触带宽小,接触点比较集中;LMB和LMD踏面接触带宽较大,LMB10踏面居中,但LMB踏面的等效锥度最大。从接触力学角度来看,LMA踏面接触斑形状最接近椭圆,不同横移量下的接触斑面积和应力最大值变化最平缓;LMC踏面在靠近轮缘区域的接触斑形状复杂,且整体的应力水平较大;LMD踏面的接触斑位置变化最大,但在小幅横移范围内接触应力最小;而LMB和LMB10两种踏面的接触斑特性相似,在名义滚动圆附近接触斑面积最大,接触应力最小,靠近轮缘区域后快速增大。

车轮多边形情况下轮轨接触算法

接触斑的法向应力分布是轮轨动力学分析和轮轨磨耗计算的基础。铁路车辆采用的磨耗型踏面出现多边形时,接触点处的轮轨横向曲率和纵向曲率都随接触位置的变化而变化,此时最常用的赫兹接触方法的精度难以保证。非赫兹方法的计算精度高,但其效率不能满足工程计算要求。应用非赫兹方法分析了车轮多边形引起的轮轨纵向曲率变化对接触斑的影响,发现当车轮多边形波长大于65 mm时,多边形对接触斑应力分布的影响可忽略不计。然后提出了改进的半赫兹方法,并对不同接触位置的接触斑形状和应力分布进行对比分析,结果表明:多边形波长大于65 mm时,改进的半赫兹方法在与非赫兹方法的结果保持一致的同时,大大缩短了计算时间。

基于车轮磨耗寿命预测的轨道参数研究

为研究轨道参数对车轮磨耗寿命的影响,以C80型货车为例在SIMPACK软件中建立车辆-轨道动力学模型,利用傅里叶逆变换将轨道不平顺的功率谱密度从频域转换为时域;基于半赫兹接触理论、FASTSIM算法和Zobory磨耗模型在MATLAB中编制车轮磨耗仿真程序,分析轨道曲线半径、轨距、钢轨轨底坡、钢轨型面、轨道不平顺和轮轨摩擦因数对车轮磨耗的影响。计算结果表明:曲线半径从400 m增加到2 000 m后,段修磨耗寿命增加5.1倍;轮缘磨耗减小13.4倍;当轨距从1 430 mm增加到1 435 mm和1 440 mm时,磨耗寿命分别增加了12.6%和27.5%;轨底坡从1/20减小为1/30,1/40和1/50时,段修磨耗寿命分别增加3.7%,7.4%和6.9%;采用CN75钢轨和UIC60时的磨耗寿命较CN60钢轨分别增加20.1%和13.9%;五级谱、六级谱和三大干线谱时磨耗寿命较四级谱时分别增加21.4%,35.9%和26.0%;轮轨摩擦系数为0.25、0.4和0.55时,磨耗寿命较摩擦因数为0.1分别减少24.2%,24.8%和22.3%。

铁路货车参数对车轮磨耗影响的仿真研究

为研究铁路货车参数对车轮磨耗的影响,在确定车轮磨耗仿真原理的基础上,采用轮轨半赫兹接触模型、FASTSIM算法和修正后的Zobory车轮磨耗模型以及车辆—轨道系统动力学模型建立车轮磨耗预测模型,仿真研究转向架结构型式、一系定位刚度和轴距以及车轮直径、车速对车轮磨耗的影响。结果表明:与装用摆动式和交叉支撑转向架相比,装用径向转向架能有效地减轻轮缘磨耗,并能增加车轮段修磨耗寿命;一系纵向定位刚度从9MN·m-1增加到21MN·m-1后,车轮段修磨耗寿命减少33%,轮缘磨耗增加124.7%;轴距从1.6m增大到2.4m后,车轮段修磨耗寿命减少36.6%,轮缘磨耗增加180.2%;车速从60km·h-1增加到120km·h-1时,车轮段修磨耗寿命降低45.0%,磨耗面积增加74.2%;车轮直径从800mm增加到915mm后,车轮段修磨耗寿命增加30.5%,轮缘磨耗减小20.1%,因此增大车轮直径可以减小大轴重货车的车轮磨耗。

基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测

为对货车车轮磨耗寿命进行预测,在SIMPACK中建立车辆-轨道多体动力学模型,基于轮轨半赫兹接触理论和Zobory车轮磨耗模型编制车轮磨耗数值仿真程序.对C80型货车等在环形线和大秦线上运行时的车轮磨耗行为进行仿真,并根据实测结果和仿真结果对Zobory车轮磨耗模型进行修正,最后利用修正后的Zobory模型对C80型货车在国内某重载线路上运行时的车轮磨耗寿命进行预测.结果表明:车辆在环形线和大秦线上运行时,仿真得到的车轮磨耗分布范围以及圆周磨耗深度和轮缘厚度随运行里程的变化趋势均与现场实测结果较为接近,但车轮圆周磨耗率分别为实测结果的1.394～1.842倍和2.172～3.658倍,主要原因是仿真中采用了轮轨半赫兹接触理论,考虑了弹性剪切变形对滑动速度的影响,并且国内货车采用的CL60钢的硬度大于国外BS11钢的硬度;C80型货车在国内某重载线路上运行时,利用修正后的Zobory模型仿真得到的车轮段修磨耗寿命为39×105km,运用磨耗寿命为65×105km,与现场统计结果较为吻合.