扣件刚度非线性对波磨区轮轨瞬态滚动接触行为的影响

WJ-8型扣件橡胶垫板刚度在长期服役过程中表现出非线性特征,静刚度随荷载增加而降低,为提高三维瞬态滚动接触有限元模型计算精确性,本文以LMA踏面车轮及CHN60型钢轨为基础,基于显式积分算法,将以往研究中线弹性扣件转化为非线性扣件,建立考虑扣件刚度非线性特征的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究刚度非线性对车轮与钢轨波磨间高频动态响应及瞬态接触行为的影响,并重点分析了波磨工况下时频域内轮轨接触力、轴箱加速度的变化信息.结果表明:扣件非线性对轮轨接触力变化影响明显,主要表现为车轮行驶至扣件前端时强振动导致橡胶垫板表现为柔软特性使轮轨接触力减小,车轮行驶至扣件上方时在轴重作用下振动减弱表现为刚硬特性使轮轨接触力增大,轮轨力变化差异最大达到13.1%.

制动时低黏着区处轮轨瞬态滚动接触行为分析

建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,于时域内分析制动车轮通过长度1 m以下的短低黏着区时的瞬态滚动接触行为。模型采用了面面接触算法求解轮轨间滚动接触,考虑了轮轨真实三维几何和材料非线性。着重分析了低黏着区附近的轮轨力、应力、粘滑分布和摩擦功分布等的瞬态变化,结果显示:车轮进入低黏着区时,轮轨接触斑尺寸基本不变,但蠕滑力、接触斑内黏着区面积和摩擦功均显著降低,蠕滑率上升;待离开低黏着区并重新进入正常黏着钢轨后,显著升高的蠕滑率会使得蠕滑力和摩擦功显著高于滚入低黏着区之前的水平;低黏着区越长,发生磨损的可能性和严重程度越大;牵引与制动工况相比,蠕滑力/率方向相反,但黏着区的影响规律基本相同。

波磨条件下地铁车轮瞬态滚动噪声特性研究

联合应用隐式-显式有限元及边界元方法,分析地铁线路中几种典型钢轨波磨对车轮声辐射的影响。采用Ansys/LSdyna建立有钢轨波磨存在的三维轮轨瞬态滚动接触模型,获得波磨激励下的轮轨接触力。将该轮轨力输入到有限元/边界元振动声辐射模型,进行波磨激励下车轮声辐射分析。结果表明,该模型能够反映波磨对轮轨作用力非线性的影响;钢轨波磨增大了轮轨间作用力,波磨波长越短,波深越深,对轮轨力的影响越大。对于直型辐板车轮,当钢轨波长较长或波深较小时,车轮声辐射主要由径向模态振动声辐射贡献,当钢轨波长较短或波深较大时,车轮振动声辐射在波磨激励频率处贡献较大。

钢轨脱碳层对轮轨瞬态滚动接触行为的影响分析

采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型,将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆—轨道高频动力作用充分考虑在内,采用'面-面'接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为,得到了随时间变化的法、切向接触解。对比发现,屈服应力较低的脱碳层会增大钢轨表层的塑性变形,使得轮轨接触斑和黏着区增大,而最大法、切向接触应力和摩擦功相应降低;厚度有限(一般小于1 mm)的脱碳层对接触斑形状与尺寸的影响可忽略,但对接触应力、黏滑分布和摩擦功的影响不可忽略。脱碳层增厚会加大表面数层单元的总塑性变形,但第一层单元的塑性变形会因变形的再分布而稍稍变小。脱碳层的纵向不连续会使轮轨力、接触应力均在边界上呈现重要变化,车轮由带实测脱碳层钢轨滚入无脱碳层钢轨时,法、切向轮轨力会出现幅值分别为0.32和1.14 kN的动态力,相应的最大法、切向接触应力和摩擦功较脱碳层钢轨上的稳态值分别增加4.42%、19.71%和83.19%。某些条件下,这些突变或可引发不均匀磨耗,进而导致原本平顺的轨面上出现几何不平顺。

单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响分析

基于我国某地铁钢轨波磨的调研,采用显式有限元法建立了考虑车轮、车轴和钢轨连续体振动以及车辆、轨道高频结构振动的全轮对三维瞬态轮轨滚动接触模型,在时域内数值再现了轮对通过单侧钢轨波磨轨道段时的滚动接触行为,系统分析了单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响。相比于作者之前开发的半轮对滚动接触模型,该模型可将轮轨横向蠕滑和大自旋考虑在内。结果表明:地铁运行速度越高,波磨侧的不均匀磨损现象越严重;计算的五个速度中,波磨造成的瞬态激励在30和120 km/h时更易传递至无波磨侧,进而促进无波磨侧钢轨萌生波磨;轮对越是向波磨侧横移,波磨侧不均匀磨损越严重,但无波磨侧不均匀磨损逐渐降低,即相较于直线段,横移更大的曲线段上的外侧钢轨波磨更不易引发另一侧钢轨的波磨。

变摩擦条件下高速钢轨焊缝处轮轨滚动接触-冲击行为研究

采用变摩擦系数能够较为准确地刻画轮轨滚动接触行为。为研究变摩擦系数对钢轨焊缝处轮轨滚动接触行为的影响,建立三种不同钢轨焊缝工况的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,通过对比库伦型摩擦系数的结果,计算分析变摩擦系数对轮轨力、接触斑内的微滑以及黏滑分布等接触行为的影响。结果表明:变摩擦系数接触斑内的滑动区域占比会更大且在滑动区域会引起黏滑振荡现象,当轮轨界面滑动现象越明显时,黏滑振荡越剧烈;变摩擦系数对法向接触解的影响不大,切向接触解会因接触状态的改变显著受到影响,造成凸形1焊缝的不均匀磨耗;变摩擦系数会影响von Mises应力分布,其最大von Mises应力发生的位置会向轨底移动,对伤损出现的位置产生影响。

钢弹簧浮置板轨道垂向动态特性及对轮轨力的影响研究

钢弹簧浮置板(steel spring floating slab, SSFS)作为一种高等减振轨道广泛铺设于我国地铁线路中,在服役过程中,该轨道在部分线路中出现了钢轨波磨问题,而轮轨动态行为对波磨形成具有较大的影响。为研究该轨道垂向动态特性及其对轮轨瞬态力的影响,建立SSFS轨道的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,分析在有、无车辆加载下轨道垂向位移导纳特性,模拟钢轨宽频不平顺激扰下轮轨垂向瞬态接触力的响应。结果表明:(1)无车辆加载作用下,SSFS轨道在100 Hz以下(22 Hz、43 Hz、68 Hz等)振动模态表现为钢轨和浮置板共同垂向弯曲,在100~1 400 Hz中高频段表现为钢轨相对浮置板弯曲;(2)车辆加载后,轨道导纳出现59 Hz的P2共振,及64 Hz和72 Hz的轨道整体弯曲振动峰值;(3)柔性轮轨耦合后轨道导纳受到轮对作用影响在364 Hz、489 Hz、623 Hz处出现新峰值,其中,364 Hz、489 Hz为车轮振动模态引起,623 Hz为双轮对干涉引起的钢轨弯曲模态;(4)车辆瞬态通过含60~220 mm波长钢轨不平顺的轨道时,轮轨瞬态垂向接触力在约70 Hz响应最显著,这是由轨道的整体弯曲振动模态被激发引起,该振动是SSFS轨道出现160~200 mm波长波磨的原因。

缩尺车轮-环轨滚动接触与磨耗特性仿真分析

为了研究缩尺车轮-环轨滚动接触与磨耗特性,基于轮轨滚动行为(WRRB)模拟试验台参数,利用ANSYS/LS-DYNA建立瞬态滚动接触有限元模型,集成弹性蠕滑率求解程序和Tγ磨耗模型,通过试验验证模型的正确性.重点分析轮轨力、蠕滑率、接触应力和钢轨磨耗深度,并考虑车轮驱动扭矩和速度的影响规律.结果表明:缩尺车轮-环轨结构的高频弹性振动造成轮轨垂向力波动;在比例载荷作用下,纵向动力学行为和钢轨磨耗深度变化趋势与服役轮轨一致;由于环轨的极小曲线半径,自由滚动工况下的横向蠕滑力/率、自旋蠕滑率、钢轨磨耗深度偏大,切向接触应力峰值出现在接触斑后沿两侧;车轮驱动扭矩和速度的影响规律可拟合为一组经验公式.研究可以为此类试验台的设计与应用工作提供理论依据.

地铁浮轨式扣件轨道轮轨瞬态滚动接触行为分析

浮轨式扣件通过支承钢轨轨颚下部及轨腰使其悬浮从而提供轨道较小垂向刚度,但加剧了轮轨系统高频相互作用。为分析轮对、轨道柔性特性对轮轨瞬态滚动接触行为的影响,基于隐式—显式相结合的有限元法,建立地铁浮轨式扣件轨道三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。对比分析牵引工况下柔性和刚性轮对分别在光滑、凹坑和短波不平顺轨面激励下的轮轨瞬态力、接触斑和接触应力等接触参量响应特性。结果表明:光滑轨面激励下,轮对柔性对轮轨力影响不明显,但对接触斑和接触应力影响明显。凹坑脉冲激励下,轮对柔性对350~600 Hz频带的轮轨垂向力响应影响明显,这与车轮反向翻转和一阶弯曲模态被激发引起的轮轨耦合振动行为相关;且刚性轮对的接触斑面积约为柔性轮对的59%~82%,接触应力最大值约为柔性轮对的140%~162%。短波长不平顺激励下,轮轨垂向振动主要表现为受迫振动,轮对柔性主要影响580 Hz以上的轮轨垂向力响应。

应用于高速轮轨滚动接触的蠕滑理论算法对比研究

运用多体动力学仿真软件UM建立了车辆-轨道多体动力学模型,并基于轮轨滚动蠕滑理论对比分析了FASTSIM算法与CONTACT算法两者在稳态和瞬态滚动状态中轮轨动态作用力之间的差异.计算结果表明:列车以稳态滚动状态行驶在直线轨道和曲线轨道上时通过FASTSIM算法计算得出的横、纵向轮轨蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在的差异值较小,达到了10%~15%,而在瞬态滚动状态下尤其是在大蠕滑以及考虑风阻等比较恶劣的工况下行驶时计算得出的横、纵向蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在较大的误差,差值达到了25%,并且随着车速的增加,最大差异值达到了30%,这表明CONTACT算法在瞬态滚动工况下进行蠕滑力计算上相比于FASTSIM算法更加精准,更适用于作出对列车运行时的安全性方面的评价.

高速滚滑下轮轨表层材料的应变率水平估计

基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型,详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨(波长30 mm～170 mm)和宏观粗糙度(波长4 mm～30 mm)时钢轨表层0.25 mm～0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示:1)空间上,表层单元的应变率最大,时间上,表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程,且法向应变分量的应变率最大,其最值是Von Mises(V-M)等效应变率最值的1.50倍～1.86倍;2)网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响;3)采用0.5 mm网格和0.32μs步长,平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s^(-1),材料弹塑性无影响,波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s^(-1)和79.4 s^(-1);采用0.25 mm网格和0.042μs步长的结果约为上述值的1.65倍～1.88倍;4)最大V-M等效应变率随速度线性增加,随摩擦系数的增加而单调递增,牵引系数的影响可忽略。

高速铁路钢轨波磨对轮轨系统振动响应的影响分析

通过建立轮轨瞬态滚动接触有限元模型,计算不同车速和不同轮轨摩擦因数下车辆通过波磨区段时的轮轨作用力,并分析其对轮轨系统振动响应的影响。结果表明:车辆通过钢轨波磨区段时,轮轨作用力的波长与波磨的波长基本一致。当车速在200~350 km/h时,随着速度的提升,轮轨作用力增大,在扣件处产生的振动能量也随之增加;当摩擦因数在0.3~0.5时,随着摩擦因数的增加,轮轨纵向力增大。波磨波峰处的轮轨纵向力大于波磨波谷处,因此波磨不会无限制地发展而是逐渐趋于稳定。摩擦因数的改变对轮轨垂向力的影响很小,可以忽略。

地铁车辆起动区段钢轨波磨成因分析

为研究地铁出站口附近直线起动区段钢轨波磨形成原因,利用有限元软件ABAQUS建立了三维实体轮对-轨道瞬态滚动接触模型,并结合现场实测,从时域和频域上对波磨现象进行了分析。研究结果表明:车辆起动过程中,车轮与钢轨表面接触带会产生准周期特性的滑移区域,且滑移区域中心之间的距离与实测波磨的波长范围接近,从而验证了模型的合理性和有效性;轮轨系统的不稳定摩擦自激振动是导致实测区段钢轨波磨产生的根本原因,正是由于轮轨蠕滑力“饱和-非饱和”的周期特性,最终促使了波磨的形成;钢轨和车轮的垂向振动加速度等级在160~230 Hz频率范围内均出现了峰值区域,且频率范围与实测波磨的特征频率范围174~198 Hz接近,这进一步说明钢轨波磨是轮轨系统摩擦自激振动引起的车轮-钢轨共振所产生;在忽略初始不平顺的前提下,钢轨表面的波磨会随着车轮运行次数的增加呈现线性增长趋势,因此适当地采取钢轨打磨以及轨面润滑等措施尤为重要。