地铁车轮凹陷磨耗对踏面接触应力的影响

针对地铁列车运营后出现的车轮踏面滚动接触疲劳现象,利用有限元软件ABAQUS建立考虑轮轨真实几何关系的三维弹塑性轮轨接触数值仿真模型,结合现场调查车轮磨耗结果和轮轨接触几何关系分析,计算分析车轮不同凹陷磨耗状态对踏面材料应力应变状态的影响。研究结果表明:车轮踏面主要凹陷磨耗区域为车轮踏面横向位置-30～50 mm处,轮轨接触几何关系呈强非线性特性,其轮轨接触点位置集中在车轮踏面横向位置20～32 mm或-32～-20 mm。车轮不同凹陷磨耗状态下的轮轨接触状态差异显著,在磨耗突变区(-30～-20 mm)轮轨接触斑呈狭长椭圆分布,导致相同载荷下轮轨接触应力较大。当轮对向外轨横移时,车轮凹陷磨耗接触区域材料易进入屈服状态,此时车轮踏面沿接触斑深度方向0～3.6 mm范围内Von-Mises等效应力最大,踏面表层材料等效塑性应变最大。车轮踏面出现凹陷磨耗后,车辆频繁地通过小半径曲线时易在磨耗突变区造成较高的等效应力和等效塑性应变,从而导致轮缘根部表面材料产生剥离损伤。     

不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响

为了研究不同车轮型面对地铁9号道岔转辙器区的轮轨静态接触行为的影响,基于经典迹线法求解轮轨接触几何关系,利用三维非赫兹滚动接触理论分析接触力学特性,分析接触点对分布、道岔转辙器结构不平顺、轮轨接触几何参数和轮轨接触斑的形状、面积及最大法向接触应力等。数值计算中,考虑轮背距为1 353 mm的LM和DIN5573以及轮背距为1 358 mm的S1002这3种车轮型面,从静力学分析的角度提出地铁道岔区的最优车轮型面。研究结果表明:DIN5573车轮过岔接触点对分布较集中,结构不平顺幅值较小,直向过岔时轮对的稳定性较好但接触力学特性较差;S1002车轮侧向过岔通过能力较强,接触力学特性良好,但轮对向尖基轨侧横移时较易发生轮缘接触,轮轨表面易产生疲劳伤损;LM车轮综合匹配性能最好。     

基于轮轨接触特征的转辙器区钢轨廓形设计

针对道岔转辙器区钢轨容易出现伤损及寿命短等问题,根据轮轨接触理论,提出了以滚动圆半径差函数和轮轨间接触点均匀分布为主要的设计目标,以轮轨接触点的位置为边界条件,利用欧拉积分方法求解微分方程,从而获得钢轨打磨的目标廓形的方法,并编制了相应的计算程序,进行了实例验证.结果表明,优化后的钢轨与车轮有更合理的匹配性,改善了车辆通过道岔时的动力学性能,减小了轮轨间的接触应力,使得接触分布和磨耗更加均匀,从而能延长钢轨使用寿命.     

轨底坡对运营地铁轮轨接触特性的影响分析

为研究不同轨底坡条件下实际运营地铁列车的轮轨接触特性,采用轮轨接触空间迹线方法计算分析了轨底坡对轮轨接触几何参数的影响,并建立某地铁B型车辆动力学模型,详细分析了不同线路条件下轨底坡对车辆动力学性能的影响规律.研究表明:LMCHN60轮轨匹配条件下,轨底坡在1/45～1/20范围内轮轨接触点分布连续,特别是直线段在轨底坡为1/20、曲线段在轨底坡为1/40时轮轨匹配性能良好;运营条件下车轮踏面凹磨造成等效锥度过大,轮轨接触点分布不连续,易造成异常晃车;曲线地段车轮踏面凹磨限制了轮对横向运动,导致轮对对中困难,轮轨接触匹配不良,易造成轮轨滚动接触疲劳.     

铁路曲线区段轮轨接触应力计算方法

以客车磨耗型踏面车轮通过铁路曲线段时的轮轨接触问题为研究对象,在前期研究的基础上,引入切向力计算模型,建立了能够对曲线路段轮轨接触表面应力和内部应力进行精确计算的数学模型。结合具体算例,数值计算了不同接触位置处接触斑上的应力分布和轮轨内部的Mises应力和最大剪应力,并选择一个具体接触位置深入计算了列车通过曲线路段时弯道半径、运行速度、外轨超高值、轴质量等因素对轮轨接触表面应力和内部应力的影响规律,发现当接触位置变化时,接触斑形状、接触表面应力分布、黏滑区分布以及轮轨内部的Mises应力和最大剪应力分布也在不断变化,得出了一系列规律性的曲线,并进行了分析讨论,为进一步研究轮轨接触疲劳寿命问题提供了理论依据。     

城际动车组车轮Ⅰ类滚动接触疲劳机理研究

针对我国200 km/h城际动车组车轮发生的Ⅰ类滚动接触疲劳,对16列动车组及4个不同半径曲线轨道进行轮轨状态现场观测。基于多体动力学软件SIMPACK和损伤函数模型,建立车轮滚动接触疲劳预测模型,系统分析城际动车组的车轮Ⅰ类疲劳损伤。研究结果表明:早期时动车组不调头运行,Ⅰ类疲劳在运行(6～9)万km即出现,集中在左侧车轮,其疲劳区最初位于名义滚动圆外侧5～15 mm处,之后略有扩大并向踏面外侧移动;曲线通过时的低轨侧轮轨相互作用是导致Ⅰ类疲劳的根本原因,当半径R大于400 m时,预测的疲劳寿命随半径的增加而增加;所运行线路上小半径曲线(R≤450 m)全为左曲线,导致早期不调头Ⅰ类疲劳集中在左轮,定期调头后,两侧车轮交替承受疲劳载荷;现场中轮轨廓形演化和轨底坡误差等是Ⅰ类疲劳区扩大和向外侧移动的直接原因。     

动车组车轮辋裂损伤容限和剩余寿命评估

针对我国某型动车组车轮在实际线路发生的辋裂损伤，在全面失效分析的基础上，揭示了车轮辋裂失效机理；以车轮材料裂纹扩展试验数据为基础，结合Franc3D仿真分析软件对车轮内部缺陷进行裂纹扩展仿真计算.仿真结果表明:车轮内部缺陷尺寸及分布均对车轮滚动接触疲劳寿命产生影响，缺陷尺寸越大，分布位置距车轮最大应力区越近，车轮疲劳寿命越短.该车轮的损伤容限为3mm，与标准中失效判据3mm一致，给出了目前我国铁路车轮辋裂失效探伤标准(3mm横孔当量大小)的理论依据.     

轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触界面疲劳寿命的影响

为了预测轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触寿命的影响规律,基于高级非线性有限元分析软件MARC,建立了具有平面应变特征的二维滚动接触寿命预测模型,并在二维有限元模型的表面和次表面对应施加了轴承钢硬切削实验所测残余应力,模拟计算典型服役条件下的滚动接触应力;采用基于S N寿命理论的Miner法则,计算轴承钢滚动界面的疲劳接触寿命,分析了在不同摩擦系数、滚动接触频率和外加载荷工况下,硬切削残余压应力对疲劳寿命的影响.结果表明,硬切削残余压应力可使轴承钢的滚动接触疲劳寿命提高10％~30％.其中,载荷对滚动接触疲劳寿命影响最大,摩擦系数的影响最小.     

CRH5型动车组轮轨滚动接触应力及疲劳寿命的有限元仿真分析

为了研究CRH5型动车组轮轨在实际滚动接触过程中受力大小、分布以及由于循环应力作用而产生的疲劳问题,采用大型有限元模拟软件ABAQUS对其实际运行过程进行仿真模拟.结果表明:随着轴重载荷的增加,轮轨接触部位等效应力不断增大;车轮所受等效应力随距表深度的增加而减小,在距表深度10mm范围内等效应力较大;钢轨上的等效应力随距表深度先增大后减小,应力最大值出现在距表深度12mm处.采用S-N曲线折减法和疲劳分析软件Fe-safe对不同轴重车轮滚动接触疲劳寿命进行预测,2种计算结果表明:14、16、18、20t轴重下的车轮寿命均在6×10~7次循环以上,安全行驶距离大于1.2×10~6 km,符合CRH5型动车组三级以上检修周期要求.     

Cr5支承辊接触疲劳损伤及其次表层组织变化

针对支承辊使用过程中的疲劳失效现象,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(SEM)、显微压痕仪和X射线应力仪等对滚动接触疲劳前后Cr5支承辊钢次表层组织进行了研究.结果表明,支承辊在交变接触应力作用下发生接触疲劳损伤,疲劳损伤最大值位于距表面约400μm的支承辊次表层.疲劳损伤引起支承辊次表层硬度升高,残余应力减小,耐腐蚀性增强.疲劳硬化层微观组织发生破碎,位错密度升高.在接触应力不变的情况下,支承辊滚动接触疲劳损伤程度随着寿命比例的增加而增大.     

旋塞取样阀密封面接触力学性能及疲劳寿命研究

以旋塞取样阀为研究对象,探讨其密封面接触力学性能和疲劳寿命.应用有关力学理论对旋塞取样阀安装和取样过程进行力学分析,构建了安装过程接触面应力计算的理论模型、旋塞取样阀工作过程中旋塞径向接触应力的计算模型和旋塞表面3个具有代表性的横截面的接触应力分布计算模型.结合具体算例数值计算,研究了取样过程旋塞表面上各点接触应力变化...     

拟发表论文预报：轮轨滚动接触问题的研究现状综述

随着高速铁路的不断发展,轮轨滚动接触问题愈加突出,因此,倍受国内外学者的关注。轮轨滚动接触问题涉及的范围较广且较为复杂,并在一定程度上引发轮轨的疲劳损伤和波浪形磨损等破坏形式。基于理论分析和试验研究两个方面,着重对轮轨滚动接触的发展历史和研究现状进行了总结和分析,并综述了轮轨滚动接触疲劳和钢轨波浪形磨损的研究现状。从现有的研究成果来看,轮轨滚动接触理论已相对较为完善,而对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的形成机理研究仍未形成系统的理论体系。     

踏面磨耗对轮轨接触特性影响研究

应用有限元计算方法,以实际测试接触斑验证计算模型和方法的正确性;在此基础上,分析了踏面磨耗对轮轨接触特性的影响。首先,通过实际测试得到轮对的踏面轮廓坐标数据,根据实测数据建立有限元模型。应用感压胶片现场实测得到轮对自重时轮轨接触斑的大小,与有限元仿真轮对重力作用下的接触斑进行对比,证明有限元模型和接触参数设置的正确性。应用此有限元模型,研究了随着车辆运行里程的增加,车轮不断磨耗而发生变化的车轮型面对轮轨接触斑、接触应力的影响变化规律。结果表明:初期随着磨耗的增加,轮轨型面更加匹配,接触应力逐渐减小,磨耗速度逐渐降低;当车轮磨耗到一定程度后,接触应力和磨耗速度又快速上升。     

考虑轨道几何不平顺的钢轨裂纹萌生与磨耗共存预测

在钢轨裂纹萌生和磨耗发展共存预测方法的基础上,考虑了轨道几何不平顺对轮轨接触位置分布、磨耗和疲劳损伤的影响,引入轮轨接触点在钢轨上的分布概率,分散了钢轨的磨耗和疲劳累积.分析结果表明:考虑轨道几何不平顺的情况下,轮轨接触点的分布范围和概率随着磨耗和型面变化而变化,钢轨表面磨耗和内部疲劳损伤分布范围均加宽,而损伤速率降低.预测得到800 m曲线半径外轨在裂纹萌生前的平均磨耗发展率为3.813 1μm·万次~(-1),相较未考虑不平顺的结果降低了15.92%.裂纹萌生寿命预测结果为318 292次,相较未考虑不平顺的预测结果增大了14.66%.裂纹萌生点的位置比未考虑不平顺时略远离钢轨中心.     

轮轨滚动接触问题的研究现状

随着高速铁路的不断发展,轮轨滚动接触问题愈加突出,因此,倍受国内外学者的关注。轮轨滚动接触问题涉及的范围较广且较为复杂,并在一定程度上引发轮轨的疲劳损伤和波浪形磨损等破坏形式。基于理论分析和试验研究两个方面,着重对轮轨滚动接触的发展历史和研究现状进行了总结和分析,并综述了轮轨滚动接触疲劳和钢轨波浪形磨损的研究现状。从现有的研究成果来看,轮轨滚动接触理论已相对较为完善,而对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的形成机理研究仍未形成系统的理论体系。     

地铁线路轨距对轮轨接触行为的影响

为揭示地铁线路轨距对轮轨接触特性的影响,基于轮轨接触几何关系、Kalker三维非Hertz弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,利用我国地铁车辆常用的LM型面与CHN60钢轨,计算轨距对轮轨接触几何参数和力学特性的影响。研究结果表明:轨距加宽引起相同横移量下轮轨接触点偏向钢轨中心位置;轮轨接触滚动圆半径和接触角减小,增大了滚动圆半径和接触角剧增的横移量,导致轮缘不易产生贴靠;与标准轨距相比,轨距变窄引起轮轨接触斑横向分布变窄,纵向分布变宽,接触斑面积减小;轨距加宽至1 437 mm后接触斑开始出现黏着区,加宽至1 439 mm时接触斑内黏着区面积显著增大,其接触斑面积增大77%,减小轮轨的滑动行为;轨距在1 433～1 439 mm之间变化,轮轨接触斑内正应力和切应力显著降低,轮轨体内最大等效应力显著减小,且等效应力沿纵向分布范围变宽,沿深度方向影响范围增大,可避免等效应力的集中作用。轨距加宽有利于地铁线路轮轨关系的匹配,减轻轮轨间的磨耗和疲劳伤损。     

二齿差摆盘式活齿传动的接触力学

针对二齿差摆盘式活齿传动系统在高速重载的工作条件下容易产生局部的挤压变形或疲劳磨损等问题,依据二齿差活齿传动的对称性,对二齿差摆盘式活齿传动系统的模型进行简化,并运用有限元分析方法计算各零件在接触点附近的等效应力。研究反映传动动态过程的活齿相位以及活齿振幅、活齿半径、沟曲率半径系数等参数对接触应力的影响。应用接触力学的经典理论,研究接触点次表面不同类型应力的分布状态,并且在静强度校核的基础上对系统进行疲劳分析,计算接触疲劳寿命,确定系统可能疲劳失效的危险区域。研究结果表明:各零件的应力均集中在接触点附近的微小区域内,分布状态符合预期,属于典型的接触问题,同时验证了差异化网格划分的合理性;振幅增大、活齿半径增大、沟曲率半径系数减小均会导致接触应力最大值的减小,反之亦然。     

预加应力对滚动接触疲劳强度的影响

木文根据弹流理论和弹性力学计算了滚动接触应力场，并进行了预加拉应力对接触疲劳寿命影响的实验研究。结果表明：预加拉应力使裂纹起源于表面的点蚀寿命缩短，与滚动方向成３０°角的剪应力是引起点蚀的决定应力。     

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。     

高速轮轨瞬态滚动接触行为的研究

该研究建立了三维瞬态滚动接触有限元模型,用于求解速度高至500 km/h的轮轨瞬态滚动接触行为。该模型考虑了轮轨的真实几何形状,可引入任意接触面不平顺、黏着系数(或摩擦系数)沿钢轨纵向的波动及相对滑移速度对黏着系数的影响,并可考虑材料的非线性行为。不同的切向接触载荷,即不同运动状态下的车轮所承受的驱动或制动力,由施加于车轴的随时间变化的扭矩来控制。模型采用显式有限元方法,其条件稳定特性决定了计算时间步长需取值极小,这使得该模型适合于时域内求解轮轨高速滚动过程中的高频动态或瞬态现象,如分析轮轨接触表面短波长缺陷处(钢轨焊接接头、波浪形磨损和车轮扁疤等)的轮轨瞬态冲击响应。另外,模型中充分考虑了车辆转向架和轨道子系统的主要部件,数值重现了三维轮对的真实滚动行为,因此车辆—轨道的耦合作用、与高速滚动相关的自旋、陀螺仪效应等因素均包含于模型之中。过去一年多,应用上述三维高速瞬态滚动接触有限元模型进行了一系列研究。不同速度的模拟结果发现,500 km/h以下速度对光滑接触表面上压力分布的影响可以忽略,而相应的应变率随速度增加而增加。针对很多国家出现的钢轨表面塌陷现象,即钢轨接触带内出现的具有两瓣特征且第二瓣更大的局部滚动接触疲劳损伤,也进行模拟研究,结果显示其发生应该与轨下胶垫的刚度有很大关系。车轮滚过钢轨短波波磨的瞬态接触结果显示,轮轨接触力在波磨段呈现出明显的波动,且当波深足够深时,接触状态会在滚滑—滑动—滚滑间反复震荡,从而导致V-M应力与摩擦功的波动。跟传统的基于多体动力学的车辆—轨道耦合动力学结果相比,发现传统模型夸大了轮轨间的接触刚度。另外,随相对滑动速度变化的摩擦力模型被发现对轮轨间的切向滚动接触具有重要的影响。