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。     

轮轨型面对车辆曲线通过性及磨耗影响

对比初始与实测轮轨型面对上海地铁A型车的曲线通过性能的影响,并分析不同的轮轨型面匹配对轮轨磨耗、钢轨波浪形磨耗、接触疲劳的影响.结果表明4种不同的轮轨匹配下,车辆的曲线通过性能都能满足车辆动力学性能要求,但新车轮运行在已磨损的轨面上时,曲线通过性能略差,其轮轨横向力和脱轨系数偏高.初始轮轨匹配在过小半径曲线时其外轮轨具有较大的自旋功,且内外轮轨上高的纵向蠕滑率将导致车轮产生粘滑振动,易形成波磨,经过滚动接触疲劳分析,磨损后的车轮踏面易对小半径曲线外轨造成表面接触疲劳破坏.     

不同轴重下轮轨损伤行为研究

利用MMS-2A摩擦磨损试验机开展轮轨滚动接触模拟试验,探讨研究了轮轨试样在不同轴重下的损伤特性.结果表明:轴重的增加使得轮轨间摩擦系数变大,车轮和钢轨的磨损加剧,其主要磨损机制由轻微剥落向严重剥落发展.随着轴重的增加,轮轨试样断面累积塑性变形厚度以及疲劳裂纹萌生的概率都显著增大.在相同轴重下,钢轨试样累积的塑性变形厚度较大,疲劳裂纹萌生的概率也大.随着轴重的增加,轮轨试样疲劳裂纹扩展速率变大,疲劳损伤明显加重.     

轮轨滚动接触疲劳寿命的计算方法

对列车车辆轮轨滚动接触进行了分析,指出在滚动过程中其接触点位置具有随机性,可以用正态分布规律进行描述。在此基础上,利用LM型踏面车轮与CHN60钢轨发生接触的接触点位置和接触应力计算方法,构建了能够对轮轨滚动接触过程中车轮表面接触点位置、接触次数和接触应力进行计算的方法。应用疲劳损伤积累假说和疲劳曲线方程,构建出能够对实际线路上的车轮表面各点疲劳寿命损伤进行计算的数学模型。应用该模型,针对具体的铁路线路进行了算例计算和研究,得出了车轮的理论疲劳寿命,并对直道和弯道行驶过程中,不同接触位置所形成的疲劳损伤程度进行了计算和分析。     

高速铁路车轮的磨损与疲劳研究

近20年来,高速铁路得到了日新月异的发展,然而,对于高速铁路的关键性行走部件车轮,由于其服役环境是开放性的,并且伴随不断增加的车速及轴重,给车轮带来更加严峻和复杂的损伤。从轮轨接触问题出发,综述了高速铁路车轮主要损伤行为（磨损、疲劳）的现象及特点。由于轮轨接触面开放性的机械热交换作用而导致的车轮表面及近表面结构的热弹性不稳定性,是造成磨损的根本性原因;然而,与磨损缓慢的损伤过程不同,由材料成分和服役过程中机械载荷引起的应力大小和方向上的反复变化,诱发了疲劳源的萌生与裂纹扩展,且形式多样、破坏性更大。通过运用材料的塑性流变特性对车轮近表面的热弹性和内部织构的分析,归纳、总结了与磨损、疲劳等力学性能劣化相关的车轮材料组织、结构的响应特征,为车轮成型设计与服役安全评估提供了理论支撑。     

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。     

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。     

蠕滑曲线对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

为了降低地铁小曲线半径处钢轨的损伤,延长钢轨使用寿命,提出合适的轮轨摩擦因数和Kaker权重系数。首先,基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用SIMPACK软件建立了小半径曲线动力学模型,考虑轮轨磨耗与滚动接触疲劳的耦合关系,建立钢轨损伤模型;其次,根据标准工况下动力学计算结果,分析小半径曲线轮轨动态相互作用特征,研究内侧和外侧钢轨的损伤特性,提出了最优损伤方案;然后,设置50个轮轨摩擦因数和Kalker权重系数匹配方案,分析摩擦因数和Kalker权重系数对轮轨动态相互作用和钢轨损伤特性的影响;最后,综合考虑车辆运营安全性和钢轨损伤特性,提出轮轨摩擦因数和Kaker权重系数匹配方案。研究结果表明:在标准工况下,内轨损伤形式为磨耗,外轨的磨耗程度大于内轨磨耗程度,考虑到缓和曲线上累积的疲劳损伤,外轨的使用寿命更低;Kalker权重系数越小,轮轨横向力、脱轨系数和车体横向振动加速度最大值越小,Kalker权重系数越小且摩擦因数对轮轨动力行为、磨耗和疲劳损伤的影响越小。建议小曲线半径地段轮轨摩擦因数应不大于0.2,Kalker权重系数应该不大于0.1,此时内轨和外轨磨耗指数最大值均小于100 N,钢轨几乎不产生磨耗,内轨和外轨疲劳损伤最大值为0,大幅提升了钢轨的使用寿命。     

摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响

以正交剪应力作为滚动接触次表层疲劳损伤评价的临界应力,分析了摩擦系数对滚动接触次表层正交剪应力幅及应力比的影响规律.根据疲劳损伤累积理论及非对称循环应力幅修正公式,建立了支承辊次表层接触疲劳应力与寿命计算模型,用于评价支承辊次表层接触疲劳损伤.实例分析了摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响,结果表明:随着应力比及摩擦系数增大,支承辊的次表层接触疲劳损伤增大,因此,降低支承辊接触摩擦系数,可改善支承辊的疲劳损伤.     

基于瞬态接触特性的科隆蛋扣件轨道波磨形成机理

为从轮轨瞬态接触黏滑振动角度探究地铁线路上钢轨波磨的形成机理,该文首先根据现场波磨情况建立了三维轮轨滚动接触有限元模型并论证其有效性;然后,分析了车轮运行过程中的接触黏滑状态,并讨论了轮轨接触黏滑特性与波磨生成的关系;最后,研究了轮轨系统固有特性和钢轨纵向磨耗特征。结果表明：凹坑缺陷改变了轮轨滚动接触黏滑分布,导致轮轨界面发生滑移并诱发轮轨系统失稳,且滑移会进一步引起钢轨磨耗,以致最终可能形成波磨。综合轮轨接触黏滑特性和复模态分析的结果,可将钢轨波磨的形成机理归为轨面缺陷激励引发的轮轨系统的固有不稳定振动,且该不稳定振动表现为钢轨相对于轨道板的垂向弯曲振动。当车轮经过凹坑缺陷时,会产生瞬态纵向波动磨耗,且磨耗的特征波长为40～50 mm,这与实测线路上的波磨波长情况相符,从而进一步验证了钢轨波磨的形成机理。     

影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析

建立了钢轨3维弹塑性有限元计算模型,分析了接触斑内应力应变场特点.分析结果表明,在接触斑内钢轨处于三向压缩应力状态,有较大的静水压力;认为静水压力影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命.以临界平面法为基础,提出了考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析了轮载和摩擦系数对疲劳裂纹萌生的影响.结合具体算例分析表明:随着静水压力增大,静水压力对滚动接触疲劳裂纹影响在增大;随着轮载和摩擦系数增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命迅速减少.     

350km/h动车组车轮磨耗对动力学影响研究

为探究中国350 km/h的动车组的车轮磨耗变化及其动力学性能变化,对运营中的某350 km/h的新型动车组进行踏面磨耗跟踪测量,发现车轮在镟修周期内出现了踏面凹型磨耗和轮缘根部磨耗问题。从轮轨接触关系开始对上述发现进行研究,并通过SIMPACK软件仿真模拟,探究在高速下该型车轮磨耗的增加对车辆的动力学性能(包括非线性临界速度、曲线脱轨系数、车辆平稳性指标、磨耗功率)的影响。研究结果表明:350 km/h高速运行的新型动车组,其车轮磨耗主要为踏面滚动圆处的凹型磨耗与轮缘根部磨耗;伴随着车轮磨耗的增加,轮轨接触发生改变,滚动圆两侧的疲劳损伤愈加明显,车辆的动力学性能不断恶化。最后就车轮的磨耗的发生位置与其特点提出了几点建议。     

车轮型面对轮轨黏滑特性影响

利用非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了LM,LMA,S1002和XP55四种车轮型面与我国CHN60钢轨匹配时的轮轨黏滑特性.数值结果表明:四种车轮型面与CHN60钢轨匹配时的轮轨接触斑黏滑特性明显不同,车轮型面对轮轨接触斑面积、黏滑区分布、轮轨摩擦功等有较大影响;LM型面与CHN60匹配时的蠕滑区面积和轮轨摩擦功较大,且接触斑更容易达到饱和状态;LMA型面与CHN60匹配时的黏滑特性较佳,其接触斑面积、黏着区面积较大;S1002型面与CHN60匹配时的黏滑特性较XP55型面要好.     

大秦铁路轨道修理中钢轨打磨的研究

随着运量和轴重的不断增加,钢轨伤损情况明显加重。钢轨打磨可以有效解决钢轨的疲劳伤损。为此针对大秦铁路钢轨滚动接触疲劳伤损进行了钢轨打磨方面的研究,简述了大秦铁路钢轨打磨现状,提出了钢轨打磨试验方案。     

重载钢轨磨耗预测模型及接触斑网格密度研究

基于车辆-轨道耦合动力学及轮轨滚动接触分析,结合材料磨损理论建立了钢轨磨耗预测模型,编制了计算程序,可实现钢轨磨耗具体分布及发展的定量预测分析.鉴于轮轨接触斑离散化网格密度在预测模型中的显著影响作用,从接触力、磨耗分布等方面对这一因素的影响机理进行分析,探讨合理的接触斑网格密度.研究结果表明:网格密度不影响计算结果的正确性,但是稀疏的网格密度得到的蠕滑力及磨耗分布存在较多尖锐形状突变,增大密度可提高精度及磨耗分布平滑性,但会成倍增加计算代价;网格密度20×20时,钢轨磨耗速率变化由剧烈趋于稳定,继续增大密度改善效果已不明显,建议预测模型中接触斑网格密度取20×20,在确保精度的同时尽可能拥有较高计算效率.     

摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.     

基于轮径差函数的曲线钢轨打磨廓形设计

为改善打磨质量,提高打磨后车辆运行品质,提出了一种基于直接反推方法的铁路钢轨打磨廓形的设计方法,该方法以优化打磨后的轮径差函数为核心目标,以预期的轮轨接触分布为设计边界条件,实现了通过设计轮径差函数直接反推钢轨打磨廓形的算法设计,并经编制的算法程序校验了该方法的可行性.该方法既可针对两股钢轨同时设计,也可针对单股钢轨进行设计,同时能够通过调整设计轮径差和预期接触分布满足不同的打磨需求.     

城轨车辆车轮损伤问题研究

城轨车辆以其方便、快捷的优点在大型城市的公共交通领域发挥着越来越大的作用．但是,在给人们带来方便的同时,城轨车辆的噪声问题也给沿线居民增添了很多烦恼．实际运行经验表明,当车轮踏面损伤后,轮轨噪声会不可避免地增大,良好的轮轨关系是降低城轨车辆噪声的根本途径．本文针对国内某城轨车辆在实际运行中出现的车轮踏面损伤问题进行研究,发现该车辆的轮对在运行一段时间后,在轮对踏面与轮缘的交接处就会有大量鱼鳞状剥离出现,并同时伴有车体的垂向振动加大的现象．结构分析发现,车体与构架间的牵引杆长度较小,当轮对受到较大的垂向冲击时,会导致车体与构架形成刚性连接．仿真分析发现将牵引杆两端改为大的橡胶关节连接后,可显著改善车辆的垂向动力学性能,同时,这也有利于缓解车轮的损伤情况．     

旋转支承钢轮应力分析

以Hertz弹性接触理论和曲梁理论为基础,分析了回转支承空心钢轮的圆周应力对轮轨接触von Mises应力峰值及其位置的影响,通过采用平面应变有限元的进一步分析表明,降低钢轮截面梁高可以提高钢轮的径向柔度,同时圆周应力可以有效地抑制接触正应力,提高钢轮接触强度,但可能使钢轮接触区内yon Mises应力峰值点从中间向两侧分离,导致应力循环次数翻倍,影响疲劳强度.至于对接触区内钢轮的剪应力和钢轨的von Mises应力,截面梁高的变化对峰值和位置的影响则不大.