面向钢轨修复的不同槽型接触轮砂带打磨接触行为及材料去除特性

为掌握不同槽型接触轮砂带对钢轨打磨接触行为及材料去除特性的影响规律,基于橡胶接触特性,建立X齿型、锯齿型和人字型3种典型接触轮砂带打磨仿真模型,模拟分析不同槽型特征对接触轮-钢轨静态接触行为和动态冲击应力的影响机制;通过钢轨砂带打磨试验,对比研究3种槽型接触轮的材料去除特性。结果表明:3种槽型接触轮与钢轨的接触区域整体均呈椭圆形态,符合赫兹接触理论,内部接触形态则随槽型特征呈现为块状分布;接触区域应力分布总体符合弹性半空间接触理论,但在接触块边缘会出现应力集中;X齿型接触轮和人字型接触轮因齿尖和齿槽结构的存在而具有较高的材料去除能力,同等打磨条件下X齿型接触轮较平型接触轮的材料去除能力提高了79%;顺磨条件下的材料去除能力高于逆磨,以X齿型接触轮为例,顺磨比逆磨的材料去除能力提高了22.7%;X齿型和人字型接触轮砂带打磨的噪声、振动、粗糙度、平均电流均较高,锯齿型接触轮具有较低的振动、粗糙度及平均电流,平型轮则具有较低的噪声和电流。

基于槽型接触轮的钢轨砂带打磨材料去除特性

为揭示槽型接触轮钢轨砂带高效打磨的材料去除机理,基于弹性赫兹接触理论,建立槽型接触轮与平型接触轮的材料去除比数学模型,掌握槽型接触轮砂带打磨周期应力变化规律,揭示打磨周期应力对打磨效率的影响机制,并基于钢轨砂带打磨专用试验平台,对比研究槽型接触轮与平型接触轮砂带打磨中的材料去除特性。结果表明:槽型接触轮打磨因其周期性的应力集中加压状态而具有较高材料去除效率;与平型接触轮相比,槽型接触轮打磨在较低压力下材料去除优势并不显著,随着打磨压力增加,槽型接触轮的材料去除效率明显提升,并在打磨压力为50 N时超越平型接触轮;在打磨表面粗糙度、振动、噪声及能耗等方面,槽型接触轮砂带打磨较平型接触轮均有明显优势,在75 N常用打磨压力下,前者较后者打磨材料去除率提高14%,表面粗糙度降低25%,振动减少17%,噪声降低4.5%,能耗降低12%。

接触轮变形对机器人砂带磨削深度的影响

机器人磨削系统能够替代低效和高污染的手工曲面打磨作业,降低生产准备时间和设备成本,特别适用于小批量曲面零件的磨削加工。接触轮为橡胶等柔性材质,工件与工具之间存在弹性接触,有利于提高工件表面质量,但接触轮易变形,导致实际磨削量不易控制。研究砂带张紧对接触轮变形和磨削深度的影响,采用弹性力学平面问题的复变函数解法,建立模型并求解得到了接触轮的变形分布规律,与商用有限元软件的结果进行对比,验证了解析模型的正确性。建立改进的磨削深度预测模型,得到了接触区域内的磨削深度分布,试验验证了模型预测误差小于3.1%。该方法可以更为准确快速地预测机器人砂带磨削深度,为提高复杂曲面磨削精度提供了理论指导。

基于接触轮柔顺度调控的叶片砂带磨削接触特性研究

航空发动机叶片是典型的难加工易变形构件,其加工刚性弱、曲率变化快、壁厚差异大等特点,使其在磨削过程中不同位置加工刚性差异明显,引起接触压力分布、接触面积等状态变化,导致表面加工质量不一致。因此,为实现弱刚性叶片磨削接触状态调控,基于叶片加工工艺特性分析,设计新型柔顺度可控的接触轮,展开接触轮与叶片表面磨削接触特性研究,仿真验证接触轮柔顺度调控的可行性及叶片不同位置接触状态差异性,揭示了不同的接触轮柔顺度对叶片表面磨削接触压力分布、接触法向力、叶片加工变形等状态的影响规律,结合接触轮力-变形曲线说明接触轮的柔顺度特征变化。磨削接触实验表明,接触轮的柔顺度调控对磨削接触特性具有显著影响,接触法向力随柔顺度的增大而减小,降幅最大约为46%,接触轮柔顺度调控对适应弱刚性叶片不同位置加工状态变化、获得均匀一致的加工质量提出了高效可靠的实现方法。

基于轮壤接触力学行为的蓝莓采收机行走驱动系统设计

针对当前中国自走式蓝莓采收机作业通过性差等问题,建立轮壤接触力学模型,分析车轮驱动力矩、负载、沉陷量及挂钩牵引力等力学行为,得到车轮通过性影响因素为土壤属性、车轮结构参数和行走速度。采用离散元法建立蓝莓采收机轮壤接触模型,以车轮结构参数(宽度195、205、215 mm,直径615、627、639 mm)、行走速度0~11 km/h为试验因素,车轮结构参数或行走速度增加时,车轮阻力矩和土壤波动速度随之增加。依据车轮阻力矩设计行走驱动系统,采用闭式静液压四轮行走驱动系统,通过工况适应性仿真验证各车轮输出特性一致,稳定行走;系统可以克服车轮沉陷,平稳越障。通过样机田间试验得到行走驱动系统满足行驶速度范围0~11 km/h要求,运行平稳;车轮沉陷越障时无非目的性转向偏移,越障时间为3.3 s,与仿真结果一致;行走驱动系统与采收系统匹配性良好,采收效率为7.01 kg/min,果树采净率为92%,果树损伤率为11.5%。研究表明建立的轮壤接触模型可靠,行走驱动系统作业通过性效果好,可为蓝莓采收机研发提供参考。

轮式移动机器人轮-地接触模型研究

基于车辆地面力学理论,建立了刚性车轮在松软土壤上行走的力学模型,通过实例计算,分析了车轮的结构参数及运动状态变化对其力学参量、驱动效率的影响。研究结果表明,合理设计车轮的结构参数,并在行驶时将车轮滑转率控制在适当区间可使车轮获得较好的牵引性能。最后,在实验室自行研制的车轮土槽试验系统上进行土槽试验,并将实验结果与力学模型计算结果进行了比较,验证了所建立的车轮-土壤相互作用模型的准确性。

轮对-曲线轨道非线性接触系统垂向振动分析

轨道超高是高速列车曲线行驶的主要参数之一,直接影响到车辆的安全性和轨道的耐久性。为研究轮轨垂向振动状态下曲线轨道超高的影响规律,基于动力学理论建立轮轨三维实体非线性接触的有限元模型,采用瞬态动力学分析方法,在曲线轨道高低不平顺激励下研究曲线轨道超高对轮对-曲线轨道非线性接触系统的动力影响。研究结果:低速在较大超高的轨道上行驶会增大车体横向振动,不同超高的舒适速度为190 km/h;车体垂向振动随着速度的增大受超高的影响逐渐减小;倾覆系数随着速度的增大呈非线性增大,内外侧轮轨脱轨系数差异在低速较大超高轨道中最大,且随着超高的增大差异逐渐减小;速度超过160 km/h时,轨距动态扩大量会迅速增大,超高会增加轨距动态扩大量,建议采取拉杆等措施予以加固;钢轨、轨枕及道床垂向振动随着车速增大而增大,超高影响较小,可忽略;超高引起内外侧轮轨接触应力完全不一致,法向接触应力以内侧轮轨较大,切向接触应力以外侧轮轨较大;速度超过160 km/h时,轮轨接触斑动态总滑动量会迅速增大,轨道超高会引起内侧轮轨接触斑动态滑动量大于外侧,其差值随着超高的增大而增大。

考虑接触的汽车玻璃升降器导向轮蠕变变形分析

对汽车玻璃升降器中塑料导向轮的蠕变变形进行研究,基于材料的蠕变拉伸试验曲线,采用修正的时间硬化蠕变方程,并考虑绳轮接触影响,建立导向轮的蠕变有限元分析模型。计算获得了导向轮关键位置的应变、位移时间历程曲线及其变化规律,对比试验结果,吻合良好。分析接触情况对蠕变的影响,并与不考虑接触情况下的蠕变过程进行对比研究。结果表明:考虑接触的蠕变分析计算结果精度相对较高,能够反映出导向轮的形变和应力变化过程。

全地形移动机器人轮-地几何接触角估计

研究全地形移动机器人在不平坦地形中轮-地几何接触角的实时估计问题.本文以带有被动柔顺机构的六轮全地形移动机器人为对象,抛弃轮-地接触点位于车轮支撑臂延长线上这一假设,通过定义轮-地几何接触角δ来反映轮-地接触点在轮缘上位置的变化和地形不平坦给机器人运动带来的影响,将机器人看成是一个串-并联多刚体系统,基于速度闭链理论建立考虑地形不平坦和车轮滑移的机器人运动学模型,并针对轮-地几何接触角δ难以直接测量的问题,提出一种基于模型的卡尔曼滤波实时估计方法.利用卡尔曼滤波对机器人内部传感器的测量值进行噪声处理,基于机器人整体运动学模型对各个轮-地几何接触角进行实时估计,物理实验数据的处理结果验证了本文方法的有效性,从而为机器人运动学的精确计算和高质量的导航控制奠定了基础.

基于前馈补偿的轮腿式机动平台姿态自适应控制

在通过复杂路面障碍时,轮腿式机动平台的轮端负载较大,且地面对轮胎的外力会突然变化,会显著降低机身姿态的控制精度,并容易导致轮胎脱离地面失稳等问题。为提高平台的地形适应能力和稳定性,提出一种基于前馈补偿的平台姿态自适应控制策略。构建平台的逆运动学模型和动力学模型,考虑轮-地接触点垂向支撑力和纵向驱动力实现轮-地接触状态的实时估计,结合腿部高度观测器和轮-地接触状态估计器获得腿部垂向补偿高度,兼顾平台车轮运动稳定性和姿态自适应控制精度。考虑平台机身动量和角动量,利用二次规划算法优化的轮端虚拟驱动力求解前馈补偿力矩,以实现平台的运动精确控制。仿真结果表明,该方法可以有效提高轮腿式机动平台在崎岖路面环境下的姿态自适应控制精度和轮胎驱动稳定性,为在复杂工况下轮腿式机动平台执行侦察等任务奠定基础。

点接触定轮接触应力分析

以点接触主轮为研究对象,通过理论计算和有限元分析方法,计算水工钢闸门点接触主轮与轨道的接触应力与接触区域大小,对比同一计算模型的Hertz接触公式、德国标准DIN19704、我国现行标准NB35055以及有限元分析的计算结果,提出了关于点接触主轮接触应力计算公式选择的建议,并就点接触主轮的设计提出相关建议。

改善轮/轨接触特性提高铁道车辆曲线通过性能

针对现有转向架车轮踏面形状,通过加宽轨距、改变内轨垫板角和内轨顶面的非对称削正3项措施,达到扩大内外轨轮径差,提高曲线通过性能的目的。

摇臂式月球车轮—地接触角估计方法研究

本文研究全地形移动机器人在不平坦地形中轮-地几何接触角的实时估计问题。针对摇臂结构的月球车,设计了基于地形高层图、基于力学平衡、基于运动学约束,这三种轮-地接触角估计方法,其中后两种可用于轮-地接触角的在线估计。利用卡尔曼滤波对测量值进行噪声处理,物理实验数据的结果验证了本文方法的有效性。

贝氏体钢组合辙叉的准静态接触有限元分析

贝氏体钢组合辙叉的失效表现为翼轨的磨损和心轨的疲劳剥落,应力/应变分析对于理解和预测辙叉的失效至关重要。本文考虑辙叉心轨和翼轨材料的随动硬化规律,建立车轮-贝氏体钢辙叉-轨枕有限元弹塑性接触模型,给出了接触轮载作用时辙叉内的应力和应变分布;讨论了辙叉内应力和塑性应变随心轨/翼轨强度匹配的变化规律;给出了轮载循环次数对辙叉内最大残余应力和最大塑性应变的影响。建立的计算模型和所得结果为贝氏体钢组合辙叉服役时的强度校核以及失效分析提供了力学参考。

基于车辆地面力学的轮式移动机器人力学模型及分析

基于车辆地面力学理论,分析了刚性车轮与塑性土壤接触作用点的应力、速度和剪切位移,系统地分析和推导了车轮所受地面土壤的作用力.针对四轮滑动转向移动机器人,建立了移动机器人在塑性土壤上行驶的力学模型.通过仿真实验,分析了几种不同地面土壤参数对机器人运动性能的影响.其为轮式移动机器人运动控制和路径规划奠定了基础.

星球车刚性车轮在混合地形上牵引性能研究

针对星球车刚性车轮在混合地形中牵引性能研究的不足,提出了一种对刚性车轮在混合地形中牵引性能的研究方法。对Wong-Reece模型的沉陷量和挂钩牵引力进行修正,建立刚轮-软土接触模型并实验验证;刚轮-硬石接触模型采用基于Hertz接触理论的含摩擦非线性弹簧阻尼模型。地面力学参数中新添加地形刚度以实现混合地形的设置和识别。基于星球车导航与动力学联合仿真平台扩展开发,编制相应仿真程序,形成含有2种轮地接触模型的整车动力学仿真能力。以火星车为例,通过MSC.Adams软件和自编程序建立火星车整车模型,分别在软土地形和混合地形中对其进行动力学仿真,给出牵引动力学特性。结果表明,在混合地形上火星车的车体速度波动较大,某些混合地形条件下火星车可获得更大的挂钩牵引力。

六轮摇臂-悬架式星球车全动力学建模与分析

针对星球车运行过程中存在的滑转和滑移问题,以21自由度的六轮摇臂-悬架关节式星球车为研究对象,采用多体动力学方法完成运动学描述,分析其受力状态,采用拉格朗日方程建立整车动力学模型,并依据经典地面接触力学理论,引入滑转与滑移项,建立全动力学模型并进行仿真验证。该动力学模型为星球车运动控制系统的设计提供了理论基础。

轮/轨界面管理模型的开发及其在重载铁路运输中的运用

介绍了北美铁路运输技术中心(TTCI)正在开发的轮/轨界面管理(WRIM)模型。WRIM考虑了运行条件、车辆动力学性能以及轮/轨接触特性对轮/轨界面的影响。WRIM可以进行静态轮/轨接触分析和动态轮/轨相互作用趋势分析。本文还给出了运用WRIM减少轮/轨界面处能量消耗的研究过程,并预测了轨道的打磨周期。

高速铁路钢轨上拱不平顺对波磨萌生的影响研究

高速铁路钢轨波磨是近年来致力于解决的一种极其复杂的轮轨关系问题。武广高铁胡家湾大桥存在钢轨上拱不平顺并伴随钢轨波磨病害,有必要通过理论与实践研究寻找钢轨上拱和波磨相伴相生的证据并诠释其机理。首先建立涵盖钢轨上拱-大幅值轮载-轮轨接触力统一数力学模型,采用能量法、轮轨接触理论和安定极限法进行解析计算,研究钢轨上拱矢度、列车参数和轨道参数的影响规律。然后阐释钢轨上拱、轮载与轮轨接触力之间的相互作用对理解钢轨波磨的萌生机理和减磨措施以及提出车轮多边形发生机理猜想所具有的启示意义,最后简要总结钢轨上拱引发波磨需要进一步研究的前沿问题。计算结果表明:钢轨上拱矢度对轮轨接触力影响显著,如以CRH2型动车组和弹性支撑块式无砟轨道组合为例,当钢轨上拱0.2 cm时,动轮载为21.45 t,相较平顺时增大3.1倍,切向力为15.86 kN,增大2.1倍,法向应力为1 131.6 MPa,增大1.5倍,超出安定极限值20.1%;轮轨接触力随着静轮重、簧下质量和轨道垂向刚度的增加而增大,随着轨道阻尼的增大而减小。研究发现,钢轨上拱激励轮轨系统高频共振导致了钢轨波磨的萌生与发展。防止或抑制此类型波磨的主要措施有:控制钢轨上拱不平顺、防止轮轨系统共振、减小轮载变化幅值、提高钢轨材质强度与耐磨性能以及采取预防性和修复性打磨等。