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原文传递车辆曲线通过时轮轨瞬态滚动接触行为分析

论文题名：	车辆曲线通过时轮轨瞬态滚动接触行为分析
关键词：	铁路工程;曲线通过行为;瞬态轮轨滚动接触;轮轨损伤;显式有限元法
摘要：	随着列车提速、轴重增加以及城市轨道交通的蓬勃发展，曲线段钢轨损伤逐渐增多，因此求解曲线段轮轨接触问题变得愈发紧迫。近年来，计算机技术的飞速发展使得利用有限元等数值手段求解轮轨瞬态滚动接触问题变得可行。采用有限元法求解曲线段问题，文献中多采用静态建模的求解思路，且常采用半轮对、直线轨道等建模以减小模型规模，通过施加不同的横移和冲角等，来近似模拟分析车轮曲线通过时的某些特性。本文旨在建立更为完善的模拟曲线通过的显式有限元模型，在时域内研究车辆的曲线通过行为，最终达到解决曲线段轮轨损伤等问题的目标。　　基于我国某地铁系统，本文采用ANSYS/LS-DYNA建立了考虑全轮对的曲线段三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，时域内数值重现了单轮对曲线通过过程。模型引入了轮轨三维几何，可充分考虑不同纵、横向和自旋蠕滑条件下系统的结构振动和连续体振动。利用建立的有限元模型详细分析了光滑接触表面下不同曲线通过工况的瞬态接触解，对比分析了曲线半径、运行速度、轮对横移、牵引力和摩擦系数等对瞬态轮轨接触行为的影响，尤其关注了轨头摩擦功（或磨耗）随不同工况的变化。　　光滑轮轨接触表面的计算结果表明，稳态通过不同半径轨道时，随着轨道半径减小（由直线轨道减小为300m半径曲线轨道），轮对由于横移增大，受到的曲线通过力矩增大，外轨磨耗增大，内轨磨耗减小，左、右轨磨耗差异增大;曲线通过速度稍大于平衡超高对应的运行速度时，有利于减缓曲线段内、外轨的磨耗;曲线通过轮对横移(变化范围为0-8mm)过大，会显著提高外轨的各向接触力、接触应力和摩擦功，加剧外轨的磨耗与损伤;过大的牵引系数（变化范围为0-0.3）将导致内、外轨的磨耗增加，且牵引系数越大，内、外轨磨耗差异越大;无牵引扭矩时，内轨轨顶润滑可降低内外轨磨耗，但在大牵引扭矩情况下，由润滑导致的低摩擦系数反而会加剧内外轨磨耗。　　把某地铁线路曲线段存在的波长40mm和160-200mm波磨引入到本文建立的有限元模型，对曲线段钢轨波磨处的瞬态接触解进行了系统分析，着重研究了一股钢轨波磨对另一股钢轨瞬态接触解的影响。考虑到地铁实际，分析中考虑的速度范围为30-70km/h。波长40mm波磨的结果表明:若波磨发生在外轨，波磨侧的轮轨动态作用在30km/h和70km/h速度时，比40-60km/h速度更易引起无波磨侧钢轨的不均匀磨损;若发生内轨，速度在40-50km/h时不易引起无波磨侧的不均匀磨损;对比波磨发生在内、外轨的情况，发现同样条件下，波磨发生在外轨时，无波磨侧的摩擦功波动幅值稍小。波长160mm波磨的结果表明:在40km/h时无波磨侧的不均匀磨损达到最大，但发生在外轨时所引起的无波磨侧钢轨切向力和摩擦功的波动远大于发生在内轨时，即更易引起无波磨侧钢轨的不均匀磨损。　　引入了采用高应变率试验机测得的考虑应变率影响的轮轨弹塑性本构模型，本文也研究了轮轨材料投入使用初期的曲线通过行为及瞬态接触解。结果显示，同载荷条件下，弹塑性工况下的轮轨接触斑较弹性工况（即材料安定后）要大，但法、切向接触应力的最大值较小，其根本原因是塑性变形使得轮轨几何的吻合度增加。另外，弹塑性工况下，车轮滚过后，轮轨接触表面会产生明显的残余应力及应变，这使得下一次承受正常载荷的车轮滚过时，不会再次发生塑性变形，即进入安定状态。摩擦功计算结果显示，弹塑性条件下，因为接触应力较低，其磨耗率要小于弹性工况。　　最后，给出了结论与展望。
作者：	刘超
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文