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.     

曲线占比权重对重载机车车轮磨耗影响

针对重载线路曲线段钢轨侧磨和机车车轮磨耗严重的问题,从线路曲线占比权重角度出发,采用UM建立重载机车动力学模型和车轮Archard磨耗模型,研究不同曲线占比权重对车轮磨耗的影响,进一步分析磨耗后车轮型面的动态接触点和静态等效锥度变化,给出重载线路曲线占比权重设置建议.研究结果表明：曲线占比权重增加到30%,会造成1位轮对轮缘和2位轮对踏面磨耗严重,且磨耗速率分别为0.827、0.582 mm/万km;曲线占比权重20%～25%,1、2位左轮对接触点在圆曲线段移动幅度最大,靠近轮缘根部.3位左轮对在曲线占比权重10%～15%时接触点移动幅度最大,接近名义滚动圆位置;建议重载线路曲线占比权重设置10%～15%时,车轮磨耗量增加幅度最小,轮轨匹配关系最佳.     

重载铁路钢轨磨耗状态下的轮轨法向接触特性

基于三维弹性体滚动接触理论,对法向接触问题最小余能方程的影响系数和法向间隙进行修正,使其更适用于非平面接触问题的求解.以某重载铁路通过总重达100 Mt的CHN75型面磨耗钢轨为对象,车轮选取LMA系列原始型面,利用修正后的接触模型,研究在30 t轴重作用下的轮轨法向接触特性.结果表明:轮对横移量对轮轨接触特性影响较大,横移量在+12～+14 mm轮轨接触状态变化显著;其中,横移量在+12.9～+13.2 mm时出现两点接触,横移量增大至+14 mm时出现车轮轮缘和钢轨轨距角的接触.     

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。     

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.     

货车车轮与重载道岔曲尖轨的接触分析

针对大秦线重载道岔曲尖轨严重磨耗的情况,通过实测货车车轮型面与不同磨耗阶段尖轨型面,建立道岔区轮轨接触三维弹塑性有限元模型,分析货车车轮与尖轨不同位置的接触情况。结果表明,从距离尖轨尖端1m到3m内,接触斑在尖轨上的位置、尖轨上多点接触的区段以及尖轨上的等效应力大小主要受变截面尖轨的轨顶高度和宽度的影响;磨耗车轮与2m处标准型面尖轨接触时,在尖轨轨顶形成较大的应力集中,尖轨发生塑性变形,导致2 m处尖轨顶部剥离掉块;LM型车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较好;磨耗车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较差,而与磨耗后型面尖轨接触时的匹配情况相对较好。     

高阶多边形车轮的瞬态磨耗行为分析

采用ANSYS/LS-DYNA建立自由轮对运行于半径3500 m曲线轨道上的三维轮轨滚动接触有限元模型,于时域内模拟考虑轮对初始横移和侧滚角的高速曲线通过和瞬态滚滑行为,分析不同牵引系数下23阶实测车轮多边形对轮对曲线通过和车轮瞬态磨耗的影响.研究结果表明:车轮多边形会造成轮轨力、法/切向接触应力、摩擦功和磨耗深度等的...     

地铁线路超高对轮轨磨耗的影响

为了减轻地铁车辆在圆曲线区段运行所造成的轮轨磨耗,提高车辆运行的安全性与舒适性,基于车辆动力学理论,通过动力学软件SIMPACK建立轮轨关系模型,针对列车通过圆曲线时过超高、正常超高和欠超高三种工况进行研究.分析了三种工况下,轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、磨耗功率、磨耗指数、轮重减载率和倾覆系数7个动力学参数在列车运行中的变化规律,并深入分析磨耗指数和磨耗功率与车辆实际通过时产生超高的变化规律,得出超高变化与磨耗指数成负相关,与磨耗功率成正相关,且列车通过圆曲线时应尽量降低速度,在条件不允许时,应采用尽量小的欠超高.     

考虑轮轨周期性磨耗因素的滚动接触动态特性研究

为探究轮轨周期性磨耗综合作用对轮轨动态相互作用力和接触蠕滑特性的影响,建立柔性轮轨下的车辆-轨道耦合动力学模型,通过现场实测车轮谐波磨耗和钢轨波磨,将轨道不平顺和3种钢轨波磨分别叠加得到3种轨道激励;以车轮谐波磨耗分别与3种轨道激励组合作为轮轨周期性磨耗工况,对比分析低速和高速下3种轮轨周期性磨耗工况作用下的滚动接触动...     

重载列车作用下新型预应力路基动应力响应规律研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立列车-轨道-预应力路基和常规路基共2种三维动力有限元模型,通过引入重载铁路高低不平顺轨道谱,分析不同轴重列车运行下,这2种路基结构动应力响应差异化规律。研究结果表明：1)受轨道不平顺的影响,2股钢轨正下方路基面的动应力沿路基面中线呈非对称分布,且差异性显著;2) 2种路基结构在轨下路基面上的动应力峰值沿线路纵向的随机波动程度随轴重增大而增大,而预应力加固结构在一定程度上可控制这种波动程度,且列车轴重越大,控制优势越明显。在轨下基床层不同深度处,预应力路基内的动应力平均值略低于常规路基的动应力平均值;3)列车轴重对动应力变异水平存在放大效应,而在预应力路基基床内,其动应力变异系数均小于常规路基的动应力变异系数,表明预应力加固结构在维持路基动应力稳定方面具有积极效应;4)在基床内不同深度处,2种路基结构动应力峰值沿线路纵向均服从正态分布;5)列车轴重越大,钢筋附加动应力水平越高,但远低于静态目标张拉应力,且各排钢筋动响应程度沿坡面从上至下是逐渐衰减的。     

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。     

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.     

重载铁路轨道路基系统动位移空间分布特征

建立了重载货车-有砟轨道-路基系统耦合动力学模型.分析计算了在轨道随机不平顺激励下30t轴重重载铁路轨道-路基系统动位移的分布规律.计算结果表明:(1)轨道-路基系统各结构层动位移状态较为复杂,在重载货车通过的过程中,所受荷载也处于循环往复的加载和卸载状态.(2)在有砟轨道-路基系统的动位移的3个位移分量中,竖向动位移的幅值较大,横向动位移以及纵向动位移的幅值均不超过竖向动位移幅值的6%;而沿横向,动位移的分布较为缓和,其最大波动幅值不超过0.2mm,可近似看做均匀分布.(3)轨道-路基系统动位移沿竖向的变化,大体分为3个阶段:在钢轨到轨枕之间,出现明显突变;在轨枕层区域的衰减幅度较小;在道床层至基床表层及下部结构,竖向动位移表现为沿深度方向不断衰减,并且衰减速率随着深度的增加也在不断减小.     

紧急制动下货车车轮温度场和应力场的数值仿真研究

采用能量转换法确定了紧急制动下车轮的热流密度,运用有限元数值模拟技术,数值仿真了紧急制动状况下货车车轮的温度场分布,并通过间接耦合法将温度场模拟结果作为应力场分析的边界条件,数值模拟了紧急制动下车轮热应力场分布规律,为进一步研究车轮的热疲劳提供定量分析的依据.     

接触爆炸和近距离爆炸比冲量数值仿真研究

对于接触爆炸和近距离爆炸的情况,炸药形状、起爆点位置和产物喷射均会造成载荷空间分布复杂,给理论分析和工程应用带来困难。分别采用流固耦合方法和PBM方法对Nansteel近距离爆炸子弹抛掷实验进行数值仿真,结果表明PBM模型仿真结果和实验结果吻合较好,而流固耦合模型仿真结果仅为实验值的70%左右.对于高度为3～10 cm的等长径比TNT药柱接触爆炸仿真结果表明,中心点比冲量随药柱高度线性变化.对640 g和1 250 g等长径比TNT药柱仿真结果表明,爆心距的变化主要影响靶板中心点6 cm半径内的比冲量,基于量纲分析推导出了比冲量的经验公式.     

重型门桥水阻力的计算流体力学数值模拟

应用流固耦合理论及计算流体力学有限元法对重型门桥的水阻力问题进行了数值模拟,分析了不同的航速、不同的门桥类型以及不同的舟体排列方式对门桥运动的流场中速度、压强等流体参数分布的影响,得到了不同模式下舟体物面的压力曲线。对模拟结果进行了分析,并与相关的经验公式进行了比较。证明了数值模拟的准确性和可靠性。对重型舟桥的舟体线型、门桥的结构形式以及舟桥水动力性能的改善提供了一定的理论依据。