車輛曲線通過(guò)時(shí)輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸行為分析.pdf

1、隨著列車提速、軸重增加以及城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，曲線段鋼軌損傷逐漸增多，因此求解曲線段輪軌接觸問(wèn)題變得愈發(fā)緊迫。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用有限元等數(shù)值手段求解輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸問(wèn)題變得可行。采用有限元法求解曲線段問(wèn)題，文獻(xiàn)中多采用靜態(tài)建模的求解思路，且常采用半輪對(duì)、直線軌道等建模以減小模型規(guī)模，通過(guò)施加不同的橫移和沖角等，來(lái)近似模擬分析車輪曲線通過(guò)時(shí)的某些特性。本文旨在建立更為完善的模擬曲線通過(guò)的顯式有限元模型，在時(shí)域內(nèi)研究車

2、輛的曲線通過(guò)行為，最終達(dá)到解決曲線段輪軌損傷等問(wèn)題的目標(biāo)。
　　基于我國(guó)某地鐵系統(tǒng)，本文采用ANSYS/LS-DYNA建立了考慮全輪對(duì)的曲線段三維輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型，時(shí)域內(nèi)數(shù)值重現(xiàn)了單輪對(duì)曲線通過(guò)過(guò)程。模型引入了輪軌三維幾何，可充分考慮不同縱、橫向和自旋蠕滑條件下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和連續(xù)體振動(dòng)。利用建立的有限元模型詳細(xì)分析了光滑接觸表面下不同曲線通過(guò)工況的瞬態(tài)接觸解，對(duì)比分析了曲線半徑、運(yùn)行速度、輪對(duì)橫移、牽引力和摩擦系數(shù)等對(duì)

3、瞬態(tài)輪軌接觸行為的影響，尤其關(guān)注了軌頭摩擦功（或磨耗）隨不同工況的變化。
　　光滑輪軌接觸表面的計(jì)算結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)通過(guò)不同半徑軌道時(shí)，隨著軌道半徑減?。ㄓ芍本€軌道減小為300m半徑曲線軌道），輪對(duì)由于橫移增大，受到的曲線通過(guò)力矩增大，外軌磨耗增大，內(nèi)軌磨耗減小，左、右軌磨耗差異增大;曲線通過(guò)速度稍大于平衡超高對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度時(shí)，有利于減緩曲線段內(nèi)、外軌的磨耗;曲線通過(guò)輪對(duì)橫移(變化范圍為0-8mm)過(guò)大，會(huì)顯著提高外軌的各向接觸力、

4、接觸應(yīng)力和摩擦功，加劇外軌的磨耗與損傷;過(guò)大的牽引系數(shù)（變化范圍為0-0.3）將導(dǎo)致內(nèi)、外軌的磨耗增加，且牽引系數(shù)越大，內(nèi)、外軌磨耗差異越大;無(wú)牽引扭矩時(shí)，內(nèi)軌軌頂潤(rùn)滑可降低內(nèi)外軌磨耗，但在大牽引扭矩情況下，由潤(rùn)滑導(dǎo)致的低摩擦系數(shù)反而會(huì)加劇內(nèi)外軌磨耗。
　　把某地鐵線路曲線段存在的波長(zhǎng)40mm和160-200mm波磨引入到本文建立的有限元模型，對(duì)曲線段鋼軌波磨處的瞬態(tài)接觸解進(jìn)行了系統(tǒng)分析，著重研究了一股鋼軌波磨對(duì)另一股鋼軌瞬態(tài)接觸

5、解的影響?？紤]到地鐵實(shí)際，分析中考慮的速度范圍為30-70km/h。波長(zhǎng)40mm波磨的結(jié)果表明:若波磨發(fā)生在外軌，波磨側(cè)的輪軌動(dòng)態(tài)作用在30km/h和70km/h速度時(shí)，比40-60km/h速度更易引起無(wú)波磨側(cè)鋼軌的不均勻磨損;若發(fā)生內(nèi)軌，速度在40-50km/h時(shí)不易引起無(wú)波磨側(cè)的不均勻磨損;對(duì)比波磨發(fā)生在內(nèi)、外軌的情況，發(fā)現(xiàn)同樣條件下，波磨發(fā)生在外軌時(shí)，無(wú)波磨側(cè)的摩擦功波動(dòng)幅值稍小。波長(zhǎng)160mm波磨的結(jié)果表明:在40km/h時(shí)無(wú)波

6、磨側(cè)的不均勻磨損達(dá)到最大，但發(fā)生在外軌時(shí)所引起的無(wú)波磨側(cè)鋼軌切向力和摩擦功的波動(dòng)遠(yuǎn)大于發(fā)生在內(nèi)軌時(shí)，即更易引起無(wú)波磨側(cè)鋼軌的不均勻磨損。
　　引入了采用高應(yīng)變率試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的考慮應(yīng)變率影響的輪軌彈塑性本構(gòu)模型，本文也研究了輪軌材料投入使用初期的曲線通過(guò)行為及瞬態(tài)接觸解。結(jié)果顯示，同載荷條件下，彈塑性工況下的輪軌接觸斑較彈性工況（即材料安定后）要大，但法、切向接觸應(yīng)力的最大值較小，其根本原因是塑性變形使得輪軌幾何的吻合度增加。另外，彈