車輛曲線通過時輪軌瞬態(tài)滾動接觸行為分析.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題變得愈發(fā)緊迫。近年來，計算機技術(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)滾動接觸問題變得可行。采用有限元法求解曲線段問題，文獻中多采用靜態(tài)建模的求解思路，且常采用半輪對、直線軌道等建模以減小模型規(guī)模，通過施加不同的橫移和沖角等，來近似模擬分析車輪曲線通過時的某些特性。本文旨在建立更為完善的模擬曲線通過的顯式有限元模型，在時域內(nèi)研究車

2、輛的曲線通過行為，最終達到解決曲線段輪軌損傷等問題的目標。
　　基于我國某地鐵系統(tǒng)，本文采用ANSYS/LS-DYNA建立了考慮全輪對的曲線段三維輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型，時域內(nèi)數(shù)值重現(xiàn)了單輪對曲線通過過程。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)振動和連續(xù)體振動。利用建立的有限元模型詳細分析了光滑接觸表面下不同曲線通過工況的瞬態(tài)接觸解，對比分析了曲線半徑、運行速度、輪對橫移、牽引力和摩擦系數(shù)等對

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算結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)通過不同半徑軌道時，隨著軌道半徑減?。ㄓ芍本€軌道減小為300m半徑曲線軌道），輪對由于橫移增大，受到的曲線通過力矩增大，外軌磨耗增大，內(nèi)軌磨耗減小，左、右軌磨耗差異增大;曲線通過速度稍大于平衡超高對應(yīng)的運行速度時，有利于減緩曲線段內(nèi)、外軌的磨耗;曲線通過輪對橫移(變化范圍為0-8mm)過大，會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;無牽引扭矩時，內(nèi)軌軌頂潤滑可降低內(nèi)外軌磨耗，但在大牽引扭矩情況下，由潤滑導(dǎo)致的低摩擦系數(shù)反而會加劇內(nèi)外軌磨耗。
　　把某地鐵線路曲線段存在的波長40mm和160-200mm波磨引入到本文建立的有限元模型，對曲線段鋼軌波磨處的瞬態(tài)接觸解進行了系統(tǒng)分析，著重研究了一股鋼軌波磨對另一股鋼軌瞬態(tài)接觸

5、解的影響。考慮到地鐵實際，分析中考慮的速度范圍為30-70km/h。波長40mm波磨的結(jié)果表明:若波磨發(fā)生在外軌，波磨側(cè)的輪軌動態(tài)作用在30km/h和70km/h速度時，比40-60km/h速度更易引起無波磨側(cè)鋼軌的不均勻磨損;若發(fā)生內(nèi)軌，速度在40-50km/h時不易引起無波磨側(cè)的不均勻磨損;對比波磨發(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，無波磨側(cè)的摩擦功波動幅值稍小。波長160mm波磨的結(jié)果表明:在40km/h時無波

6、磨側(cè)的不均勻磨損達到最大，但發(fā)生在外軌時所引起的無波磨側(cè)鋼軌切向力和摩擦功的波動遠大于發(fā)生在內(nèi)軌時，即更易引起無波磨側(cè)鋼軌的不均勻磨損。
　　引入了采用高應(yīng)變率試驗機測得的考慮應(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