关键词： 高温超导磁体   同步直线电机   轮轨交通   电磁力  

摘要： 为实现高速铁路列车突破600km/h的速度极限,本文提出了一种与现有轮轨交通兼容的高温超导同步直线电机方案,并通过有限元方法建立了高温超导同步直线电机的仿真模型.设计并制作了小型实验样机,其定子由三相铜绕组与硅钢材质的铁轭构成,使用二代高温超导材料YBCO带材绕制车载磁体.通过实验方法验证了模型的有效性,并用该模型研究了高温超导线圈回路电流、线圈匝数和气隙对电机推进力和法向力等电磁力特性的影响规律.本文的研究结果为高温超导同步直线电机在轮轨交通领域中的应用提供了可行性依据.

关键词： 地铁车辆   轮轨关系   钢轨波磨   车轮踏面   外形优化设计  

摘要： 轨道交通为缓解城市交通压力，方便城市居民出行，促进经济发展起到了重要作用。但地铁的运用维护也需要较大的代价，其中轮轨的磨损和养护占有较大的比率，钢轨的曲线磨损、钢轨的波浪型磨损、车轮不圆磨损等问题导致车轮的频繁镟修。　　本文以轮轨滚动接触的接触几何计算方法、力学分析主要理论及计算方法为基础进行分析和研究，并提出适用于对到交通车辆轮轨接触的计算方法。对上海地铁2号线科技馆站和江苏路站附近的踏面外形测量数据，对测量数据进行统计与分析。并对该线路段的钢轨波浪型磨耗进行测量，分析其波长和波深数值，统计波长分布范围。结合实验测试数据，进一步对钢轨波浪型磨耗产生机理进行研究分析。采用各种软件对部分关键元素进行了全方面的定性分析。针对上海地铁曲线上的轮轨系统问题，测量现有钢轨的横截面廓形，获得了统计钢轨廓形，应用‘利用轮径差函数及钢轨外形方法设计车轮踏面’优化车轮踏面外形，建立轨道交通车辆的动力学计算和仿真模型，模拟并对比不同踏面外形的动力学性能、轮轨接触性能等参数，从而实现对车轮踏面的优化。　　本文对8号线的曲线段钢轨波磨情况进行现场查看和测量，并对曲线内轨波磨的形成机理进行研究。为了研究哪些因素轮对粘滑振动的影响规律，本文对钢轨的横向定位刚度、轮轨间的粘着水平、弹性体的刚度、曲线半径等因素进行分析和研究。利用本文提出的基于‘以轮径差函数和钢轨外形设计车轮踏面的方法’优化踏面外形，多目标参数优化结果的目标型线间的差异较小，设计的车轮踏面型线与实测钢轨外形间的轮轨接触几何参数匹配度较高。为了研究不同踏面的过曲线安全性、磨损性能及振动舒适性能，对DT015踏面、LM型踏面和DIN5573踏面采用MATLAB的自编动力学程序进行分析和研究。在以相同速度通过不同半径曲线的线路时，新设计的DT015踏面车辆的曲线通过性能整体优于另外的LM型踏面和DIN5573踏面车辆。所研制的踏面外形经动力学分析，与现有车轮相比具有更好的曲线通过性能，也符合8号线镟轮机床的要求。

关键词： 小号码道岔   转辙器   轮轨接触   脱轨机理   准静态条件   动态条件  

摘要： 道岔是线路上的薄弱环节,其轮轨关系较区间线路更为复杂,导致道岔区的行车安全性更值得关注。特别是小号码道岔,由于其铺设条件及养修状态较正线道岔及高速道岔更为恶劣,车辆脱轨事故频发。本文在总结国内外车辆脱轨理论研究现状的基础上,基于轮对模型对小号码道岔转辙器区的脱轨理论开展了深入的研究,主要研究内容如下:1.转辙器区轮轨接触关系研究通过对尖轨轨头刨切过程的分析,推导了尖轨平面线型和尖轨降低值等设计参数与尖轨轨头水平刨切路径和垂直刨切路径之间的对应关系,建立了尖轨空间三维型面及尖/基轨组合型面的计算方法,并与目前普遍采用的型面插值法进行了对比,验证了本文所提出的计算方法的精确性。针对道岔转辙器区复杂的轮轨接触状态,通过对转辙器区进行划分,较为详细的阐述了转辙器区可能出现的轮轨接触情况;在迹线法的基础上,通过对车轮进行分区域划分,解决了转辙器区轮轨多点接触求解的难题。结合尖轨空间三维型面及尖/基轨组合型面的计算方法,编制了转辙器区轮轨接触几何计算程序,既可在静态及准静态条件下对不同横移量及摇头角下的轮轨接触状态进行分析,又可作为轮轨系统动力学模型中的子程序。2.准静态条件下轮对脱轨理论研究建立了三维条件下轮对的脱轨分析模型,推导了车轮三维脱轨系数限值和轮重减载率限值的计算方法;从理论和试验两方面,对比了Shen-Hedrick-Elkins蠕滑力模型、Polach蠕滑力模型和Fastsim简化蠕滑模型计算的轮轨法向力、蠕滑力及脱轨系数的差异,确定了以Shen-Hedrick-Elkins蠕滑理论为基础的脱轨安全限值求解方法;研究了轮对摇头角(冲角)、摩擦系数、最大轮轨接触角和静轮重等因素对脱轨系数限值和轮重减载率限值的影响规律。3.准静态条件下转辙器区行车安全限值研究运用转辙器区轮轨接触几何算法及轮对准静态脱轨理论,分析了轮对在转辙器不同断面位置处脱轨过程中的轮轨接触几何关系特征,指出车轮在转辙器区脱轨过程中可能存在两次爬轨过程,并根据轮轨接触几何关系结果对转辙器二维条件和三维条件下的脱轨安全限值进行了研究。4.转辙器区轮对动态脱轨行为研究建立了适用于转辙器区动态脱轨分析的弹性定位轮对动力学仿真模型,采用将求解轮轨法向弹性压缩量转化为求解轮轨垂向相对位移的方法,实现了对轮轨接触及分离状态的判别,更适用于轮对动态脱轨的仿真分析。对轮对侧逆向和侧顺向通过转辙器时的动态脱轨行为进行了仿真研究,结果表明,轮对侧逆向通过转辙器时,车轮在尖轨顶宽5mm0mm范围内容易爬上尖轨;而轮对侧顺向通过转辙器时的爬轨点则位于尖轨顶宽5mm前的基本轨上,即车轮的爬轨过程是在基本轨上完成的。由此造成轮对侧逆向通过转辙器时脱轨风险要明显高于侧顺向通过转辙器的情况,因此应特别注意防范轮对侧逆向通过转辙器时脱轨的发生。5.小号码道岔转辙器行车安全性提升技术对小号码转辙器区的行车安全性限值与我国现行的行车安全性评价指标限值进行了对比,表明我国现行车辆安全性评价指标限值在尖轨顶宽5mm5mm范围内并不适用。考虑到对小号码转辙器区制定专门的评价指标限值并不现实,以此确定了从岔前平面线型和尖轨降低值优化两个方面对小号码道岔转辙器区行车安全性进行提升的技术路线,并以5号单开道岔为例进行了相关研究。

关键词： 桥式起重机   轮轨接触   轨道断裂   连接挡板  

摘要： 某钢厂450t桥式起重机属于重载设备，在工作时出现支撑结构形状及其位置的变化，由此会使车轮和轨道接触异常导致轨道受力异常。在吊车运行时，伸缩缝一方面由于尺寸变化产生应力集中。另一方面，当整个重型起重机的载荷作用到轨道伸缩缝时，现场均出现此处强度不足现象。但现场两条轨道之间的伸缩缝是由一块传统的矩形板块连接，远远不能满足重载要求，导致此处是最薄弱环节所在。因此断裂部位也主要集中于伸缩缝部分轨道接头截面变化处。本文利用有限元方法以450吨桥式起重机系统结构为研究对象其对轮轨接触状态进行全面的分析研究，主要研究内容包括以下几点：　　(1)结合起重机轨道接头断裂问题的研究现状进行针对性的理论分析，对轮轨接触的受力进行分析。运用经典力学理论建立物理模型，分别施加结构在车轮运动经过不同轨道连接接头下的外载荷进行计算。　　(2)对车轮和轨道结构、运行机构和支撑结构的有限元分析模型依据要求以及相关设计图纸，使用空间建模软件Solidworks建立。为了解决车轮在不同轨道接头处时的运动规律以及应力变化，利用现场实际的测量数据并且运用有限元软件ANSYS对比分析。　　(3)提出创新型挡板的概念，加大挡板和轨道之间的装配强度。对新结构的受力分析以及有限元仿真，都给出轨道之间的连接方式，解决由于挡板问题及轨道截面变化导致的轮轨异常接触。　　本文对在车轮经历不同轨道连接方式时的应力变形分析以及大车运行机构的强度刚度进行了有限元分析。依据轨道不同连接方式下车轮和轨道接触应力的改变情况以及关于运行机构的强度和刚度的改变状态，分析出了每种情况下的薄弱环节并提出了相应的改进措施，为轨道端头连接处的断裂分析提供了理论依据和解决措施。

关键词： 磁流变阻尼器   联合仿真   轮轨冲击力   控制策略  

摘要： 中国高铁以其舒适高效闻名于世,随着列车速度提高,轮轨相互作用加剧,列车振动加剧难以避免。高速列车横向振动对乘车舒适性的影响较大,车体横向减振的研究一直是国内外的热点问题。目前被动液压减振器以其结构简单,成本低廉等优势被广泛应用于列车二系悬挂的横向减振,但被动减振器是对线路情况综合调研后的折中选择,对多变的振动适应性较差;主动减振器根据激励变化及时做出反应,灵敏高效,但其耗能巨大,稳定性也较差;半主动减振器既具备主动减振器可控的性质,也具备被动减振器结构稳定的特点,目前已广泛应用于工程领域。在各种半主动减振器中,磁流变减振器以其结构简单,安全性高,响应迅速,能耗微小等优点近年来在列车减振领域发展迅猛。乘客对列车横向振动加剧的感知远大于垂向振动,列车二系悬挂横向磁流变减振器由控制策略控制输出力,控制策略的引入可有效控制列车横向振动,但与此同时却有可能加剧转向架与轮对的横向振动,如天棚阻尼控制策略。钢轨的磨耗伤损与轮轨接触状况密切相关,而且当单侧轮重减载过大时,极小的轮轴横向力也可导致车轮脱轨。列车二系悬挂横向半主动磁流变阻尼器的使用是否会加剧轮轨接触,对行车安全与钢轨维护带来不利影响值得探讨。本文首先在Simulink中建立磁流变阻尼器的参数化模型(即Dahl模型),在Simulink中模拟万能试验机对磁流变阻尼器的正弦加载,得到其阻尼力的动态特征,并与实验室万能试验机对磁流变阻尼器的动态测试结果进行对比,以此验证磁流变阻尼器参数化建模的正确性;其次基于Simpack-Simulink建立单自由度K-V交互模型,并与利用Simpack自带力元建模的单自由度K-V模型进行对比验证,说明Simpack-Simulink交互平台的正确性;然后在Simpack中建立高速列车动力学模型,并利用Simpack-Simulink交互平台实现可控磁流变二系横向减振器的建模,最后分别对在二系悬挂安装有被动减振器与可控磁流变减振器高速列车进行不同工况下的对比分析,探究磁流变阻尼器对轮轨冲击力的影响。结果表明:高速列车二系悬挂加装天棚磁流变减振器后,轮轨接触力虽然在时域上没有明显变化,但经过三分之一倍频处理后,可明显看出:中心频率5Hz以下轮轨接触得到有效抑制,在中心频率4Hz到80Hz范围内轮轨接触会加剧轮轨接触,在中心频率125～630Hz的高频范围内,在天棚半主动磁流变阻尼器作用下轮轨横向接触力明显大于液压减振器,高频轮轨冲击力加剧可能会对钢轨正常服役产生不利影响。

关键词： 高速电梯   耦合振动   非线性   随机参数   风致振动  

摘要： 伴随着高层、超高层建筑的不断涌起,电梯朝着高速、超高速方向发展已是大势所趋。高速电梯由于运行速度加快,会带来更加强烈的振动问题,严重影响电梯的运行安全和乘客乘坐舒适性。因此,探究高速电梯的振动响应机理对其设计、制造和安装环节均具有理论指导意义。在高速状态下,轿厢、导靴、导轨三者各自振动又互为约束,构成了轿厢-导靴-导轨耦合系统。由于制造误差和安装误差等给高速电梯所带来的随机参数和随机激励日渐突出,传统的确定性结构动力学分析方法已不能满足分析要求。此外,高速电梯大多应用在高层以及超高层建筑中,超高层建筑是一种典型的风敏感结构,其风致振动效应必然带来固定于其上的导轨的振动响应,因此,考虑超高层建筑风致振动响应的影响对高速电梯的理论建模提出了要求。另一方面,导轨和导靴滚轮是导向系统的主要组成部件,轮轨非光滑界面接触本构关系直接影响着高速电梯的动力学响应。因此,详细分析各随机性因素及超高层建筑风致振动对高速电梯耦合系统振动响应的影响,进行轮轨界面接触机理的研究以建立更加接近实际的分析方法,对高速电梯乘坐舒适性的提升具有积极意义。主要研究内容及成果如下:(1)根据Bernoulli-Euler理论建立了导轨的强迫振动微分方程,利用达朗贝尔原理分别建立起滚轮、轿厢的振动方程,通过它们间作用力与相对位移间的关系,最终建立起导轨-导靴-轿厢耦合系统振动模型。采用振型叠加法求解偏微分耦合系统数学模型,在分析导轨长度、导轨单位长度质量和导轨抗弯刚度三个导轨结构参数与导轨尺寸参数间关系的基础上,得出各结构参数对导轨动力特性的影响规律。计算结果表明,导轨的抗弯刚度主要影响导轨的振动挠度,导轨的单位长度质量主要影响导轨的颤动,导轨的长度对导轨的振动挠度和颤动均有显著影响。(2)高速电梯向大载重量、大提升高度及高速度的方向发展,必然加剧电梯在运行过程中轮轨间的非均匀磨损及超高层建筑风致振动对耦合系统动力学行为的影响。鉴于此,运用模型等效的方法,将轮轨磨损参数引入到所构建的高速电梯耦合系统动力学模型中,并首次引入建筑结构学中超高层建筑风致振动相关理论,运用变量离散下的逐步积分法,探究了轮轨磨损参数及超高层建筑风致振动对高速电梯耦合系统水平振动的影响规律。算例结果表明,为使电梯获得比较满意的动态舒适性,应严格控制滚轮表面不平度并防止由于滚轮不圆度过大造成的轿厢振动加剧;对于导轨支架松动问题,应避免几个连续导轨支架同时松动所造成的轿厢振动瞬间加剧现象。(3)针对高速电梯在制造、安装过程中客观存在的导轨结构参数随机性问题,在所建立的导轨-导靴-轿厢耦合动力学模型基础上,通过随机摄动理论将导轨动力响应表示为确定部分和随机部分,并导出各自的表达式。求解耦合系统导轨随机响应表达式并进行泰勒展开,然后比较各参数随机部分系数以推导出各随机参数对导轨动力响应灵敏度表达式。根据耦合系统响应灵敏度矩阵、位移响应协方差矩阵和随机参数协方差矩阵得到导轨动力响应的标准差特性并分析出各参数对响应的影响程度。算例结果表明,导轨的振动加速度响应对导轨的长度参数最为敏感,导轨的振动位移响应对导轨的弹性模量敏感度最小。(4)根据高速电梯滚动导靴的材料特性以及与导轨的非光滑界面接触关系,结合Hertz接触理论和界面力学理论推导出侧面滚轮与导轨侧面以及顶面滚轮与导轨顶面间的界面接触本构关系,建立起轮轨非光滑界面接触本构模型,进一步完善导轨-导靴-轿厢耦合动力学模型。(5)借助课题组合作公司—山东富士制御电梯有限公司现有120m电梯试验塔,搭建了高速电梯耦合系统水平振动试验平台。针对公司FJK-X-8000型7m/s高速电梯应用所建耦合系统模型进行仿真计算,得到水平振动加速度响应曲线;然后在水平振动试验平台上,采用DT-4A电梯加速度测试仪,对FJK-X-8000高速电梯进行水平加速度实梯试验;通过分析仿真计算结果和实梯试验数据典型数字特征,验证了文章耦合系统模型、轮轨界面接触机理及算法的正确性。

关键词： 高速铁路   轮轨粗糙度   振动噪声   模态分析   声辐射  

摘要： 随着高速铁路大规模的建设和运营,噪声影响问题日益突出,系统开展高速铁路噪声控制技术研究已迫在眉睫。轮轨粗糙度是影响轮轨噪声的重要因素,并且影响车轮镟修和轨道养护。国外在轮轨粗糙度试验研究及仿真方面早已开展了大量的工作,并制定了欧洲的轮轨粗糙度限值谱。而我国在轮轨粗糙度测量及对噪声影响的研究方面起步较晚,缺乏大量系统性试验数据,并且没有适用于我国轨道及车轮的粗糙度限值谱。本文针对以上背景进行的研究及获得的主要结论如下:(1)总结国内外轮轨噪声及轮轨粗糙度研究现状。对轮轨振动和声辐射计算涉及到的结构振动学理论、模态分析理论和基于边界元的声辐射理论进行阐述。建立了轮轨垂向激励模型,对轮轨接触刚度特性和轮轨接触滤波特性进行了分析。(2)介绍车轮粗糙度测试设备及方法,对国内主典型动车组车轮粗糙度进行测量与统计分析,研究不同车辆在不同工况下的车轮粗糙度频谱特性。测试结果表明:镟修可以有效降低车轮短波段(30mm以下)粗糙度水平。车轮总体粗糙度水平受各个波段粗糙度水平的综合影响,一个镟修周期的不同时段主导波段不同。同时,风沙等极端天气对轮轨粗糙度也会产生显著影响。根据对多列动车组车轮镟修前后多个周期表面粗糙度的跟踪测试结果,参照BS EN ISO 3095:2005《铁路专用标准-声学-轮轨系统引起的噪声测量》标准,结合轮轨辐射噪声仿真计算,初步给出了我国动车组车轮表面粗糙度限值谱建议值。(3)介绍轨道粗糙度测试设备及测试方法,对国内主要高速铁路干线钢轨粗糙度进行长期跟踪测量与统计分析,得出不同线路区段的轨道表面粗糙度水平。并对多条干线进行了钢轨振动模态测试及钢轨动态衰减特性分析。对不同地区的钢轨粗糙度进行统计分析表明:华中地区短波段(63 mm以下)轨道粗糙度水平较低,华东地区中长波段(100 mm以上)轨道粗糙度水平较低。根据对多条线路多个打磨周期轨道粗糙度的跟踪测试结果,参照BS EN ISO 3095:2005《铁路专用标准-声学-轮轨系统引起的噪声测量》标准,结合轮轨辐射噪声仿真计算,初步给出了我国钢轨粗糙度限值谱建议值。(4)建立车轮有限元模型并通过车轮模态分析得到车轮的固有频率及振型。采用模态叠加法进行车轮频响计算,得出名义接触点处施加单位力径向激励下,车轮的踏面径向响应、轮辋轴向响应和轮辐轴向响应。并基于轮轨噪声模型,采用直接边界元法求解车轮外声场的声辐射特性,分析轮轨粗糙度对轮轨辐射噪声的影响,为车轮粗糙度限值谱和轨道粗糙度限值谱制定提供了依据。

关键词： 弹性车轮   等效刚度   动力学模型   轮轨磨耗   黏滑振动   刚柔耦合  

摘要： 随着我国交通事业的快速发展,城市轨道交通凭借其快捷、舒适、运量大、污染小及占地少等优点,日益成为城市现代化建设中的重要基础设施。但轮轨系统产生的噪声与振动对铁路沿线环境造成了较大的影响,弹性车轮在轮芯与轮箍之间装有带有阻尼特性的橡胶元件,能够有效地降低轮轨噪声与振动。弹性车轮由于结构中存在如接触非线性、橡胶材料非线性等众多非线性因素,给其分析研究带来了诸多不便。鉴于此,论文以某压剪复合型弹性车轮为研究对象,围绕着弹性车轮等效刚度、动力学性能、轮轨磨耗、纵向振动及动态特性展开研究。橡胶元件是影响弹性车轮性能的关键部件。通过对压力试验机获得的橡胶元件载荷-挠度曲线与有限元分析结果的对比,得到橡胶材料本构模型参数,并利用该参数对弹性车轮的性能进行分析。根据刚度矩阵、质量矩阵求解弹性车轮的振动模态,当频率大于250 Hz时,弹性车轮的振型主要由轮芯或者轮箍的振型决定,且弹性车轮振动频率与轮芯或轮箍的振动频率基本一致;当频率小于250 Hz时弹性车轮的振型表现为橡胶材料的变形。弹性车轮等效刚度直接影响弹性车轮的动力学性能,研究了橡胶元件预压缩量、材料参数、环境温度对弹性车轮等效刚度的影响。使用金属材料双线性随动强化弹塑性模型研究弹性车轮橡胶元件对轮轨接触关系的影响,弹性车轮轮轨接触面积较刚性车轮轮轨接触面积增加了17.4%,最大接触压力降低了3.5%,轮轨最大von Mises等效应力降低了3.4%。弹性车轮能够降低转向架的整体刚度,将会对车辆动力学性能造成一定的影响。以国内自主研发的70%低地板有轨电车为研究对象,在弹性车轮传统模型的基础上提出弹性车轮6自由度复合模型。采用一种基于代理模型及遗传算法的优化方法研究弹性车轮等效刚度与转向架悬挂参数的最优匹配关系,并证明该方法在车辆动力学分析中的可行性。结果表明弹性车轮车辆的横向平稳性要优于刚性车轮,非线性临界速度相对于刚性车轮降低了6.6%。通过曲线时轮轴横向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数弹性车轮均有不同程度的降低。弹性车轮轴向刚度及偏转刚度增加对曲线通过性能有利,等效刚度变化对车辆平稳性基本无影响。弹性车轮能够降低轮轨动作用力,从而减轻轮轨磨耗。为了定量研究弹性车轮的磨耗问题,基于Archard模型建立了弹性车轮踏面及钢轨型面的磨耗预测模型。研究线路条件、弹性车轮等效刚度对弹性车轮磨耗性能的影响。对于弹性车轮磨耗性能的分析可知,线路条件越差,弹性车轮相对于刚性车轮的减磨效果越明显。对于半径为500 m曲线外侧弹性车轮的减磨效果最佳,磨耗降低比率明显高于曲线半径为100 m和200 m的情况,这主要是由于曲线半径小,运行速度低,轮缘与钢轨始终接触振动较小造成的。运行弹性车轮的轨道最大累积磨耗量比运行刚性车轮的轨道最大累积磨耗量降低了33%。诸多学者在刚性车轮的纵向振动方面做了大量的研究,但弹性车轮纵向振动方面的问题长期未受到关注。论文根据不同工况的黏滑特性建立基于Polach理论与Fastsim理论的弹性车轮纵向振动动力学分析模型,分别研究弹性车轮在起动工况、低黏着高速运行、高速考虑黏滑曲线负斜率特性工况以及惰行工况下纵向振动的规律及影响因素。在起动工况时,弹性车轮振动比刚性车轮振动更加剧烈,且弹性车轮在黏着极限时的滑动远大于非黏着极限时。在低黏着高速运行时,由于轮轨作用力的频率和幅值增加,当增加到一定程度激起了轮芯相对于轮箍的大幅振动,使弹性车轮产生共振。高速考虑黏滑曲线负斜率特性工况下随着驱动力矩的减小车轮恢复黏着时间减少。在惰行工况下提高一系定位纵向阻尼是抑制弹性车轮纵向振动的有效合理方法。弹性车轮黏滑振动对构架的振动产生一定的影响,但弹性车轮振动对车体的振动影响不大。轮对弹性变形将会对轮轨接触点和蠕滑率造成一定的影响,建立考虑轮轨弹性接触的刚柔耦合弹性车轮及刚性车轮动力学模型,对弹性车轮的动态特性进行研究。曲线工况时弹性车轮的名义接触点的弹性横移量约为刚性车轮的两倍,纵向蠕滑率曲线外侧弹性车轮大于刚性车轮,曲线外侧弹性车轮轮轨横向力比刚性车轮降低了7.5%。通过正弦激励时,弹性车轮轮轨名义接触点弹性垂向变形为刚性车轮的数十倍,大的弹性变形能够缓和轮轨刚性冲击降低车轮振动加速度,轴箱的振动加速度降低了29%。

关键词： 轮轨关系   非Hertz接触   法向接触   切向接触   多点接触   车轮凹形磨耗   滚动接触疲劳   钢轨磨耗  

摘要： 相对于传统普通铁路,高速铁路轮轨动力相互作用对轮轨关系的变化更加敏感,轮轨磨耗导致的轮轨接触几何变化在高速行车的条件下可能会显著改变车辆-轨道耦合动力学性能,对行车安全性、稳定性和舒适性造成极大威胁。与此同时,高速行车给轮轨材料带来了更大的挑战,轮轨材料的劣化、损伤随着高速铁路运营时间的增加逐渐暴露出来。因此,有必要研究高速轮轨相互作用机制,探讨轮轨磨耗和损伤演变规律。轮轨接触理论是研究轮轨动力相互作用的基础,轮轨非Hertz接触理论可以更好的解释轮轨动态相互作用原理。鉴于此,本文考虑到现有轮轨非Hertz接触理论在动力学计算中的不足,提出了一种新的适用于轮轨动力学计算的非Hertz接触算法,基于非Hertz接触原理研究了高速轮轨动力相互作用以及轮轨材料磨耗、损伤的基本特征。首先,系统的研究了可用于轮轨动力相互作用以及轮轨磨耗计算的常用轮轨法向接触算法,包括Hertz接触理论、三种基于虚拟渗透的非Hertz接触算法(Kik-Piotrowski方法、半Hertz接触算法以及ASD方法)以及Kalker完全理论。基于Kalker完全理论和NORM算法编制了S-CONTACT软件法向接触模块,利用Hertz接触理论结果以及CONTACT软件的计算结果验证了S-CONTACT软件的正确性。将S-CONTACT软件的计算结果作为标准,探讨了现有的Hertz接触和基于虚拟渗透的非Hertz接触简化算法在动力学计算中存在的问题。基于Kik-Piotrowski方法的思想提出了一种更稳健的非Hertz接触算法(MKP方法),通过与S-CONTACT软件和Kik-Piotrowski方法在计算典型的Hertz接触、典型的两点接触、标准轮轨踏面接触和磨耗轮轨踏面接触三种计算工况时计算结果的对比验证了MKP模型。结果表明:MKP方法在计算精度和计算稳定性方面都优于Kik-Piotrowski方法,但是计算效率略低于Kik-Piotrowski方法;相对现有的非Hertz法向接触算法,MKP方法更适合于实时的轮轨动态非Hertz接触分析。其次,介绍了常用的轮轨切向接触算法,包括Kalker线性理论、Shen–Hedrick–Elkins理论、Kalker简化理论、FaStrip算法以及Kalker完全理论。基于Kalker完全理论TANG算法和ConvexGS算法编制了S-CONTACT软件切向接触模块,并用Kalker线性理论以及CONTACT软件的计算结果验证了S-CONTACT软件切向接触求解模块的正确性。以S-CONTACT软件计算结果作为标准,分析了非Hertz接触斑的四种等效椭圆方式对非Hertz线性蠕滑系数的影响,对比了FASTSIM和FaStrip算法的选取对轮轨切向接触精度的影响。对比结果表明:使用MKP方法计算轮轨法向接触,使用Kik-Piotrowski方法中等效椭圆的方法计算系数C以及柔度系数L,同时使用FaStrip计算轮轨切向接触可以得到与S-CONTACT软件相对接近的计算结果,适合于车辆-轨道耦合动力学计算。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑轮轨非Hertz接触的高速车辆-无砟轨道耦合动力学模型。提出了考虑轮对摇头影响的MKP轮轨非Hertz接触模型,以满足动力学计算对轮轨接触的要求;发展了步进式窗口算法,以满足高效、快捷的模拟车辆在无限长轨道上运动的要求。基于上述动力学模型以及轮轨非Hertz动态相互原理编写了仿真计算软件TTAP(动力学模块);利用多体动力学软件SIMPACK和相关文献结果验证了TTAP软件计算结果的正确性和可靠性。接着,探讨了高速动车组车轮磨耗的主要形式——踏面凹形磨耗的形成原因及其与钢轨接触时的静态、动态相互作用特征。通过与无磨耗车轮的对比,分析了车轮凹形磨耗在轨道随机不平顺激扰和焊缝不平顺激扰下对轮轨垂向力和轮轨横向力的影响。此外,基于安定图和损伤函数研究了车轮凹形磨耗对车轮滚动接触疲劳的影响。结果表明:车轮凹磨会显著改变轮轨接触关系,当凹磨深度较小时会形成共形接触,凹磨深度较大时会在凹磨中心两侧形成两点接触;相对于无磨耗车轮,车轮凹磨在轨道随机不平顺激扰下对轮轨力的影响不大,但是由于车轮凹磨会形成轮轨接触刚度增大的区域,在特定情况下会对通过焊缝时的轮轨力造成较大影响;踏面凹磨会对滚动接触疲劳产生直接影响,特别是对于凹磨严重的车轮可能会在凹磨中心外侧产生疲劳斜裂纹。最后,提出了一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨非均一磨耗演化预测模型。模型中利用考虑轮轨非Hertz接触的车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动力相互作用;利用S-CONTACT进行局部的轮轨滚动接触分析,利用Sheffield大学开发的磨耗模型计算钢轨材料磨耗;根据钢轨服役特点,发展了一套采样和叠加策略以得到特定横断面的钢轨磨

关键词： 轮轨关系   磨耗   剥离   试验研究   有限元  

摘要： 轮轨磨耗及剥离问题会导致其服役寿命严重降低,随着铁路的高速重载化发展,轮轨磨耗及剥离所造成的破坏变得越来越严重,不仅大大增加了铁路的运营成本,而且会直接危害行车安全,因此针对轮轨磨耗及剥离开展深入研究具有重要的意义,针对某些具体轮轨损伤的研究方法,对于全面深入地分析其他种类损伤具有借鉴意义。本文采用数值计算与试验相结合的方法,对标准及磨耗后轮轨型面接触性能进行了计算分析,为了探讨多种第三介质对于轮轨接触性能的影响作用,进行了相关的试验研究;利用轮轨接触试验台针对机车车轮踏面剥离问题开展了试验研究,分析剥离的形成机理,并针对现场车轮剥离问题提出了改进方案,随后对执行相应改进措施后的车轮服役性能进行了跟踪测试,验证了研究结论的正确性。本文的主要研究内容和成果包括:（1）对现场轮轨型面进行实测,获得标准及磨耗后轮轨型面,应用有限元参数二次规划法建立三维轮轨弹塑性接触计算模型,对轮轨接触问题进行模拟计算,对比分析了标准及磨耗后轮轨型面接触性能随轴重及车轮横移量的变化规律。搭建了轮轨接触试验台,并于现场真实车轮及钢轨切取轮轨试件,进行多工况轮轨接触试验。试验与数值计算取得了一致的结果,磨耗后轮轨型面接触所得接触斑面积较标准型面更大,车轮接触应力及变形量更小。（2）针对水、油、砂等介质,进行了存在第三介质情况下的轮轨接触试验,分析了各种第三介质对于轮轨最大静摩擦系数及踏面损伤的影响规律。试验发现:相比于轮轨表面干燥清洁的情况,在接触面内存在水和油的情况下,轮轨最大静摩擦系数有很大的降低;在干燥、潮湿和有油的情况下,撒砂均可以显著提高轮轨最大静摩擦系数;河砂的增粘效果优于石英砂,但其造成的车轮踏面擦伤程度也远高于石英砂。（3）采用取样于现场的车轮及砂作为样本,进行撒砂试验,分析车轮硬度及增粘砂对于踏面剥离的影响规律。分析试验结果得出,石英砂不会造成车轮踏面形成麻点和鱼鳞状剥离;采用某些种类河砂作为增粘介质会导致车轮踏面出现麻点和剥离现象;对比分析各种增粘砂的属性及参数后得出,砂受碾压后的形态是主导因素,砂的摩擦系数、外形尺寸及粒度均匀性对于麻点有重要影响,砂粒硬度与车轮麻点状损伤程度之间的关系不明显;车轮表面硬度越低,麻点状损伤深度越大。（4）在试验台上再现了车轮踏面麻点及鱼鳞状裂纹,对出现裂纹的试件进行了微观组织分析,发现裂纹周边区域存在严重的塑性变形,裂纹根部组织存在褶皱现象,裂纹由褶皱组织周围形核扩展而成,得出车轮踏面的剥离机理如下,由于河砂受碾压后形态不良,于轮轨间存在厚度可观的砂饼,导致车轮表面发生严重的塑性变形,进而出现麻点状损伤;河砂反复作用后,车轮表层材料发生塑性变形累积效应,最终形成鱼鳞状剥离。即,河砂是导致车轮踏面出现麻点和鱼鳞状剥离的主要原因。（5）对现场机车车轮踏面剥离问题进行了调研测试,发现现场情况与试验所得结果高度吻合,根据研究结果提出了采用石英砂增粘的方案,运用部门据此更换了增粘砂,随后对车轮服役性能进行了跟踪测试,发现剥离问题得到了根本解决,验证了本文研究结论的正确性和工程实用性。