轮轨接触力学22017

基于有限元理论的轮轨接触力学特性仿真研究郭伟杰;王旭东;刘邱祖【摘要】轮轨接触的力学特性研究对保障列车的安全运行至关重要.选择动车组车轮LMa踏面与标准CHN60钢轨,借助有限元理论,分别计算两种轮径在不同轴重以及不同横移量下的轮轨接触应力变化情况.计算结果表明:随着轴重的增加,轮轨接触应力会增大;当车轮有横移时,发现靠近轮缘侧的轮轨接触应力大于远离轮缘侧的;同种工况下,增大轮径可以适当改善轮轨受力状态.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2015(037)021【总页数】4页(P58-61)【关键词】轮轨接触;力学特性;轴重;横移;有限元理论【作者】郭伟杰;王旭东;刘邱祖【作者单位】太原理工大学机械工程学院,太原 030024;太原理工大学机械工程学院,太原 030024;太原理工大学机械工程学院,太原 030024【正文语种】中文【中图分类】U2110 引言近年来，中国铁路运输业朝着高速重载的方向发展，对其传动部件的力学性能提出了更高的要求。

传统的Hertz[1]接触理论在计算轮轨接触压力时便于操作，简单易懂，但是该理论是在接触表面光滑，弹性变形等前提下推导的，而实际的轮轨接触过程中会有塑性变形，接触表面有摩擦，Hertz接触理论与实际工况相差较大Cater[2]。

在Hertz接触理论的基础上，推导出轮轨接触的切向应力，但是轮轨接触问题是一种高度非线性行为，传统理论所得结果总会存在偏差。

如今许多学者借助有限元理论来分析轮轨接触问题，张军[3]用有限元参数二次规划法，对多种工况进行弹塑性分析；陶功权[4]利用数值程序CONTACT和有限元模型进行了对比，说明有限元理论适用性更广泛；孙明昌[5]用有限元分析软件ANSYS对弹性轮对进行了应力、变形和模态计算分析。

本文借助有限元理论，分析两种轮径分别在不同轴重和不同横移量下的轮轨接触应力变化。

1 建立有限元模型高速动车组车轮踏面选取LMa型，车轮宽度是135mm，轮径分别取Φ860mm，Φ920mm；钢轨选用CHN60。

轮轨接触力学Southwest Jiaotong University轮轨接触动力学报告—关于轮轨接触动力学的思考年级: 2021 级专业：载运工具应用工程姓名：刘新龙学号: 13217021关于轮轨接触动力学的思考提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路开展的趋势, 而到达这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究, 改善机车的粘着利用水平。

轮轨关系那么是机车车辆、轨道系统中最根本、最复杂的一个问题, 是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。

接触理论始于1882年,由H. Hertz发表的经典论文?论弹性固体的接触?。

他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。

Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的根底,但Hertz理论仅局限于无摩擦外表及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。

近几十年来, 国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展, 但随着铁路技术的不断提高, 使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。

在高速和重载的要求下, 轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重, 而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。

因此, 在现有轮轨滚动接触理论的根底上, 使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系, 将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。

不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证平安的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。

因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。

而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。

可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。

机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。

因此在研究机车车辆动力学性能时不能简单地视线路为外激干扰。

高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用研究随着高速铁路的飞速发展，对于轨道和钢轨的性能和安全性提出了越来越高的要求。

而轮轨间的力学相互作用是决定铁路运行稳定性和安全性的重要因素之一。

因此，对高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用进行深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用主要包括轮轨接触力、轨道弯曲和轮轨磨损等方面的研究。

首先，轮轨接触力是指车轮与钢轨接触而产生的力。

将车轮当作一个圆形，钢轨当作一个无限长的直线，车轮和钢轨接触处的力学模型可以简化为Hertz接触理论。

根据该理论，可以计算出车轮和钢轨的接触应力分布和接触面形状。

在实际应用中，还需要考虑车体上的垂荷、横荷和弯矩等因素，以获得更为真实的轮轨接触力。

其次，轨道弯曲是指钢轨在列车通过时发生的弯曲现象。

高速列车的高速运行会带来巨大的动载荷，导致钢轨产生弯曲变形。

钢轨的弯曲变形会对列车的稳定性和车体悬挂系统产生影响。

因此，对钢轨弯曲的研究非常重要。

通过建立钢轨的弯曲模型，可以分析列车在不同速度下的振动特性，以指导钢轨设计和铺轨施工。

此外，轮轨磨损也是轮轨间力学相互作用中的一个重要研究方向。

随着高速列车的频繁运行，轮轨间的摩擦和磨损会导致钢轨的表面磨耗和疲劳，进而影响轨道的几何形状和列车的运行平稳性。

因此，研究轮轨磨损规律和机理，开展相关的耐磨材料和防止磨损措施的研究，对于提高轨道使用寿命和降低维护成本具有重要意义。

同时，轮轨间力学相互作用的研究也需要考虑列车的运行速度、列车轴重等因素对轨道和钢轨的影响。

高速铁路的列车运行速度和轴重较大，使得力学相互作用更加复杂。

从列车动力学角度出发，对轮轨间的动态响应进行研究，可以解读轮轨之间的复杂力学过程。

综上所述，高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用研究是一项相当复杂、关键的研究课题。

它不仅涉及到力学学科的多个领域，也涉及到材料科学、结构工程和交通运输等方面的知识。

只有深入研究高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用，才能更好地保障高速铁路的安全性、稳定性和使用寿命，为人民群众提供更加便捷和快速的出行方式。

轮轨接触力学Southwest Jiaotong University轮轨接触动力学报告—关于轮轨接触动力学的思考年级: 2021 级专业：载运工具应用工程姓名：刘新龙学号: 13217021关于轮轨接触动力学的思考提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路开展的趋势, 而到达这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究, 改善机车的粘着利用水平。

轮轨关系那么是机车车辆、轨道系统中最根本、最复杂的一个问题, 是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。

接触理论始于1882年,由H. Hertz发表的经典论文?论弹性固体的接触?。

他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。

Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的根底,但Hertz理论仅局限于无摩擦外表及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。

近几十年来, 国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展, 但随着铁路技术的不断提高, 使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。

在高速和重载的要求下, 轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重, 而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。

因此, 在现有轮轨滚动接触理论的根底上, 使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系, 将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。

不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证平安的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。

因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。

而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。

可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。

机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。

因此在研究机车车辆动力学性能时不能简单地视线路为外激干扰。