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0滚滑接触下钢轨热力耦合分析

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第27卷第8期 Vol.27 No.8 工 程 力 学 2010年 8 月 Aug. 2010 ENGINEERING MECHANICS 199

——————————————— 收稿日期：2009-02-19；修改日期：2009-05-11 基金项目：国家自然科学基金项目(50705078, 50821063)；国家重点基础研究发展计划项目(2007CB714702)；霍英东教育基金会青年教师基金项目(114028)；四川省青年科技基金项目(08ZQ026-021) 作者简介：李 伟(1985―)，男，湖北监利人，硕士生，从事轮轨滚动接触疲劳研究(E-mail: 1022liwei@163.com)； 温泽峰(1976―)，男(壮族)，广西南宁人，副研究员，博士，从事轮轨接触力学研究(E-mail: zfwen@home.swjtu.edu.cn)； 吴 磊(1981―)，男，贵州毕节人，博士生，主要从事轮轨热力耦合研究(E-mail: leiwulanxia@)163.com)； *金学松(1956―)，男，江苏扬州人，教授，博士，博导，从事轮轨关系研究(E-mail: xsjin@home.swjtu.edu.cn).

文章编号：1000-4750(2010)08-0199-06 滚滑接触下钢轨热力耦合分析

李 伟，温泽峰，吴 磊，*金学松 (西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

摘 要：采用热弹塑性有限元法，对滚滑接触状态下的钢轨进行热力耦合分析，计算钢轨接触区附近的温升和应力/应变，并分析蠕滑率对它们的影响。有限元模型中，考虑材料参数随温度的变化，通过在钢轨表面上移动边界条件来模拟车轮的移动。分析结果表明：热影响区主要在很薄的钢轨表层；钢轨表层温升和热应变均随着蠕滑率的增大而增大。热载荷在钢轨表层产生的周向和轴向残余应力表现为拉应力，其在蠕滑率小时有减小机械载荷产生的残余压应力作用；在蠕滑率较大时热响应对残余应力和残余应变影响明显，且当蠕滑率增大到一定值时，考虑热影响时热力耦合作用下的周向残余应力和轴向残余应力都表现为拉应力，而不考虑热影响时二者表现为压应力，随着蠕滑率的继续增大，考虑热影响时的残余应力和残余应变随之增大。 关键词：轮轨滚滑接触；蠕滑率；热力耦合；温升；残余应力/应变；有限元法 中图分类号：TH117.1; U213.4 文献标识码：A

THERMO-MECHANICAL COUPLING ANALYSIS OF RAIL IN ROLLING-SLIDING CONTACT

LI Wei , WEN Ze-feng , WU Lei , *JIN Xue-song (State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: A thermo-mechanical coupling analysis of the rail under a rolling-sliding state is conducted by the thermo-elasto-plastic finite element method. The temperature rise and the stress/strain near the wheel-rail contact patch of the rail are calculated. The effect of the wheel-rail creepage is also investigated. The temperature-dependent material properties are taken into consideration in the finite element model. The movement of boundary conditions of the rail surface is used to simulate the movement of wheels. The results indicate that the thermally affected zone exists mainly in a very thin layer of the material near the rail contact surface. Both the temperature rise and thermal strain increase with increasing the creepage. The circumferential and axial residual stresses generated by the thermal load in the surface layer of the rail appear to be tensile. The thermal load caused by small creepages can reduce the residual compressive stresses generated by the mechanical load. When the creepage becomes larger, however, the thermal response has a significant influence on the residual stresses and residual strains. As the creepage reaches a certain value, the circumferential and axial residual stresses in the thermo-mechanical case become tensile stresses, while in the mechanical case they appear to be compressive stresses. With further increasing the creepage, the residual stresses and residual strains in the thermo-mechanical case increase as well. 200 工 程 力 学 Key words: wheel-rail rolling-sliding contact; creepage; thermo-mechanical coupling; temperature rise; residual stress/strain; finite element method

热损伤是高速重载车轮和钢轨主要失效形式之一[1―2]。研究轮轨在各种运行状况下的温度场和

应力/应变场分布状况与特点以及各种因素的影响是揭示轮轨热损伤机理和研究轮轨损伤减缓措施的基础。很多研究者对轮轨摩擦热问题作了许多的研究，大多数只涉及摩擦温升的分析[3―12]，而对摩

擦热应力的分析相对较少。文献[13]建立平面应变有限元模型对轮轨摩擦热弹性应力进行了计算，得到各应力分布情况，模型中没有考虑机械载荷(轮重和切向力)的作用。文献[14]利用有限元软件ABAQUS计算了无限体平面的温度、应力和塑性应变的分布情况，模型中没有考虑温度对材料参数的影响。文献[15―17]利用有限元法，建立了轮轨摩擦耦合热弹性有限元分析模型，分析了轮轨摩擦温升、应变和应力分布状况及特点，但都没有考虑塑性影响和温度变化对材料参数的影响。文献[18]采用弹塑性有限元法，计算了多步非稳态载荷下的钢轨滚动接触应力和变形，给出了钢轨接触表面的残余应力和残余应变情况，但忽略了温度的影响。本文在文献[15―17]的基础上，基于热力完全耦合方法，利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨接触热力耦合有限元分析模型，模型中考虑轮轨自由表面与环境间的热对流影响和温度对材料参数的影响。分析了蠕滑率对温升、残余应力和残余应变的影响，并与不考虑热影响的情况进行了对比分析。

1 数值计算模型

1.1 轮轨接触模型 轮轨经一段时间磨损和变形后，轮轨接触斑变得细长，可将轮轨接触视为二维问题[19]。轮轨接触斑上的法向压力分布由Hertz接触理论给出[20]：

202

()1xpxp

a=−

(1)

式中：a表示椭圆接触斑宽度之半；p0为接触斑上的最大接触压力。 考虑轮轨接触斑处于滚滑状态，则接触斑分为滑动区和粘着区。在粘着区，接触质点对具有相同的滑动速度。在滑动区，接触质点对发生相对滑动，切向力正比于法向压力。Carter提出了粘滑区切向力分布的计算表达式[19]：

(), ()()(),ssqxaxcdqxqxqxcdxa

′−−+⎧

=⎨

′′′+−+

⎩

≤≤≤≤ (2)

式中： ()()qxfpx′= (3)

1/22

0()1sxdc

qxfp

ac

⎧⎫−⎪⎪⎛⎞

′′=−−

⎨⎬⎜⎟

⎝⎠⎪⎪⎩⎭

(4)

式(4)中：f为摩擦系数；c为粘着区宽度之半，且ds =a−c。图1是式(2)的示意图。

图1 切向力分布 Fig.1 Tangential force distribution

文献[20]指出，当两个接触物体可用半空间近似且具有相同的弹性常数时，切向力对接触斑的形状和大小以及法向压力分布没有影响。本文假设车轮和钢轨具有相同的弹性常数，且接触斑大小远小于轮轨的几何特征尺寸和接触斑附近的曲率半径，因此本文假设的轮轨接触模型中忽略了切向力对法向力的影响。文献[21]分析认为温升不大时，热变形小，热对法向力和切向力分布的影响可以忽略，因而本文计算时忽略了温升对轮轨接触法向力和切向力的影响。 这里还假定车轮在平直的直线轨道上运行，即轮轨作用力大小不随时间变化的影响，关于动态载荷作用下的轮轨接触数值模拟可参考文献[18]，本文主要研究轮轨蠕滑率对轮轨接触热响应的影响，动态载荷作用下的轮轨接触热响应分析将另文 讨论。 式(2)中，粘着区的大小由下式确定：

()qx′()qx

()qx′′a cs

d

滑动区 粘着区

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高速铁路钢轨的磨耗与摩擦特性分析

高速铁路钢轨的磨耗与摩擦特性分析

高速铁路钢轨的磨耗与摩擦特性分析一、引言高速铁路的发展给交通运输带来了革命性的变化，而高速铁路钢轨作为铁路系统的核心组成部分，其性能对列车运行的安全、平稳和效率起着不可忽视的作用。

本文将对高速铁路钢轨的磨耗和摩擦特性进行分析，重点关注磨耗机理、摩擦特性以及相关影响因素。

二、高速铁路钢轨的磨耗机理1. 微观磨损机理高速铁路钢轨在使用过程中，面临着列车轮轨间的高频接触和摩擦作用，微观颗粒间的碰撞和切削是造成磨耗的主要机理。

研究表明，高速列车行驶时，接触面附近会产生较高的温度和应力，导致钢轨表面的微小颗粒相互作用，进而引起磨损。

2. 磨耗过程和形式高速铁路钢轨的磨耗过程可分为初期磨耗阶段、稳定磨耗阶段和加速磨耗阶段。

初期磨耗阶段主要由轮轨热应力和表面几何形貌差异引起，稳定磨耗阶段则主要受到列车速度和钢轨物性方面的影响。

在加速磨耗阶段，因摩擦和磨损引起的表面粗糙度增加，磨耗速率会进一步增加。

三、高速铁路钢轨的摩擦特性分析1. 物理摩擦特性高速铁路钢轨的物理摩擦特性主要包括静摩擦系数和动摩擦系数。

静摩擦系数是指轮轨之间在静止状态下产生的摩擦力和垂直力之比，而动摩擦系数是指轮轨间在运动状态下产生的摩擦力和垂直力之比。

研究发现，高速铁路钢轨的动摩擦系数通常大于静摩擦系数。

2. 温度效应高速列车的高速行驶以及轮轨接触处的摩擦会导致钢轨表面发热，使得钢轨的温度升高。

高温条件下，钢轨材料的性能会发生变化，同时也影响着钢轨与轮轨之间的摩擦特性。

研究表明，高温条件下，高速铁路钢轨的摩擦系数会增加，但超过一定温度后，摩擦系数反而开始下降。

四、影响高速铁路钢轨磨耗与摩擦特性的因素1. 轮轨几何形状轮轨几何形状的不平整度对高速铁路钢轨的磨耗和摩擦特性有着重要影响。

几何形状的不平整度会导致轮轨接触面的应力分布不均匀，从而引起局部磨损。

2. 列车运行速度列车运行的速度直接影响着高速铁路钢轨的磨耗和摩擦特性。

速度的增加会加剧轮轨间的摩擦和磨损，因此高速列车的使用将导致钢轨磨损加剧。

高铁线路轮轨耦合动力学分析

高铁线路轮轨耦合动力学分析

高铁线路轮轨耦合动力学分析随着交通条件的不断改善，高铁作为一种重要的快速交通工具已经成为人们出行的首选。

高铁是以高速列车为主体，通过珍视一条特定的线路运行而成。

高速列车在运行中会产生各种各样的动力学问题，其中之一就是轮轨耦合问题。

本文将对高铁线路轮轨耦合动力学进行分析。

一、高铁轮轨耦合的基本原理高铁轮轨耦合是指列车运动与轨道之间的相互作用。

高铁列车通过与轨道的接触，将牵引力和制动力传递给轨道，而轨道则反过来将阻力和支撑力传递给列车，从而形成动力学平衡状态。

在高铁轮轨耦合中，列车对轨道的影响是一个很重要的因素。

列车在运动中，产生的振动和噪声都会对轨道造成影响。

高铁列车的制动操作也会对轨道产生冲击，这些冲击会加速轨道的疲劳破坏，从而影响高铁运行的安全和舒适性。

因此，对高铁轮轨耦合进行动力学分析，对提高高铁的运行效率和安全性具有重要意义。

二、高铁轮轨耦合问题的计算方法1.有限元方法（FEM）有限元法是一种数值方法，用于求解数学问题的近似解。

在高铁轮轨耦合问题中，有限元法可以把轮轨系统划分成许多小部件，计算每个小部件的受力情况，并将它们连接起来，形成轮轨系统的整体受力分析。

2.动力学模型方法动力学模型法是基于物理模型的轮轨受力分析方法。

该方法将轮轨系统分解成一个一个的部件，并将它们看作弹簧、阻尼器和质点组成的系统。

动力学模型法能够分析轮轨系统的固有频率、共振频率、系统阻尼特性等。

三、高铁轮轨耦合问题的解决方案1.轨道设计轨道设计是解决高铁轮轨耦合问题的重要手段。

轨道设计要从几个方面入手，包括轨道截面设计、轨道铺设质量、轨道磨损等。

优质的轨道设计能够减少列车与轨道之间的相互运动，降低轮轨耦合的影响。

2.车轮设计车轮设计也是解决高铁轮轨耦合问题的重要手段之一。

车轮的结构、材料和制造工艺都会影响轮轨系统的受力状况。

优质的车轮设计能够增加车轮的寿命，减少车轮与轨道之间的磨损和撞击。

3.高阻尼减振器的使用高阻尼减振器是一种用于减少列车震动和噪声的装置。

地铁列车轴装制动盘热力耦合仿真分析

地铁列车轴装制动盘热力耦合仿真分析

地铁列车轴装制动盘热力耦合仿真分析
吴志豪;吴兵
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2023(45)1
【摘要】电制动失效时的摩擦制动热负荷引起的制动盘热疲劳损伤是影响列车运行安全的重要因素。

建立地铁列车轴装制动盘摩擦制动三维有限元模型,调查了制动盘在一次常用制动、一次紧急制动两种制动工况时的热-力耦合情况,获得制动盘在两种制动方式下的温度场和应力场。

仿真结果表明,不同工况下制动盘面的温度分布具有相似规律,即在制动初期,盘面温度迅速上升并很快达到峰值点166.81℃和151.5℃,随后盘面温度缓慢下降。

应力场初始以机械应力为主,随着制动温度的上升,热应力成为主要影响因素。

应力场与温度场分布相似,但应力峰值延后于温度峰值出现。

热应力在制动中会引起材料损伤积累,导致制动盘疲劳开裂。

【总页数】8页(P190-197)
【作者】吴志豪;吴兵
【作者单位】苏州大学轨道交通学院
【正文语种】中文
【中图分类】U270.35
【相关文献】
1.地铁用制动电阻的弹性热力耦合仿真分析
2.地铁轴装制动盘热力耦合有限元仿真分析
3.考虑残余应力和制动工况的制动盘热机耦合仿真分析
4.高速列车轴装制动盘盘毂精密成形仿真分析
5.盘式制动器的热力学耦合分析
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滚轮轨道接触应力计算

滚轮轨道接触应力计算

滚轮轨道接触应力计算随着现代化工业的快速发展，滚轮轨道的应用越来越广泛，如地铁、高铁、城际列车等轨道交通系统，以及重型机械、港口机械、矿井提升机等重型设备。

在这些应用中，滚轮轨道接触应力的大小是影响设备性能和使用寿命的重要因素。

因此，对滚轮轨道接触应力的准确计算显得尤为重要。

滚轮轨道接触应力是指滚轮与轨道之间的相互作用力，其大小取决于滚轮和轨道的材料、尺寸、转速、载荷等多个因素。

接触应力的大小不仅会影响滚轮和轨道的磨损，还会影响整个设备的振动和稳定性。

因此，对滚轮轨道接触应力的准确计算和有效控制是保证设备性能和使用寿命的关键。

目前，滚轮轨道接触应力的计算方法主要有有限元法和赫兹理论。

有限元法是一种数值计算方法，通过建立滚轮和轨道的有限元模型，模拟滚轮在轨道上的运动和相互作用，从而得到接触应力的大小。

这种方法可以考虑到各种复杂的因素，如非线性、弹性变形等，但计算量大，需要高性能的计算设备和专业的有限元分析软件。

赫兹理论是一种基于弹性理论的解析方法，适用于两个弹性体之间的接触问题。

对于滚轮轨道接触问题，赫兹理论可以计算出接触应力的大小和分布规律，但需要预先知道滚轮和轨道的材料属性和尺寸等参数。

在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的计算方法，或者将有限元法和赫兹理论结合起来使用，以提高计算精度和效率。

除了计算方法的选择，滚轮轨道接触应力的准确测量也是非常重要的。

目前，常用的测量方法有电阻应变法、电感测微法和光纤光栅传感器法等。

这些方法各有优缺点，需要根据实际情况选择合适的测量方法和传感器。

同时，为了提高测量精度和稳定性，还需要注意测点的选择、信号的处理和误差的修正等问题。

综上所述，滚轮轨道接触应力的计算和控制是保证设备性能和使用寿命的重要环节。

在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的计算方法和测量方法，并注意各种因素的影响和控制。

只有这样，才能有效地提高设备的性能和使用寿命，满足现代化工业的需求。