第22卷,第2期 中国铁道科学Vol .22N o .2 2001年4月 CHINA RAILWAY SCIENCEApril ,2001 文章编号:1001-4632(2001)02-0001-14轮轨接触力学研究的最新进展＊沈志云,张卫华,金学松,曾 京,张立民(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031) 摘 要:本文论述了西南交通大学牵引动力国家重点实验室近几年来在轮轨接触力学及其应用研究方面的最新研究成果,其中包括Kalker 三维弹性体非Her tz 滚动接触理论的全尺寸模型试验验证、高速动态轮轨蠕滑力的试验研究、基于理论和数值方法的轮轨接触表面粗糙度和污染影响的分析、高速粘着和脱轨试验研究及其机理分析,对钢轨的波磨现象也作了论述,并提出了今后的研究方向。
本文所介绍的研究成果对我国今后进一步开展轮轨关系的研究将起到促进作用。
关键词:轮轨; 高速; 滚动接触; 蠕滑率/力; 粘着; 脱轨; 波浪型磨损 中图分类号:U211.5 文献标识码:A 收稿日期:2000-10-30 作者简介:沈志云(1929—),男,湖南长沙人,中国科学院院士、中国工程院院士。
基金项目:国家自然科学基金(59338150) ＊本文英文稿已于1999年6月在莫斯科国际重载会议(IHHA '99)上发表。
1 引 言 轮轨系统是列车行走的关键零部件。
列车的牵引、制动、脱轨安全、磨耗和疲劳问题与轮轨滚动接触表面行为有紧密地联系。
由于接触力学和摩擦学的迅速发展,人们对轮轨滚动接触的力学行为的了解已经超出K .L .Johnson 、J .J .Kalker 等学者在该领域的研究深度和广度。
现在人们能够建立轮轨蠕滑率/力数学模型来满足机车车辆动力学数值仿真的要求。
但许多实际问题,象脱轨、粘着、磨耗和疲劳等问题需要结合许多基础性的学科才能得到解决,其研究关系见图1。
如何结合实际来研究和解决轮轨接触问题是十分重要的,理论上也具有较高难度。
进行轮轨问题的研究,试验手段是必不可少的。
但由于试验装置和实际工作部件几何尺寸等因素的差异就必然会导致试验过程中测量数据的误差。
轮轨接触斑的几何特征尺寸只有十几毫米,为了确定在这个小区域内材料的运动和力学行为以及其它因素,需要在微观区域内考虑其精度。
轮对和试验台滚轮的尺寸是以米计算的,而轨道的曲线半径小的有数百米,大的有数千米。
因此,牵引动力国家重点实验室确立了图1 轮轨研究关系按原型尺寸来进行轮轨模拟,研制了机车车辆滚动振动试验台,并成功地进行了Kalker 的三维弹性体非Hertz 滚动接触理论试验验证,许多轮轨滚动接触现象在室内得以再现,如预先设置条件下的脱轨过程,不同污染条件下轮轨粘着极限的确定等。
即使至今尚未弄清其机理的波磨现象,在试验中也时常出现在轨轮的接触表面上。
所开展的多种类型试验在世界上都属首次。
新型试验装置、试验方法和所得的试验结果证实了轮轨接触力学研究的某些方面又取得了新的进展。
滚振试验台具有模拟轨道的四对轮轴,目前还不能进行六轴机车试验,也还不能完全模拟机车车辆的曲线通过动力学行为。
试验台现正处在扩建过程中,不久将成为全功能的试验台。
本文论述了轮轨滚动接触力学研究的最新进展,介绍了粘着试验的研究结果,即不同条件下的粘着系数的变化规律以及动态脱轨问题的理论和试验研究,最后谈及到轮轨波磨问题以及今后的设想。
2 蠕滑理论研究的进展 目前广泛应用的轮轨滚动接触理论都是基于Hertz假设[1～7],它们包含有一定的误差,尤其在轮轨之间产生“两点”或“共形”接触时,误差更大。
90年代初,Kalker发展了三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值方法(Contact)[8],该理论被称做轮轨滚动接触分析的精确理论。
利用该理论分析计算轮轨力时,许多因素能得到考虑,但是要想在车辆动力学仿真分析中得到应用,该理论需要进行进一步改进。
为了证实该理论在轮轨关系和机车车辆动力学研究方面应用的可靠性,用原形尺寸的滚振试验台对该理论所确定的轮轨蠕滑率/力关系进行了试验验证。
2.1 Kalker蠕滑理论试验验证为了验证Kalker蠕滑理论,Brickle[9]、Chollet et al[10]和Illingwo rth[11]分别用小比例模型试验装置进行了试验,M atsumoto等人用全尺寸试验装置进行了轮轨蠕滑力试验,发现了轮轨之间的横向蠕滑力和摇头角的变化关系,并用试验结果和Kalker 的基于Hertz理论假设之上的蠕滑理论的结果作了比较[12]。
为了确定轮轨之间的纵向蠕滑力并考虑到轮对中心横移和摇头角的改变对它的影响,牵引动力国家重点实验室利用机车车辆滚振试验台和原形尺寸单轮对试验装置进行了Kalker蠕滑理论的试验验证[13,14]。
图2为滚振试验台和单轮对试验装置示意图,图中真实轮对在滚轮(模拟钢轨)上运动,轮对的中心位置和摇头角能被精确的控制。
弹性测力杆用来连接轮对和轮对的框架,并可以测出除了轮对接触斑以外的约束力S1、S2、S3和S4(如图3所示)。
轮轨接触斑上总的垂向力和横向力由测力轮对得图2 轮轨蠕滑力试验装置图3 轮轨平面受力图到。
考虑了两套测量系统,测量结果可相互校核,并作简单的计算得到图3所示的蠕滑力F ij(i,j=1, 2),i=1,2分别表示纵向蠕滑力和横向蠕滑力,j= 1,2分别表示左右轮轨接触斑。
轮/轮接触斑蠕滑率的计算表达式为[15]ξ1j=(1-r j/r0)cosΧξ2j=-sinΧcos(-(-1)jδj)ξ3j=(-1)j1.63sinδj/r0(1)式中ξkl(k=1,2,3)表示车轮和滚轮之间的纵向蠕滑率、横向蠕滑率和自旋蠕滑率。
r0是车轮的名义滚动半径,r j是瞬时滚动半径,δj是车轮和滚轮之间的接触角,是轮对的侧滚角,1.63是与滚轮半径有关的自旋蠕滑率的修正系数,滚轮半径是675mm。
轮/轮的几何型面通过实际测量得到。
上面所提到的所有接触几何参数以及轮/轮接触表面变形前法向间隙可通过数值程序计算得到,它们可作为CON TACT[8]计算程序的输入参数。
对确定的轮对位移量和摇头角,可利用基于Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论数值方法CONTACT确定蠕滑力。
图4表示纵向蠕滑力随轮对中心横移量的变化2中 国 铁 道 科 学 第22卷情况。
从理论结果和试验结果变化的趋势看,起点处理论结果和试验结果有些差异,其余部分基本相吻合。
这是因为轮对处于对中位置时,由于轨轮长期磨耗所致。
图5表示横向蠕滑力的理论值和试验值随轮对摇头角变化情况。
上述数据试验过程中,每种工况重复两次,并对测得的数据进行平均。
上述结果表示了试验结果和Kalker 的CONTACT 结果的一致性。
图4 纵向蠕滑力随横移量y的变化图5 横向蠕滑力随横移量y 的变化2.2 动态因素对轮轨蠕滑力的影响Kalker 蠕滑理论的试验验证为研究动态因素对轮轨蠕滑力的影响提供了有效的手段和方法。
所谓动态因素是指轮轨接触面之煎的振动和高速惯性力。
而轮轨接触面之间的振动主要是由接触表面和轨道不平顺引起。
为了模拟列车的高速运动和轮轨之间的激振,通过加大轨轮的转速并带有垂向和横向的独立激振来实现。
原试验装置(见图2)通过改进,使其包含了可模拟车体垂向振动的弹簧质量块(见图6),当模拟高速滚动时,滚轮可输入不同频率振动。
图7和图8表示动态蠕滑力的部分试验结果。
图7(a )和(b )表示滚动速度为300km ·h -1条件下,滚轮纯滚动和激振频率为20Hz 的正弦激振两种情形的轮轨纵向和横向蠕滑力变化情况,图中的曲线第1阶段为有激振阶段,第2阶段为无激振阶段。
由于激振的影响,使蠕滑力降低了大约5%～10%。
图8(a )(b )表示了激振频率为5H z 所对应的情形,发现轮轨之间的低频激振对轮轨蠕滑力没有什么影响。
试验中还发现这种现象仅在轮轨接触表面处于干洁条件下出现,而当轮轨接触表面在油污染条件下就不会出现。
图6 动态蠕滑力试验装置(a )纵向蠕滑力的改变(b )横向蠕滑力的改变图7 20Hz 正弦激振和无激振情形下的蠕滑力变化3第2期 轮轨接触力学研究的最新进展(a )纵向蠕滑力的改变(b )横向蠕滑力的改变图8 5Hz 正弦激振和无激振情形下的蠕滑力变化 Wang 和Knothe 从理论上研究了二维滚动接触情形下动态因素对滚动接触力学行为的影响。
他们的研究结果表示当滚动速度低于接触表面材料的Rayleigh 波速时,滚动速度对接触表面的力学行为没有影响。
列车的运行速度一般低于500km ·h -1,因此,目前的滚动接触理论研究不必考虑列车速度因素的影响。
但是,实际中随着列车速度的提高,轮轨之间的粘着力(或蠕滑力)在下降。
理论和试验研究证明了这种结论[13,14],文献[17,18,19]也讨论了同样的情形。
最近发展了数值方法分析了图7所示现象的机理,轮/轮滚动接触模型的建立借助于Hertz 理论的假设,最终模型是两组保持接触碰撞弹簧质量系统。
数值结果表示了正压力随着激振频率的增加而降低(如图9所示)。
5Hz 的正弦激振对轮轨正压力没有影响,20H z 正弦激振对轮轨正压力有较大的影响,这和前面所讨论的试验结果完全一致。
因此,对于高速列车,动态因素对轮轨蠕滑力影响不可忽略,现有的稳态轮轨蠕滑理论不能解释动态因素对轮轨蠕滑力的影响。
2.3 表面污染对轮轨蠕滑力的影响目前的轮轨蠕滑理论不包含接触表面粗糙度和图9 激振频率对轮轨接触压力的影响污染层的影响。
事实上,它们的影响是非常大的,很多情况下,它们的影响是不可忽略的[17,20～27]。
1975年,J .F .Achard [28]在摩擦学模型中考虑了表面粗糙度的因素。
1976年,M .Godet [29]在接触问题的研究中引入了“三体”的概念。
1992年,J .J .Kalker 在研究两体接触模型中考虑了接触斑上“三体”的影响[30],建立了“三体”的数学模型,其研究利用“简化理论”[5]中的数学模型将“三体”接触系统简化成等效的二体系统接触模型。
换句话说,如果考虑轮轨之间的“三体”对轮轨蠕滑力的影响,那么用在数值计算中的轮轨蠕滑率要低于实际的轮轨蠕滑率。
轮轨接触表面之间的水膜有效降低了轮轨之间的粘着(或蠕滑力)。
牵引动力国家重点实验室最近的粘着试验发现,轮轨接触面水膜的存在对轮轨粘着力的影响十分大(见本文的第三部分)。
为了进一步弄清这种现象的机理,许多文献建立了包含弹流理论的数学模型[23～25,31～33],并假设轮轨接触表面的水膜是恒温的和不可压缩的,轮轨接触满足Hertz 接触条件且为线接触斑,表面粗糙度服从正态分布。
在数值模型中,其中的基本假设之一就是接触斑上总的载荷由两部分组成:一部分水膜承担的载荷,另一部分是由参与接触的固体峰承担的压力,可表示成 W =∫cp e d A +∫cp a d A(2)式中c 是接触斑的宽度, p e 是水膜所承担的压力, p a是固体峰所承担的平均压力。
