轮轨关系研究中的力学问题

简单论述世界铁路发展状况和铁路交通运输的优越性。详细论述轮轨关系的研究问题,其研究包含轮轨滚动接触作用和稳定性问题、轮轨粘着和强度、接触表面磨损和滚动接触疲劳破坏、轮轨噪声、轮轨蠕滑率／力理论和轮轨三维弹塑性滚动接触问题。在这些问题研究中,蕴涵十分复杂的力学和强度问题。文中就这方面的研究现状和存在问题以及问题研究的难点进行讨论,并分析今后可能的研究方向。     

钢轨滚动接触疲劳研究

介绍了滚动接触疲劳裂纹的萌生及扩展的形成机理、钢轨滚动接触疲劳的破坏分类、影响因素,从钢轨新材料的开发、轮轨接触几何型面的优化和铁路工况的改善等几个方面提出了减缓钢轨滚动接触疲劳的措施。     

钢轨磨耗对轮轨滚动接触关系的影响研究

钢轨廓形会随着磨耗的发展而发生明显改变,并对轮轨接触关系产生影响。以国内某客货共运干线铁路的小半径曲线为例,跟踪采集钢轨廓形,并测量通过该线路的客车和货车车轮廓形。对不同磨耗阶段的钢轨型面对应的轮轨共形接触和轮轨导向能力进行分析,并结合车辆-轨道动力学模型对多车轮条件下的轮轨接触位置分布特征和钢轨表面滚动接触疲劳损伤系数进行计算。结果表明:随着钢轨的不断磨耗,轮轨共形接触的概率先下降后上升,同时转向架导向轮对的轮轨导向能力先减弱后加强,而从动轮对的导向能力逐渐减弱。上股钢轨的轮轨接触宽度由25 mm扩大到45 mm,下股钢轨由27 mm扩大到45 mm,同时上股钢轨轨顶和轨距角处接触频率逐渐增加,轨肩位置处的接触频率逐渐减小。钢轨表面的累积滚动接触疲劳损伤系数先减小后增大,疲劳损伤区域逐渐向轨顶扩展,甚至达到轨顶外侧位置。     

CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触条件下界面黏着与表面损伤的影响

在轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触疲劳和表面磨损行为的影响研究,对比分析了车轮表面气体软氮化对轮轨表面损伤的作用机理。结果表明:表面氮化处理可使车轮表面依次形成约3μm～5μm厚均匀致密的白亮层和约20μm后的扩散层;车轮表面氮化处理后,干态下轮轨间黏着系数降低了11. 7%、水态下降低了18. 4%,但氮化处理仍可保持轮轨间较高的黏着系数,可以避免车轮打滑等现象的发生;渗氮处理不仅明显提高了车轮表面的耐磨性,而且也有效降低了钢轨试样的磨损,其磨损量分别减小了58. 05%和10. 77%。简言之,车轮渗氮处理有效降低了轮轨系统的综合磨耗,提高了车轮材料的滚动接触疲劳抗力。该方法有望应用于实际,从而有效提高轮轨系统的服役寿命、减缓重载条件下轮轨材料的损伤。     

铁路道岔轮轨非赫兹滚动接触算法对比与分析

为研究不同轮轨非赫兹滚动接触算法对道岔轮轨滚动接触行为的影响,以转辙器部件为例,建立能够考虑尖轨和基本轨相对运动的轮轨滚动接触模型,对比分析Kalker三维滚动接触理论、Kik-Piotrowski、Ayasse-Chollet和Sichani四种非赫兹滚动接触算法在求解轮轨法向和切向接触行为时的计算精度和效率。结果表明,与Kalker三维滚动接触理论相比,采用Sichani方法在求解道岔轮轨法向和切向接触行为时的计算精度最高,最大计算误差均在10%以内,而由于条带理论自身的缺陷,在轮轨纯自旋蠕滑情况下,Sichani方法求解切向接触应力最大值的计算精度有所下降,计算误差为30%左右;采用Kik-Piotrowski方法的计算效率最高,Ayasse-Chollet和Sichani方法次之,Kalker三维方法所需的计算时间最长。综合计算精度和效率,Sichani方法是求解铁路道岔轮轨滚动接触行为较为合理的接触模型。     

轮轨直线滚动过程接触力学性能计算方法

以铁路客运列车直线运行时的轮轨接触问题为研究对象,在利用前期研究构建的薄层模型计算轮轨非赫兹接触正应力分布的基础上,分析了直线滚动时轮轨接触斑的蠕滑问题和切应力分布,进一步构建了精确求解任意形状接触斑正压力和切向力共同作用下轮轨内部各点应力的计算模型.结合算例,计算了不同类型轮轨接触斑内的滚动接触应力,并深入计算了钢轨内部各点的Mises应力和最大切应力,分析了滚动过程中接触斑上正压力和切向力对钢轨内部应力的影响规律.     

车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验,对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数,湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2,影响列车安全运行和牵引效果;车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗,同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说,凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显;迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大;迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显,背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重;此外,随着车轮滚动半径rθ由最小值到最大值再到最小值循环变化,不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。     

滚动接触载荷作用下的铁轨表面裂纹开合状态分析

通过计算不同接触载荷以及轮轨表面摩擦系数条件下裂纹面的接触面积和接触应力,对裂纹面的开合状态进行分析,并且对相应状态下液体渗入裂纹的可能性做出判断,由此总结了滚动接触载荷作用下,液体环境存在对铁轨表面疲劳裂纹扩展机理的影响.     

地铁车轮凹形磨耗对轮轨接触及动力学性能的影响

对某地铁线路的车轮磨耗进行测试,发现车轮存在严重的踏面凹形磨耗.利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆系统动力学仿真模型,研究凹形磨耗车轮与CHN60钢轨匹配时的轮轨接触特性以及车辆动力学性能,采用基于安定图的表面疲劳指数评价轮轨滚动接触疲劳特性.计算结果表明,车轮凹形磨耗使轮轨接触点对由连续分布变得分散集中,增大了滚动圆半径差和等效锥度,会降低车辆的非线性临界速度,但提升了车辆的曲线通过性能以及横向平稳性,对垂向平稳性几乎没有影响.凹形磨耗的发展增大了轮轨接触压力,使得R≤2000 m的曲线高轨侧车轮轮缘根部及钢轨轨距角处易产生滚动接触疲劳;R≤500 m的曲线低轨侧车轮假轮缘内侧与钢轨轨顶外侧有出现滚动接触疲劳的可能性.     

滚滑工况下轮轨摩擦生热分析

随着铁路的高速化和重载化,车辆运行环境日益恶化,破坏的程度也越严重。应用有限元分析软件ANSYS建立了轮轨摩擦接触时的热弹性平面应变有限元模型,分析了不同蠕滑率、摩擦因数以及轴重对轮轨表层温升和应力的影响情况。结果表明:高速列车滚动运行时,温升不高,但也产生了可观的热应力;车轮滚动过程中承受冷热交替的载荷,很容易产生破坏;随着轴重、摩擦因数和蠕滑率的增大轮轨的摩擦热效应越明显。摩擦生热的计算分析对于揭示热损伤机理有很大的指导意义。     

两种型面轮轨滚动接触应力分析

利用非Hertz滚动接触理论分析计算了磨耗型轮对、锥型轮对与钢轨之间滚动接触斑的作用力分布。再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况。数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据。     

基于轮轨法向间隙的车轮踏面优化方法

为了寻求基于目标的铁路车辆车轮踏面数值优化技术,开发一种考虑轮轨法向间隙参数的车轮踏面优化方法。利用该方法优化我国高速列车车轮LMa型面。并发现优化后的LMa车轮和CHN60钢轨滚动接触接触时,轮轨界面之间具有较好的“共形”特性,这样能有效降低轮轨接触应力以达到降低滚动接触疲劳目的。并用车辆轨道耦合动力学理论分析优化的车轮型面对车辆动态特性的影响。数值结果表明,在不降低车辆动力学性能的情况下,此方法可以有效改善轮轨接触点对分布,降低轮轨接触应力。     

车轮滚动接触疲劳与磨耗耦合关系数值模拟

滚动接触疲劳和磨耗是车轮失效的主要方式。通过三维弹性体非赫兹滚动接触理论得到接触斑内的法向、切向应力和材料上不同深度处的最大切应力分布,以CL60钢和贝氏体车轮钢为例,基于"layer"滚动接触疲劳失效模型和Zobory车轮磨耗模型,分析LM型车轮踏面和75 kg.m–1钢轨型面匹配时轮轨接触条件和车轮材质对车轮滚动接触疲劳和磨耗竞争关系的影响。计算结果表明,摩擦因数为0.3时,CL60钢在小蠕滑条件下会发生滚动接触疲劳损伤,在大蠕滑条件下只有轴重大于30 t时才会出现滚动接触疲劳损伤,而贝氏体车轮钢只有在大蠕滑条件且轴重为30 t时,载荷循环次数小于1×105的情况下才会出现滚动接触疲劳损伤;摩擦因数为0.6时,CL60钢和贝氏体车轮钢在各种工况下的滚动接触疲劳损伤速度都小于相同条件下的磨耗速度。     

车轮踏面硌伤处的瞬态滚动接触应力分析

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究带有踏面硌伤的车轮在指定牵引或制动力条件下的瞬态滚动接触行为,分析不同速度、硌伤几何和材料塑性变形对踏面硌伤处滚动接触行为的影响。结果表明:在60~300km/h速度范围内,车轮硌伤所激起的接触力随速度的增加而降低;初期硌伤可能存在的边缘"堆起"能大大增加接触应力的水平,或可导致滚动接触疲劳的萌生;对于具有尖锐边缘的硌伤,弹塑性等效应力水平仍可明显大于车轮材料的强度极限,即可发生持续的塑性变形,易于萌生疲劳;相对而言,对于具有钝边缘的硌伤,相应的接触应力水平要低得多,车轮偏于安全。     

Analysis of the wheel/rail rolling contact fatigue of a high-speed train under the transient mechanism

The Rolling contact fatigue (RCF) damage of high-speed wheels is a main factor that affects railway safety. This paper presents a Finite element model (FEM) of high-speed transient rolling contact that considers kinetic parameters as initial conditions. This model is used to calculate wheel/rail RCF. With a CRH2 high-speed train as the research object, a head car model is established with the multibody dynamics software UM. The train is driven on a straight track at a speed of 300 km/h. Different contact geometric parameters, such as lateral displacement and attack angle, are obtained. A 3D high-speed transient elastic-plastic FEM of wheel/rail rolling contact is then developed by using ABAQUS with the initial dynamic contact geometric parameters. The actual geometries of the wheel tread and rail head as well as the elastic-plastic properties are considered in this model. This consideration makes the model highly suitable for solving 3D transient rolling contact behavior. The normal force, creep force, and contact area in the contact patch are solved and used in the fatigue model. Owing to the hunting movement of wheels, the wheel/rail force and lateral displacement change significantly at 0.2 and 0.5 s. The longitudinal and lateral creep force increase sharply with the increase in shear stress. The work states of the wheel/rail at 0.2 and 0.5 s easily reach the ratchet effect zone, and the fatigue index is large. The fatigue damage of the wheels is generally near the nominal rolling circle.     

轮轨配合对重载货车轮轨磨耗的影响*

在中国既有线路的参数设置下,建立标准LM车轮与R60轨和R75轨配合时的轮轨接触和磨耗模型,对比研究不同轮轨配合时的磨耗性能。计算表明R75轨轮轨接触点集中分布在轨侧、轨头和轨顶三个区域,接触线不连续。在当轮对横移小于3 mm时,两种钢轨滚动圆半径差和接触角差基本一致,轮对横移大于3 mm时,R75轨的滚动圆半径差和接触角差稍小。R75轨与LM车轮配合时,在车轮踏面和轮缘、钢轨轨顶和轨角两段圆弧的过渡段的接触斑面积和应力变化剧烈。车辆在直线上运行时,R75轨的轮轨磨耗将增大数倍,动态通过800 m半径曲线时,外轨磨耗增大约45%。轮轨配合的理论分析表明R75轨不适应我国重载运输,采用提高强度的R60轨更符合我国重载铁路的实际情况。     

钢轨踏面斜裂纹模拟再现试验研究

根据钢轨踏面斜裂纹的损伤特点和轮轨力与斜裂纹关系分析设计试验方案,在西南交通大学JD-1轮轨模拟试验机上,对广深高速铁路铺设的PD3热轧钢轨材料进行了斜裂纹损伤再现试验。试验结果表明,轮轨接触方式是钢轨斜裂纹产生和扩展的重要影响因素;轴重增加会增大轮轨接触应力,增加磨损量,加速接触疲劳现象的产生。     

曲线半径及轴重对轮轨摩擦功影响的研究

基于非Hertz滚动接触理论利用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,轴重和曲线半径对轮轨接触质点间等效应力、接触斑粘滑区的分布、总滑动量和摩擦功的影响。分析计算表明,轴重增加引起轮轨接触质点间等效应力,接触质点间粘滑区的面积以及总滑动量的变化,同时对轮轨接触质点阍的摩擦功的变化有重要影响;小曲线半径处轮轨接触质点间的总滑动量,接触斑滑移区的面积以及摩擦功都明显增大,导致曲线上钢轨磨损加剧。因此曲线半径和轴重是影响轮轨滚动接触磨损的重要因素。     

ANALYSIS OF CREEP FORCES OF WHEEL/RAIL

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳｙ1———Ｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｖ1———Ｌａｔｅｒａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔφ———Ｙａｗａｎｇｌｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔω———Ｙａｗａｎｇｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖ———Ｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ,ｏｒｎｏｍｉｎａｌｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｒｉ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｉｎｓｔａｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｗｈｅｅｌｒ0 ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｒｏｌｌｉｎｇｃｉ…