论文部分内容阅读
轮轨磨耗一直是轮轨系统中不可避免的问题,车轮型面会因车轮磨耗而改变,进而影响车辆动力学性能,过大的车轮磨耗将会降低车辆的临界速度,影响车辆的平稳性和安全性,过快的轮轨磨耗将极大增加运营维护成本。相比于传统的普速铁路,高速列车对轮轨动态相互作用力更敏感,车轮零点几毫米的轻微磨耗都可能会改变轮轨接触关系进而恶化车辆系统动力学性能、缩短车轮镟修周期,甚至影响到列车运行安全性。导致车轮及钢轨出现磨耗现象的原因非常复杂,通过长期跟踪车轮型面变化,虽然可以总结磨耗规律,但仍然很难研究清楚车轮磨耗的具体影响因素。因此,建立车轮长距离磨耗计算模型,在数值仿真计算的基础上,控制变量,探讨车轮磨耗的演变规律将可以帮助研究人员更好地分析线路上的测量数据,同时为减小车轮磨耗提供理论支撑,为车轮型面优化奠定基础。本文针对高速列车车轮磨耗预测模型和预测方法主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)针对轮轨接触法向问题,介绍了经典的Hertz理论算法,研究推导了非Hertz轮轨接触模型中的ANALYN模型以及Kik-Piotrowski模型,最终将三种模型对不同轮轨接触型面的计算结果与CONTACT完全理论进行对比。结果表明:在求解椭圆接触工况时,Hertz理论、ANALYN模型与Kik-Piotrowski模型得到的椭圆接触斑形状与CONTACT完全理论的计算结果一致;在实际轮轨标准型面接触中,由于接触型面相对比较规则,可以采用Hertz进行计算且效率很高;当车轮型面出现磨耗后,Hertz理论得到的椭圆接触斑与实际情况差距较大,ANALYN模型同时考虑接触区域内渗透深度和接触曲线的局部相对曲率求解接触斑横向边界和纵向边界,得到的接触斑与CONTACT完全理论更相似;Kik-Piotrowski模型只考虑渗透深度对接触斑形状的影响,计算精度比ANALYN模型略低,但不存在局部负曲率的问题,可以求解ANALYN模型无法求解的轮轨接触问题。(2)针对轮轨接触切向问题,研究了Fastsim算法和Fa Strip算法,推导了分别适用于ANALYN模型和Kik-Piotrowski模型的Fastsim算法和Fa Strip算法,得到了完整的非Hertz轮轨接触计算模型。结果表明,Fastsim算法得到轮轨接触斑内的黏着区切向应力分布为线性增长,在滑动区的切向应力饱和边界为抛物线形。Fa Strip算法在接触斑黏着区内的切向应力为非线性分布,滑动区的切向饱和边界是与法向应力分布一致的椭球形,因此Fa Strip算法得到的单条带内的切向应力分布更接近CONTACT的计算结果。在滑动区蠕滑速度计算结果上,Fastsim算法会高估蠕滑速度,这将直接影响轮轨磨耗的计算结果。通过对比蠕滑力-蠕滑率曲线,采用Fa Strip算法的三种轮轨接触模型得到的切向力与CONTACT更吻合,且计算效率与Fastsim算法基本相同,建议将Fa Strip算法引入车辆-轨道耦合动力学的轮轨接触计算中,可以得到更为准确的轮轨接触切向力。(3)针对轮轨磨耗模型,研究了不同的全局磨耗模型和局部磨耗模型,相比于全局磨耗模型,局部磨耗模型需要完整求解轮轨接触问题,因此计算量大耗时长,但能求解接触斑内的磨耗分布。通过对几种模型的磨耗表达式进行统一并对高速列车不同运行工况进行磨耗计算表明,BRR模型、USFD全局和USFD局部模型将轮轨磨耗划分在轻微磨耗区,Zobory全局模型和Zobory局部模型将轮轨磨耗划分在严重磨耗区,接触斑滑动区内的不同单元按照KTH局部模型的判定条件将出现不同程度的磨耗,因此在高速列车磨耗计算中,KTH局部模型对轮轨接触状态的磨耗划分更为细致,但KTH局部模型对轮轨接触模型的计算结果也更为敏感,如果能解决计算效率问题,建议采用ANALYN+Fastrip轮轨接触模型结合KTH局部模型计算车轮磨耗。(4)根据车轮磨耗预测基本方法,结合实测数据和实际车辆线路信息建立了长距离运行里程下的高速列车车轮磨耗预测模型。模型包括含磨耗后钢轨型面的线路仿真工况、车辆-轨道耦合动力学模型、轮轨接触模型、磨耗模型以及车轮磨耗平滑与更新策略。针对S1002CN和LMB＿10车轮型面进行了40万公里的磨耗计算并与实测数据进行了对比,车轮磨耗的仿真计算结果与实测数据基本吻合,车轮磨耗预测模型计算和预测车轮型面随里程的变化特点是可行的。(5)基于修正后的车轮磨耗预测模型,研究了不同列车运行线路、列车运行速度对车轮型面磨耗的影响,获得了高速列车用车轮型面LMA的长距离型面径向磨耗计算结果。结果表明,线路情况的微小变化会改变车轮磨耗分布,车轮磨耗在一定范围内随着车速提升而增大,车轮型面的等效锥度越小,径向磨耗分布更均匀和平缓,磨耗量有明显降低。(6)在磨耗预测建模方面,引入了并行计算并分析了不同轮轨接触模型和不同磨耗模型对长距离磨耗计算结果的影响。结果表明,非Hertz轮轨接触模型与Hertz模型相比在计算精度上有较大提升,但是在长距离磨耗计算中,即使采用了并行计算能够大幅减少总计算时间,但计算效率仍有提升空间。不同磨耗模型在进行长距离磨耗计算时采用的修正系数不同,Zobory模型采用切向分应力和切向分滑动速度与USFD模型采用切向合应力和切向合蠕滑率在不同里程下的磨耗分布基本相似。KTH磨耗模型建模思路与两者不同,因此由KTH磨耗模型得到的磨耗分布与前两者稍有差异。