轮轨接触力(蠕滑力)实用工程算法探讨

探讨一种计算轮轨之间接触力（蠕滑力）的又快又较准确的实用工程方法；以三维滚动接触理论为基础，根据铁路工程实际，采用与ＤｅＰａｔｅｒ的一阶理论相适应的半线性蠕滑力的计算公式，以二维插值查表法确定接触力（蠕滑力）；该法对于赫兹（Ｈｅｒｔｚ）法向接触力和卡尔克（Ｋａｌｋｅｒ）切向接触力均可使用；以此法为基础用ＭＡＴＬＡＢ语言编制的程序比Ｋａｌｋｅｒ的ＦＡＳＴＳＩＭ程序还要快５倍左右且有较高的计算精度；

铁路轮轨接触力循环计数新方法

发展了称为“时事分级识别”的新计数法,用于铁路轮轨接触力的循环计数。每1条循环载荷信息在读入软件时,就被分级和比较识别计数。方法考虑了载荷的多维多点偶合协调功能,可揭示材料的非线性循环变形特征,克服了现有方法无法处理大规模数据的困难。通过分析先锋号广-深线轮轨接触力-时间历程数据,验证了方法的有效性,并揭示出真实的线路载荷谱较常规谱复杂。

CRH3型动车组车轮多边形化对轮轨接触力的影响

针对高速铁路频发的车轮多边形问题,探讨了多边形阶数、多边形波深以及行车速度对轮轨接触力的影响。基于多体动力学分析软件SIMPACK建立了CRH3型整车动力学模型,进而考虑实际服役条件,计算不同行车速度下车轮多边形化的轮轨接触力荷载谱,确定高速列车行车条件下轮轨接触力的临界范围。研究结果表明:相同行车速度下波深对轮轨垂向力和横向力的平均值影响均较小,但它们的幅值均随波深的增加而显著增加;相同波深下轮轨垂向力的平均值和幅值均随着行车速度的增加而增加;当多边形阶数高于10阶时,轮轨横向力最大值随着行车速度的增加而增加;然而,当多边形阶数低于10阶时,轮轨横向力最大值会随着行车速度的增加而降低;当波深和行车速度不变时,轮轨垂向力和横向力最大值和幅值均随阶数增加而增加,且在车轮多边形阶数超过10阶时迅速增加;高速列车以250 km/h和300 km/h行驶时,车轮0. 05 mm和0. 1 mm波深情况下对应的车轮多边形阶数限值分别为18阶、15阶和16阶、12阶。

波浪形磨耗对重载钢轨安定性及轮轨接触力的影响

用MATLAB/Simulink建立机车与货车振动模型,研究波浪形磨耗对轨道安定性的影响,对不同形式的波浪形磨耗进行了研究。并提出缓解波浪形磨耗的措施。

地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。

轮轨接触问题的弹塑性分析

用有限元参数二次规划法 ,针对不同的轮径、轴重、牵引力和摩擦系数的各种工况分别进行了弹性和弹塑性计算 ,得出了轮轨间接触状态和接触内力的分布情况 ,并对其随各种参数变化的规律进行了分析 ,从而提出了改善机车粘着利用水平的途径。

轮轨两点接触的有限元分析

在轮轨单点接触计算分析的基础上,建立锥形踏面车轮的轮缘贴靠钢轨形成两点接触的计算模型,应用有限元参数二次规划法分析这一弹塑性接触问题。对不同载荷作用下的轮轨两点接触模型分别进行计算,得出了大量的轮轨接触状态、接触力的分布及变化规律。这些计算结果将有助于找到缓解钢轨侧磨和轮缘磨耗的方法。

港口起重机轮轨接触应力有限元分析

利用ANSYS10.0软件进行轮轨弹塑性接触有限元分析。文章分别对点接触和线接触状态轮轨的弹性和弹塑性两种情况进行有限元分析,得出了轮轨间弹性接触和弹塑性接触应力的分布情况。接触点及车轮圆角过渡处应力较大,线接触较点接触的应力分布更平缓。

起重机轮轨弹塑性接触有限元分析

利用ANSYS9.0软件对起重机轮轨弹塑性接触进行有限元分析,分别对点接触和线接触状态轮轨的弹性和弹塑性两种情况进行有限元分析,得出了轮轨间弹性接触和弹塑性接触应力的分布情况。

轮轨作用力与垂向载荷位置的轨旁识别法研究

为解决现有轮轨作用力识别方法存在的制作工艺复杂、制作成本高且无法实现轮轨接触位置测量的问题,提出一种测量水平横向和垂向轮轨接触力大小以及垂向载荷偏心位置新的轨旁识别方法。基于轮轨接触多元载荷解耦建立横向和垂向轮轨接触力大小和垂向接触力作用位置与钢轨腹板两侧垂向应变和、应变差的理论关系模型,依此得到基于腹板两侧应变运算的轮轨力大小与位置识别反算模型。设计了作用在腹板左、右两侧的正交组合式应变阵列电桥用于识别轮轨接触载荷在轨道腹板位置的应变响应,所设计的阵列电桥在实现腹板两侧应变的四则运算的同时兼顾温度自补偿。通过加载标定试验获取了多元载荷与腹板两侧应变输出之间的关系系数。通过随机组合加载试验验证了水平横向和垂向轮轨接触力大小与垂向接触力作用位置的识别精度,并在实车试验中对比分析了新型轮轨接触力测量方法与国标轮轨载荷测量方法对轮轨接触力大小的识别精度。研究结果表明:提出的轮轨接触力识别方法对接触力大小的识别误差在6.2%以内、对垂向载荷偏心位置的识别误差在7.6%以内,实现了使用轨旁识别方法对轮轨接触力大小和垂向载荷偏心位置的准确识别。研究结果为进一步保障钢轨服役可靠性的精准评估提供科学数据支撑。

车轮擦伤处的三维轮轨滚动接触分析

针对铁路列车运行过程中因不合理制动引起的车轮擦伤,采用显式有限单元法建立三维轮轨滚动接触模型,该模型能够考虑轮轨实际几何形状,并通过自编程序修改模型节点的空间位置以施加三维擦伤几何。文章模拟了车轮前进速度为100km/h时的轮轨滚动接触行为,分析内容涵盖轴箱加速度、轮轨力、接触斑粘滑分布和接触应力。结果表明车轮擦伤会激起轴箱加速度的持续冲击变化;轮轨法向/切向接触力均会因车轮擦伤的存在而形成较大冲击,但两者变化并不同步,这是由接触斑内切向应力不饱和导致的。

低阶谐波磨耗轮对引起的轮轨及等效人体动态响应分析

低阶谐波磨耗轮对不仅会引发高阶谐波磨耗,还会引起列车振动进而影响乘员的舒适性。在传统的10自由度列车模型的基础上,利用集中质量法,将满员时乘客的总质量等效在列车的前后转向架和车体中间三个质量点上,考虑三个等效质量体的沉浮运动,形成了13自由度的人-车模型。该模型既可以研究不同磨耗轮对激励对乘员振动特性的影响,又可以避免将单个乘员纳入系统计算时造成的累计误差。其中轨道结构为多层梁模型,且考虑轮轨接触损失。结果表明,行车速度和磨耗轮对的阶数和波深的增大均会诱发列车发生跳轨现象,影响行车安全。此外,在相同轮对工况下,前端等效人体的垂向加速度均大于车体,所以应该以等效人体而非列车的振动响应来评价乘员舒适性。

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。

考虑车轮多边形磨损的机车轮轨动力特性研究

针对车轮的多边形磨损,建立了重载列车轨道三维耦合动力学模型,研究了机车车轮多边形磨损引起的轮轨动力相互作用。在动力学模型中嵌入了低粘着区(LAZ)和防滑控制算法,以分析在正常和低粘着条件下车轮多边形磨损对轮轨纵向和横向相互作用的影响。在两台不同磨损模式的机车上进行了对比试验,包括车轮周向磨损测量和机车振动试验,验证了模型的合理性。在此基础上分析了多边形磨损的动态响应,结果表明车轮多边形磨损不仅会加剧车轮/轨道的垂直力,还会加剧车轮与轨道之间的纵向相互作用。多边形磨损对机车前两轮对与后两轮对的纵向相互作用影响较大。

铁路桥梁横向振动模拟及适应快速行车结构型式的研究

针对铁路提速后出现的上承式简支钢板梁桥跨中横向振幅过大的问题,以羊楼司桥(L=32m单跨上承式简支钢板梁桥)为例进行实桥检测和数值模拟,建立车辆、线路、桥梁三者的联合模型,考虑轮轨接触力,应用MSC/DYTRAN大型结构分析程序进行车线桥动力相互作用的仿真分析。研究揭示我国用量最多的C62型货车以70∽80km/h的速度空载通过时,该跨度的钢板梁桥发生横向谐振的机理。此外,用该方法对32m跨长的组合梁结构进行桥梁动力特性及列车走行性分析,表明该结构满足提速货车和高速电动旅客列车走行的要求。研究结果对我国高速铁路桥梁建设和既有桥梁的改造具有积极意义。

地铁引起环境振动的振源加速度

分析计算了列车运行引起环境振动的振源,即轨道作用于道床的振动加速度机制.建立了轮-轨-道床计算分析模型,将钢轨视为Winkler地基上无限长梁,建立并求解该梁的动力方程,得到列车移动静力产生的轨道振动加速度;根据Hertz接触理论,求得轮轨动接触力,利用Green函数模拟轨道因轨道不平顺和轮轨动接触力作用产生的变形,进而求得轨道不平顺和轮轨动接触力引起的轨道振动加速度;叠加上述两种加速度,即得列车引起环境振动的振源振动加速度;最后将理论计算结果和实测结果进行比较,吻合较好.

基于高频轮轨接触模型的轨道短波不平顺敏感波长特性分析

轨道短波不平顺是引起轨道-车辆系统高频振动的主要根源,造成轮轨之间剧烈的相互作用力。利用ABAQUS计算软件显式模块建立的轮轨接触有限元模型,用于求解车辆高速运行时轨道短波不平顺作用条件下的高频轮轨接触力。该模型采用轮轨的真实形状建模,并且可引入任意形状的轨道短波不平顺及轨道状态参数。以某高铁线路上实测轨道短波不平顺作为输入,接触模型仿真输出的轮轨垂向力与高速综合检测列车在对应区段上实测轮轨垂向力数据之间的相关系数为0.82,验证了所建模型的正确性。利用高频轮轨模型计算不同速度条件下不同参数的余弦型轨道短波不平顺引起的动态轮轨垂向力,对比分析计算结果表明:动态轮轨垂向力不仅与轨道短波不平顺的幅值有关,还车辆与轨道短波不平顺波长敏感程度有关,在车辆运行速度不低于200 km/h的条件下,车辆对轨道短波不平顺的敏感波长分布在100～200 mm。

轨枕空吊对桥上有砟轨道结构动力响应的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,将轨枕下部的有砟轨道考虑为弹簧-阻尼系统,假设该弹簧-阻尼系统失效来模拟轨枕空吊状态,建立含轨枕空吊的有砟轨道-桥梁耦合模型.采用Newmark直接积分法求解车辆-轨道-桥梁耦合动力学方程,计算列车通过时轨枕正常状态和空吊状态下轨道结构的位移和加速度,同时对空吊轨枕出现的数量及纵向分布位置对轨道结构动力特性的影响进行分析.对轨枕无空吊状态、单根空吊状态、连续2根空吊和间隔2根轨枕空吊4种工况下轨道结构的动力响应进行分析.研究结果表明:连续2根轨枕空吊影响下轨道响应显著大于其他3种工况,间隔2根轨枕空吊的影响略大于单根轨枕空吊的影响,但差别较小;轨枕空吊对有砟轨道结构动力影响范围沿轨道纵向不超过2跨轨枕间距;随着列车运行速度的增加,轨枕空吊影响下轨道结构位移变化较小,加速度则明显加大,基本呈线性增长.

高速列车高频激振试验台对试验室厂房的振动影响分析

为评估某试验室新建高速列车转向架激振试验台对试验厂房的振动影响,基于车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算钢轨波磨不平顺作用下轮轨垂向高频激振荷载,并将其作用于Abaqus基础-地基-厂房有限元动力仿真模型,分析高频激振试验台对试验厂房的振动影响。结果表明:车辆最高模拟速度500 km/h下,受轨道不平顺激扰将产生轮轨高频激振荷载,最高荷载频率1200 Hz,荷载峰值为213.9 kN;试验台振动影响范围在地面大致集中于以激振台为中心,半径为10 m的“圆形”区域,在深度方向上集中于深度约15 m的“倒梯形”区域;厂房柱下独立基础最大竖向动位移幅值为0.032 mm,最大加速度幅值为32.8 cm/s^(2),屋架与厂柱连接薄弱处最大振动速度幅值为0.585 mm/s,地面水平方向的振动速度幅值小于2 mm/s,振动指标均小于建筑安全及工作舒适性的幅值控制标准,表明高频激振试验台工作时试验室厂房振动符合要求。

基于虚功原理的轨下支承失效动力响应研究

将列车、轨道和桥梁视为3个子结构,基于虚功原理分别推导了三者的动力耦合方程。各子方程按对号入座的方式组装成列车-轨道-桥梁耦合矩阵,其中轨道和桥梁子系统之间采用离散的弹簧-阻尼连接。由于轨下结构的破坏出现轨下支承失效时,计算模型应将轨道下端与桥梁相应连接的弹簧-阻尼去除,进而修正原始组装的刚度矩阵和阻尼矩阵。针对轨下支承失效问题,应用该方法分析了轨道和桥梁动力响应的变化规律。结果表明:轨下支承失效改变了连续的轨道支承刚度,导致车辆通过失效区域时的轮轨接触力剧烈变化;只考虑轨道的动力不平顺时,轨下基础支承缺陷对桥梁的位移响应影响较小,但会加剧桥梁的加速度响应;轨下支承失效的范围越大,轮轨接触力和桥梁的加速度越大;对于轨道的位移和加速度,两者会随轨下支承失效破坏区域的扩大和列车走行速度的提升而显著增加。