高速轮轨列车蠕滑力和蠕滑率的有限元分析

高速轮轨列车蠕滑力和蠕滑率的有限元分析

由于轨道之间的相对运动经常很小，因此轨道滑动接触理论也被称为轨迹滑动理论。轮轨间的纵向蠕滑力直接影响列车牵引和制动性能,横向蠕滑力则对列车的横向稳定及脱轨问题影响较大,因此研究轮轨蠕滑性能对于减缓轮轨接触疲劳、降低轮轨噪音和避免列车脱轨有非常重要的作用。许多学者对轮轨蠕滑问题进行研究,并形成广泛应用的经典轮轨蠕滑理论;国内外学者亦通过试验方法研究轮轨滚动蠕滑特性。由于经典理论和试验方法研究轮轨蠕滑问题的适用性和局限性,有限元法被运用于分析轮轨蠕滑特性。轮对横移量是指轮对的垂向中心线偏离轨道中心线的距离,通过改变这个距离可以实现不同的横移,列车在行进过程中由于外界干扰和轮轨本身结构的影响容易产生蛇形运动,伴随出现横移和冲角的现象。本文运用有限元软件ABAQUS的非线性功能,基于轮轨滚动接触理论,采用mixedLagrangian/Eulerian方法建立大规模有限元轮轨滚动稳态接触模型,分析轮对不同横移量时的蠕滑特性,以改善轮轨间的接触问题。1轮轨滚动轴承中间基本理论在电机的牵引下,车轮与钢轨之间发生相对运动,使得列车向前运动,轮轨接触区的蠕滑力则不断发生变化,因此对蠕滑力进行分析有助于改善轮轨接触特性。轮轨间的蠕滑率是分析轮轨滚动接触蠕滑力的重要参量,1926年Carter第1次引入纵向蠕滑率的概念,此后学者们又对横向蠕滑率和自旋蠕滑率进行了定义。本文主要针对轮轨接触区内的纵向蠕滑率和横向蠕滑率进行分析,根据经典接触理论分别定义它们为其中,车轮在直线线路上滚动时,则式(1)和式(2)在略去高阶后整理为式中:ri为左右轮瞬时滚动半径;r0为轮对对中时滚动圆半径;l0为轮对对中时轮对中心到滚动圆的距离;y为轮对横移量;ф为轮对侧滚角;Δi为左右轮接触点在车轮踏面上移动量;δi为轮轨接触角。2轮轨接触的有限元分析运用mixedLagrangian/Eulerian方法可以建立轮轨滚动接触有限元模型,本文重点建立轮轨稳态滚动有限元模型,分析其蠕滑特性。Eulerian方法是以空间坐标为基础,划分的网格与所分析的物质结构(即材料)保持相互独立,网格的大小、形状和空间位置在整个分析过程中始终保持最初的空间位置不动,有限元节点即为空间点,采用这种方法时网格之间的物质相对网格是可以流动的。Lagrangian方法是以物质坐标为基础,其描述的网格和分析的物质结构是一体的,有限元节点即为物质点,分析过程中物质结构的形状变化和有限单元网格的变化完全是一致的,物质不会在网格之间发生流动。为了真实地反映轮轨接触状态,车轮和钢轨分别用Eulerian方法和Lagrangian方法描述,此时车轮网格与钢轨网格处于相对静止状态,设轮对的名义速度为v0,物质在网格内绕中心轴转动,转动角速度为w0,则在建立轮轨稳态滚动接触有限元模型(如图1(a)所示)时只需将轮轨接触区的单元进行细化(如图1(b)所示),从而避免了将车轮整体和钢轨表面全部细化,减少了计算时间。图中:x轴正方向为轴重垂向作用力方向;y轴负方向为轮对横移方向即横向;z轴正方向为车轮滚动方向即纵向。3当转向稳定地面接触时，瘫痪特征3.1轮轨稳态滚动轴承建模分析以CRH2型动车组为研究对象建立轮轨稳态滚动接触有限元模型,模型的基本参数见表1。本文假设列车在直线段运行,在不考虑钢轨超高和轮对冲角的情况下,用mixedLagrangian/Eulerian方法建立稳态滚动接触的有限元模型,计算并分析轮对横移量分别为0,1,2,3,4,5和6mm时轮轨稳态滚动接触的蠕滑特性。仿真计算时假设列车在直线线路上运行,取v0为200km·h-1,w0为130.60rad·s-1;在轮对的横移量为0mm时无横移速度,为1~6mm时轮对具有0.020km·h-1的横移速度。3.2轮对不同横移工况的对比不同横移量时车轮接触斑内的蠕滑力合力和接触斑形状,见表2。从表2可以看出:车轮的蠕滑力在轮对发生横移时相对于无横移时是相当大的,因此以下分析不考虑轮对无横移的情况;在轮对横移量相同时,左轮与右轮接触斑的大小和形状差别较大,因此以下对它们进行对比分析。3.2.1轮对横移量轮对纵向园从表2可以看出:轮对无横移与轮对发生横移时的蠕滑力差别较大,表明轮对横移对轮轨接触区的纵向蠕滑力合力有较大的影响;轮对横移量由1mm增至6mm时,左轮的纵向蠕滑力合力几乎呈线性缓慢增大,其最大值约为最小值的1.17倍,且在接触斑内出现1个主接触区和1个副接触区;右轮的纵向蠕滑力合力随着轮对横移量的增大而急剧减小,其最大值约为最小值的24.4倍,但接触斑的形状几乎不发生变化;右轮纵向蠕滑力合力减小的趋势明显大于左轮的增大趋势,因此随着轮对横移量的增大列车总的纵向蠕滑力几乎呈线性减小,表明增大轮对横移量会降低列车的牵引性能。图2和图3分别为轮对横移量为2和4mm时车轮接触斑内的纵向蠕滑力分布。由图2和图3可以看出:轮对横移量分别为2和4mm时,左轮的纵向蠕滑力最大值对应为118.9和124.1N,右轮的纵向蠕滑力最大值对应为102.7和98.6N;轮对横移量使得左轮和右轮与钢轨接触区位置不一样,导致纵向蠕滑力的分布产生巨大差异。3.2.2轮对横向园林深度的影响从表2可以看出:轮对横移量由1mm增大至6mm时,左轮的横向蠕滑力合力逐渐减小,其最小值与最大值相差约42.4%,右轮的横向蠕滑力合力整体变化趋势逐渐增大,增大范围在4.4%以内;同纵向蠕滑力合力相同,左轮与右轮总的横向蠕滑力随着轮对横移量的增大而减小,从而影响列车的横向稳定性和脱轨系数。图4和图5分别为轮对横移量为2和4mm时车轮接触斑内横向蠕滑力的分布。由图4和图5可以看出:轮对横移量分别为2和4mm时,左轮的横向蠕滑力最大值对应为56.1和39.3N,右轮的横向蠕滑力最大值对应为84.6和99.5N;从微观角度看,左轮和右轮的横向蠕滑力均有正负值,这是由于钢轨轨底坡的存在,使得接触斑内的节点部分受压应力,部分受拉应力;从宏观角度看,左轮和右轮总的横向蠕滑力为正,这是由于轮对的横移速度是朝着y轴负方向,具有向y轴负方向运动的趋势;为阻碍该运动趋势,车轮接触斑内总的横向蠕滑力为正,即指向y轴正方向。3.2.3不同轮轨接触点下所有围岩的模型模拟自旋是高速列车轮轨滚动接触特有的现象。轮对横移量分别为2和4mm时车轮接触斑内的自旋分布情况如图6和图7所示。图中:箭头方向表示蠕滑的方向;箭头的长短表示蠕滑的大小。从图中可以看出:左轮和右轮的自旋蠕滑形式相差较大。以2mm的轮对横移量时为说明对象,左轮以逆时针方向自旋,但旋转中心不在主接触区,主接触区附近的蠕滑矢量较大且与轮对运动方向相同,右轮以接触斑中心顺时针方向自旋,中心点附近蠕滑矢量较大,在远离中心点的蠕滑矢量较小。轮轨接触点不一致导致接触斑内的蠕滑差异较大;不同轮对横移量对左轮的自旋蠕滑分布具有一定的影响,轮对横移量越大自旋现象越明显,而右轮的自旋蠕滑中心随着轮对横移量的变化亦发生相对移动。3.3稳定轴承接触时的爬行率3.3.1车轮接触斑内的纵向活性分布实际上列车在直线线路上稳定运行时,轮轨滚动接触为微小的面接触而不是点接触,车轮滚动接触区内各点的速度是不一致的,从而使得接触区内各点的蠕滑率值不同。根据式(1)可得车轮接触斑内的纵向蠕滑率分布,如图8和图9所示。图10(a)给出了车轮接触斑内的蠕滑率随轮对横移量的变化曲线。由图10可以看出:左轮接触斑内的纵向蠕滑率最大值和最小值分别为-0.109%和-0.245%,两者相差约124.8%,而右轮的最大值为-0.090%,最小值为-0.103%,两者相差约14.4%;在轮对横移量大于5mm时,左轮接触斑内的纵向蠕滑率急剧减小,其变化趋势明显大于右轮,这是由于左轮接触区逐渐靠近轮缘,有效滚动圆半径增大所致。3.3.2横向活性分布由图10可以看出:与纵向蠕滑率相比,接触斑内的横向蠕滑率值很小;在轮对横移过程中,左轮的横向蠕滑率变化范围相当小,仅在2.7%以内,其平均值约为-0.016%,右轮的横向蠕滑率绝对值随着横移的增大而略加增长,变化值在8.4%以内,最大值和最小值分别为-0.036%和-0.039%,表明轮对横移对车轮接触斑内横向蠕滑率的影响很小。图11和图12给出了轮对横移量分别为2和4mm时车轮接触斑内横向蠕滑率的分布。从图可以看出:轮对横移过程中,左轮的横向蠕滑率分布范围较广;右轮接触斑内的蠕滑率分布较集中,主要分布在接触斑的中心区域。4横向模滑力合力明显增(1)轮对横移量由1mm增大至6mm时,左轮的纵向蠕滑力合力几乎呈线性缓慢增大,其最大值约为最小值的1.17倍;右轮的纵向蠕滑力合力随着横移量的增大而急剧减小,其最大值约为最小值的24.4倍;列车总的纵向蠕滑力几乎是呈线性减小,表明增大轮对横移量会降低列车的牵引性能。(2)轮对横移量由1mm增大至6mm时,左轮的横向蠕滑力合力逐渐减小,其最大值与最小值相差约42.4%;右轮的横向蠕滑力合力整体变化趋势逐渐增大,增大范围在4.4%以内;列车总的横向蠕滑力逐渐减小,从而影响列车的横向稳定性和脱轨系数。(3)随着轮对横移量的增大,左轮接触斑内的纵向蠕滑率最大值与最小值相差约124.8%,右轮的相差约14.4%;左轮接触斑内的纵向蠕滑率变化趋势明显大于右轮,这是由于左轮接触区逐渐靠近轮缘,有效滚动圆半径增大所致。(4)与纵向蠕滑率相比