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.     

基于轮轨非Hertz接触的影响系数的有限元计算方法

采用非Hertz接触理论求解轮轨接触问题时,影响系数对轮轨接触应力与接触斑大小产生重要影响.由于当车轮轮缘与钢轨在轨距角处发生接触时,非Hertz接触理论中基于弹性半空间条件下的影响系数已不适用,所以利用有限元方法求解了全空间内轮轨非Hertz接触的影响系数,并对Kalker的非Hertz接触理论做了修正.在保证计算效率的前提下,以30t轴重重载铁路CHN75钢轨和LM磨耗车轮踏面为例,采用修正的非Hertz理论及轮轨接触分区模型P_M(partition model)分别计算了轮对横移量为0~8mm时的轮轨接触斑面积及接触斑应力.研究结果表明,用有限元法计算出的影响系数大于Bossinisqe-Cerruti公式求出的影响系数,并且在轨距角处的影响系数大于轨顶处.修正的非Hertz理论计算出的法向应力和接触斑面积始终要比P_M模型计算出的法向应力略大一些,且随轮对横移量的增加,两种轮轨法向接触模型计算出的法向应力和接触斑趋势一致.当横移量为0~4mm时,最大接触斑面积可达173.75mm2,轮轨型面较为匹配;当横移量持续增大时,由于车轮与钢轨轨距角接触,接触面积急剧降低,同时法向应力急剧增大.     

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。     

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.     

基于三维弹性体滚动接触理论的轮轨非平面 接触算法

基于Kalker的三维弹性体滚动接触理论,结合轮轨非平面接触几何关系,提出了最小余能方程中影响系数的修正公式。考虑轮轨非平面接触时法向与切向存在的相互作用,对最小余能方程进行离散化。以总余能最小为目标,将离散方程的求解转化为非线性规划问题,并提出了求解算法。利用有限元方法验证了所提算法的准确性。最后,研究了钢轨在不同磨耗状态下的轮轨接触特性。结果表明,在不同磨耗、相同横移量条件下,随着磨耗的增加,轮轨的轨距角接触由两点接触过渡至共形接触,最大接触应力减小,接触斑变得狭长,接触面积增大。     

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。     

道岔区固定辙叉心轨垂磨对轮轨动态接触的影响

通过实测数据和文献资料,分析了辙叉区心轨垂直磨耗分布规律,并基于该规律构造了各级垂直磨耗分布曲线。针对重载条件下普速铁路60 kg?m^-1钢轨12号单开道岔,基于车辆-道岔耦合动力学的理论,建立重载货车-道岔耦合动力学模型,计算分析了固定辙叉心轨垂直磨耗对重载货车通过道岔辙叉区轮轨接触的影响规律。结果表明：心轨顶宽20~40 mm范围是实测心轨垂直磨耗较为严重的区域;随着心轨垂直磨耗量的增大,轮载过渡区轮轨接触力最大值和接触力过渡曲线波动性普遍增大,轮轨接触关系随之恶化,心轨与翼轨之间的轮载过渡平稳性随之下降;当轨道几何不平顺较为良好时,心轨顶宽40 mm处垂磨应控制在5 mm之内。     

现代有轨电车线路轨底坡对槽型轨磨耗的影响

建立了槽型轨磨耗预测模型,包括考虑了独立旋转车轮的现代有轨电车车辆-轨道耦合动力学计算模型、基于槽型轨多点接触特性的轮轨接触模型以及Archard材料磨耗模型.通过与相关文献结果的对比验证了模型的有效性,并采用该模型分析了轨底坡对现代有轨电车通过小半径曲线轨道时槽型轨磨耗的影响.结果表明:轨底坡为1/60和1/20时,内外侧槽型轨轨面及轨距角位置磨耗相对集中,在X=18 mm附近位置钢轨磨耗影响较轻;相对钢轨磨耗量而言,设置轨底坡为1/20有利于减轻钢轨磨耗.     

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.     

基于有限元模拟探究超载对钢轨磨耗的影响

随着高速铁路和重载运输的快速发展,对钢轨损伤现象尤其对钢轨表面接触磨耗的研究变得愈发重要.通过有限元软件ANSYS建立了轮轨接触的二维计算模型,施加载荷工况:改变轮重为10t—15t—10t;采用Chaboche随动强化模型,并通过剪切塑性应变累积及残余应力等力学参量来分析超载对钢轨磨耗的影响,为已有铁路线路的改造以及新线路的设计提供参考.     

普速铁路直线钢轨轨距角接触问题分析及治理

基于现场观测和相关动力学仿真分析结果对普速铁路直线钢轨轨距角接触问题进行了分析.基于个性化钢轨廓形打磨技术提出了解决方案,并对实施效果进行了跟踪观测.结果表明,左右车轮非对称磨耗引起的横移量和受力状态、钢轨廓形内侧偏低导致的自对中能力不足分别是车轮和钢轨廓形角度易导致轨距角接触的主要原因.由于普速铁路货车车轮状态不尽理想,因此通过钢轨廓形打磨只能减小接触的概率,较难完全根除.将钢轨廓形与实测车轮的接触位置分布情况预测作为钢轨打磨目标廓形设计结果校核条件之一时可有效优化轮轨接触位置,进而缓解轨距角接触问题.     

高速列车车轮与曲尖轨接触分析

为了研究高速铁路曲尖轨磨耗严重的问题,现场实测不同位置处的18号高速道岔曲尖轨型面及不同磨耗程度的高速列车车轮型面,建立车轮-基本轨-曲尖轨有限元模型,进行轮轨弹塑性接触分析,得出如下结论:车轮与尖轨接触状态受车轮磨耗程度与沿尖轨线路接触位置影响;使用标准车轮的情况下,当尖轨与基本轨共同承担载荷时,随着距尖轨尖端距离的增加,尖轨所受最大等效应力呈先增大后减小的趋势,当超过屈服极限时,易造成尖轨飞边;当尖轨单独承担全部载荷时,所受最大等效应力急剧增加,塑性变形加重,侧磨加剧.不同磨耗程度的车轮对尖轨会造成不同损伤,磨耗Ⅰ型车轮易造成尖轨压溃,磨耗Ⅱ型、磨耗Ⅲ型、磨耗Ⅳ型易使尖轨发生飞边,剥离掉块.     

机车车辆轮轨接触问题的数值模拟

按照机车、车辆车轮与标准轨道的实际几何关系建立了三维有限元模型，并采用有限元参数二次规划法求解轮轨弹塑性接触问题．通过弹塑性接触计算，得到了大量的轮轨接触力、接触状态和轮轨应力的数据，根据计算结果分析比较了机车轮轨接触和车辆轮轨接触的区别，对轮缘贴靠钢轨形成两点接触时的接触情况进行了初步分析.     

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。     

动车组运营下轨道参数对小半径曲线钢轨侧磨影响研究

为减缓动车组运营下小半径曲线外股钢轨侧磨,延长钢轨使用寿命,利用SIMPACK软件建立了小半径曲线轮轨磨耗仿真模型。仿真分析了超高、轨距、钢轨表面摩擦系数及轨底坡对动车组通过时小半径曲线外轨所受横向力、导向轮冲角及轮轨磨耗指数的影响规律。研究结果表明:钢轨表面摩擦系数及轨底坡对小半径曲线外轨侧磨影响较大,适当降低钢轨表面摩擦系数可以较大程度上降低曲线外轨所受横向力及磨耗指数;调整外轨轨底坡至1∶20,内轨轨底坡至0,对曲线外轨所受横向力及导向轮冲角影响较小;但对轮轨磨耗指数影响较大,有利于减小曲线外轨侧磨。根据研究结果,针对某动车所小半径曲线制定了减磨方法;并对改造后曲线进行了轮轨力测试和钢轨廓形测试。测试结果表明,减磨方法效果明显,可延长曲线外轨服役寿命3倍以上。     

车轮多边形对车辆振动及轮轨力的影响

针对国内车轮多边形现象日益突出,应用ANSYS和SIMPACK软件建立考虑轮对柔性的车辆刚柔耦合系统动力学模型,研究车轮多边形对车辆振动及轮轨力的影响并提出不同阶次的车轮多边形限值.研究表明:轮轨垂向力波动随车轮多边形幅值的增大而增大,但不随多边形阶次的增加而线性增大;轮对弯曲振动频率会与轮对的侧滚与转臂的点头频率相耦合,如果由车轮多边形产生的振动频率在该频率范围内,将会产生共振;根据轮轨力上限值170kN提出300km/h速度下1~20阶车轮多边形波深限值,特别是11阶车轮多边形的波深不宜超过0.07mm.     

重载货车-固定辙叉动态与静态接触性能分析

针对重载铁路固定辙叉磨耗问题,应用动力学理论与有限元方法,分别建立C80货车-固定辙叉系统耦合动力学模型与轮叉弹塑性接触模型,分析重载货车-固定辙叉动态与接触性能。应用SIMPACK软件建立动力学模型以模拟C80货车通过75kg/m钢轨12号道岔,计算结果表明：固定辙叉最大磨耗功率随着速度的提升迅速增大,车轮从翼轨向心轨过渡将对心轨产生冲击,而且速度越高冲击力越大。应用HYPERMESH软件,建立三维弹塑性有限元接触模型,计算分析在标准75kg/m钢轨12号道岔固定辙叉不同位置处与标准货车LM型面车轮的接触状态。在模型中分别施加动载垂向力与静载轴重,进行计算,与静载轴重相比,动载垂向力作用下的最大等效应力剧增。综上所述,建议C80货车通过固定辙叉时严格控制在50km/h范围内。