轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响

分析计算了锥型踏面轮对沿轨道滚动接触时轮轨接触几何参数和不同运动状态下的轮轨之间的刚性蠕滑率.根据确定的轮轨接触几何参数和轮轨接触界面之间的蠕滑率,利用非Hertz滚动接触理论分析计算了锥型轮对和钢轨滚动接触斑作用力的分布.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,确定了轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力随轮对运动状态变化情况.数据结果为轮轨强度设计提供了重要的参考依据.     

轮径和轴重对轮轨接触特性的影响

本文基于三维弹性体非Hertz滚动接触理论、CONTACT程序和有限元法,针对LMa车轮踏面与CN60钢轨匹配问题,通过仿真分析不同轮径和轴重的车轮对轮轨蠕滑力、轮轨接触应力和轮轨滚动接触疲劳等的影响。结果表明,在相同轮对横移量和轮径条件下,轴重每增加1t,轮轨蠕滑力平均增加7%～8%,接触斑面积、接触压力和等效应力平均增加2%～3%;在相同轮对横移量和轴重条件下,轮轨接触斑面积随轮径增加而增加,轮轨接触压力、等效应力随轮径增加而降低,但变化幅度均较小。计算结果可为车辆轮径和轴重的选择提供参考依据。     

不同蠕化率的蠕墨铸铁滚动磨损性能研究

采用M-2000型摩擦磨损试验机,对不同蠕化率的蠕墨铸铁、灰铸铁和球墨铸铁在相同条件下进行滚动磨损试验,对比分析了蠕墨铸铁表面磨损形貌及其滚动磨损机理。结果表明,随着蠕化率的提高,蠕墨铸铁中石墨尺寸减小、分布更加均匀化,其硬度和耐磨性能呈下降趋势。蠕墨铸铁滚动磨损机理以表面疲劳磨损和剥层损伤为主,磨损表面出现层状结构剥落后留下的凹坑。蠕铁中石墨虽然具有自润滑作用,但是因其本身硬度较低,在循环接触应力下破碎,成为表面疲劳的裂纹源,反而加剧了磨损。蠕墨铸铁滚动磨损性能接近球墨铸铁,而优于灰铸铁。     

车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响分析

为探究车轮谐波磨耗对轮轨间蠕滑特性的影响,建立了4种不同轮轨关系下的车辆-轨道耦合动力学模型。基于多体动力学理论,以实测车轮谐波磨耗为依据,对比分析了4种模型的轮轨振动特性,得到最能反映真实情况的轮轨关系模型。基于柔性轮轨分析车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响,并进一步探究谐波磨耗下扣件刚度和速度对蠕滑特性的影响。结果表明:柔性轮下的振动响应要高于刚性轮,而刚性轨下的振动响应要大于柔性轨。其发生机理表现为柔性体的固有模态与谐波激励频率相近引发模态共振,使得柔性体的振动响应大于刚性体。对比分析结果表明多柔体更能反映轮轨真实接触状态;车轮谐波磨耗的阶次和幅值对柔性轮轨关系下的蠕滑特性影响显著,整体呈现出随阶次和幅值增大而增大的趋势,且高阶次下,幅值对蠕滑特性的影响更加显著。进一步发现扣件刚度对蠕滑特性的影响与速度呈现相关性,当速度低于250 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响并不显著,但仍呈现出随刚度增大而减小的趋势;当速度高于300 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响比较明显,呈现随刚度增大而增大的趋势。     

高速滚滑下轮轨表层材料的应变率水平估计

基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型,详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨（波长30 mm~170 mm）和宏观粗糙度（波长4 mm~30 mm）时钢轨表层0.25 mm~0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示：1）空间上,表层单元的应变率最大,时间上,表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程,且法向应变分量的应变率最大,其最值是Von Mises（V-M）等效应变率最值的1.50倍~1.86倍;2）网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响;3）采用0.5 mm网格和0.32 μs步长,平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s^-1,材料弹塑性无影响,波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s^-1和79.4 s^-1;采用0.25 mm网格和0.042 μs步长的结果约为上述值的1.65倍~1.88倍;4）最大V-M等效应变率随速度线性增加,随摩擦系数的增加而单调递增,牵引系数的影响可忽略。     

车轮阻尼及接触点位置对轮轨接触过程稳定性的影响

结合S形辐板辗钢整体车轮和60 kg/m钢轨的尺寸与性能要求,利用有限元法和模态试验法建立车轮高频振动模型,并在考虑钢轨断面变形和轨下结构影响的基础上建立钢轨高频振动模型。在改变轮轨接触点位置和车轮模态阻尼比的情况下对轮轨接触系统进行了稳定性分析。结果表明:节圆数为0的车轮模态对系统稳定性的影响最明显;增大横向蠕滑量会使轮轨接触系统容易发生不稳定,并且该蠕滑量在轮缘接触时的影响比在踏面时要大;接触点位置对接触系统稳定性的影响与轮轨偏向角及接触面摩擦系数的大小有关;增大车轮阻尼能明显减少接触系统不稳定频率的个数,并且在偏向角较大时,阻尼的作用对轮缘接触更明显。     

具有曲面接触斑弹性体滚动接触理论及其数值方法

该文基于了Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论模型,考虑滚动接触物体具有曲面接触斑,利用有限元法,推导出物体柔度系数,即力与位移之间的关系,将理论模型转化为数学上的非线性规划问题。结合拉格朗日乘子法,求解非线性方程组,从而得到接触斑力学行为。该模型是考虑曲面接触斑三维弹性体滚动接触理论模型,考虑了滚动接触物体的真实几何尺寸和接触区外边界因素对滚动接触行为的影响。为解决任何几何形状弹性体滚动接触问题提供了方法。该文主要对二维问题的数值模拟,所得数据结果较为合理。并结合商业有限元软件计算结果对静态问题进行对比验证,两种模型的分析结果吻合的较好。该文的模型和数值方法进一步完善后将适用于任意曲面接触斑滚动接触问题的求解。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

直线滚动导轨的Hertz接触建模及接触刚度的理论求解

直线滚动导轨是数控机床的重要功能部件,对导轨系统进行解析建模可以有效分析导轨的特性参数对导轨力学性能的影响。该文基于Hertz接触原理,对直线滚动导轨进行了Hertz接触建模及接触刚度求解。首先,推导了导轨系统中单个滚珠-沟槽的接触刚度解析表达式。在此基础上,系统地分析了滑块与导轨之间的变形关系,完成了整个导轨的法向接触建模。最后,以NSK直线导轨为对象,分别求解了单个滚珠及4种预紧力等级作用下整个导轨系统的接触刚度,并绘制了载荷-弹性变形以及刚度-弹性变形之间的关系曲线。进一步,利用所创建的模型,分析了外载荷及预紧力对导轨接触刚度的影响。     

弹塑性接触边界元法模拟轧制过程

本文用作者开发的弹塑性接触边界元法首次模拟轧制过程。轧辊为弹性体,轧件为弹塑性体,视轧制为有摩擦的弹塑性接触问题,用最少的假定模拟了轧制过程,为分析轧制过程提供了一个有效而精确的数值解法。     

矩形截面二次预应力组合梁结合面徐变应力分析

高速铁路桥梁对于徐变上拱度有着严格的限制.二次预应力组合梁结构既可以满足受力要求又可以减少徐变上拱,是一种值得推广应用的新型预应力结构.二次预应力组合梁由于施工工艺的原因,两期混凝土的恒载应力和龄期不同,徐变变形相互约束导致结合面上存在徐变引起的应力.用随龄期调整的弹性模量代替混凝土弹性模量,采用三角级数描述结合面应力...     

三维轧制问题接触应力的数值分析

本文采用修正刚塑性有限元法计算了三维轧制问题的接触应力,并分析和讨论了不同长高比时接触应力沿轧件纵向和横向的分布情况。计算结果与实验结果相吻合。     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明：CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。     

偏载状态下轧机轴承接触力学模型研究

该文针对板带轧制过程偏载工况下滚动轴承接触力学模型进行研究。建立了支承辊四列圆柱滚子轴承的Hertz理想接触模型、基于柔度矩阵法的轴承偏载接触力学模型。针对辊间不同载荷进行了模型数值求解,仿真模拟了理想及偏载接触过程。研究表明:偏载运行状态严重影响各列轴承载荷分布,15°~30°位置角的滚动体承载最大,最大接触应力呈“M”形分布;仿真结果与数值模拟结果吻合程度较好,误差不超过15%,且略小于数值求解结果,在实际工程应用范围内;随着轧制载荷的增大,轴承同一列上的总径向力不断增大,偏载程度越来越严重。研究为延长轴承使用寿命、保证轧机安全稳定运行提供理论依据,具有重要工程意义。     

多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和弹塑性变形分析

采用弹塑性有限元法,分析了多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和变形。多步载荷指的是钢轨同时受到机车和车辆车轮的反复作用或多趟列车通过钢轨。通过在钢轨表面重复移动Hertz法向压力分布和切向力分布来模拟车轮的反复滚动作用。材料循环塑性本构模型采用考虑材料棘轮效应的Jiang-Sehitoglu模型。分析结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形而形成波状表面;多步载荷对钢轨残余应力影响不大;随着机车车轮通过次数的增加,钢轨残余剪应变、表面材料位移、波深和残余累积等效塑性应变将增大,在机车车轮通过之后,随着车辆车轮通过次数的增加,前三个量将减小,而残余累积等效塑性应变继续增大,但其增大的速率变小。随着机车和车辆车轮反复滚过钢轨,钢轨残余剪应变、表面材料位移和波深变化速率即棘轮率呈衰减性。