HXD3D机车轮轨滚动接触有限元仿真.pdf

:./.机车轮轨滚动接触有限元仿真巨继文商跃进张 涛李 娜雪明翔(兰州交通大学 机电工程学院甘肃 兰州)摘 要:为了研究兰州局 型机车在兰新线、兰青线高寒高原复杂线路上运行时出现的剥离、粘连、车轮不圆等问题利用瞬态三维有限元方法进行了轮轨静态接触和轮轨滚动接触分析揭示了车轮横移量、轴重等因素对轮轨滚动接触部位、轮轨接触等效应力的影响规律 计算结果表明:接触面积随横移量的变化曲线与接触斑横向长度随横移量的变化曲线有相同的变化规律当轴重在一定基础上继续增加时车轮踏面内外应力增长速度较慢接触面积的增长速度较快 轮轨滚动过程中随着轴重载荷的增加车轮整体范围内所受等效应力随之增加且有明显的变化钢轨所受等效应力变化很小 研究结果为减少镟修成本和保障机车安全运行提供了可靠的理论依据关键词:机车轮轨滚动接触接触应力有限元仿真中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言随着时间的推移铁路客运列车的速度和货物的重量都在不断增长这使得轮轨的工作状态变得越来越复杂轮轨的磨损和疲劳问题已经成为了铁路行业的关注焦点 和 利用滚动接触理论模型为轮轨二维接触提供了一种有效的解决方案并被广泛应用于铁路建设领域直到现在仍然受到广泛的认可 荷兰 教授利用级数的思想构建了一个椭圆形的接触区模型以此来研究三维滚动接触问题他运用数学规划法将其转化为可以计算的结果从而获得了目前最完整的三维弹性体非 滚动接触理论这一结果也得到了学术界的广泛认可 等发现采用盘式制动的轮对的滚动接触疲劳损伤比例高达 周新建等建立了一个大规模的有限元模型用于分析高功率机车轮轨接触的应力以深入探索其影响因素 杨新文等利用一种精确计算轮轨应力的方法得到了轮轨法向接触应力 王滋昊等利用有限元分析技术构建了一个考虑车轴弹性轮对系统动力学模型以深入研究其特性 赵鑫等在其综述中深入探讨了近年来中国轮轨滚动接触疲劳的现状并对其影响因素进行了全面而系统的分析和评估肖乾等对轮轨滚动接触疲劳防损对策研究进行了总结和分析用瞬态模型研究了高速列车的滚动接触疲劳特性 刘清斌以某型高速动车组车轮为研究对象利用 和 软件分析了车轮疲劳损机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究收稿日期:基金项目:兰州交通大学天佑创新团队资助项目:高速动车组车辆构造与设计系列课程(编号:)甘肃省青年基金项目:长期服役下重载机车齿轮传动系统振动特征演变规律研究(编号:)作者简介:巨继文()男甘肃兰州人硕士研究生研究方向:车辆现代设计理论与方法、疲劳可靠性等研究通信作者:商跃进()男河北南皮人教授硕士研究方向:车辆现代设计理论与方法、疲劳可靠性等研究伤和疲劳寿命上述研究一般考虑的是静态载荷下名义滚动圆上接触点的应力分析而机车在工作过程中始终在一定范围内做横摆运动这种运动也是踏面磨耗和剥离等缺陷的主要诱因 为此笔者基于瞬态三维有限元法研究车轮橫动过程中的滚动接触应力变化以期为踏面缺陷分析、选修周期制定等提供理论依据 轮轨接触有限元模型.有限元求解方法轮轨接触问题通常采用增量方法求解 与一般的非线性问题区别在于它的每一个增量步中都必须将接触的约束条件作为定解条件和校核条件进而判断接触状态 计算时首先得到和时间 位形内平衡条件相等效虚位移方程然后在此基础上求得其.或.格式方程一般式描述如下:()式中:为节点质量矩阵 为节点刚度矩阵 为节点载荷矩阵 为节点位移 取零值为静态接触问题 隐式解法常常采取 方法进行迭代求解 的迭代公式为:()()()为了保证良好的计算精度轮轨接触有限元计算采用隐式求解法 隐式算法的计算速度主要由计算机内存决定采用并行计算能完成单机无法计算的大规模有限元模型考虑到计算模型规模比较大用单机无法胜任所以采用有限元并行计算.轮轨尺寸材料参数及 模型以 型机车轮对和有砟轨道的实际三维尺寸建立计算模型 型机车轮对的车轮直径为 采用磨耗型()踏面钢轨采用我国铁道行业标准 /轨道 由于辐板孔等因素对研究影响较小所以在建模时忽略了辐板孔的大小 由于 软件本身建模比较复杂本文使用 进行建模在 中进行 建模各个部件导出 _ 文件后再将每个独立的部件导入 中然后在 中通过 模块将各部件组成装配体组成的装配体 模型如图 所示.轮轨有限元模型的建立根据车轮在直线行驶时的接触情况以及它们所承受的力的特性建立了一个单侧轮轨模型并在车轮的几何中心点设置了一个参考点将它与车轮的内部表面相耦合 采用面面接触的方式将车轮踏面作为主面钢轨接触面作为从面以确保钢轨下表面和端面的自由度同时也约束车轮除滚动接触外的其他自由度以确保安全行驶接触面是指柔性体之间的表面接触而罚摩擦模型则是用来描述这种接触的最佳方式细化网格是提高计算精度的重要方法之一在轮轨计算中单元尺寸必须小于或等于.为了提高精度我们需要对轮轨可能接触的区域进行局部网格细化 这种方法遵循轮对细化的原则即通过每个接触区域的最小单元尺.进行细化 采用一阶六面体减缩积分单元()的离散技术两段钢轨上共产生了 个单元和 个节点从而实现了精确的离散分析 通过使用一阶六面体减缩积分单元()将车轮的细化区域的网格尺寸精确到.从而使得整个轮对的结构变得更加精确共计产生了 个单元和 个节点并且将其与有限元模型相结合如图 所示 图 轮轨接触模型图 简化后的轮轨接触模型 型机车车轮与兰新线、兰青线高寒高原复杂线路钢轨的材料力学性能如表 所列轮轨材料真实应力应变如图 所示表 车轮与钢轨材料属性、力学性能参数名称材料密度/()弹性模量/泊松比车轮 钢.钢轨 钢.图 轮轨材料真实应力应变图 根据 标准规定的计算载荷确定直线运行过程中的受力情况 对应直线运行时的受力状态车轮受到垂直方向力的作用为:车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 .()式中:为单个车轮承受的质量 是重力加速度根据给定的公式可以计算出每个轴箱所需的负载并将计算出的负载以集中应力的形式施加于轮对两端的轴箱上 横移量的影响假设车轮横移量为、并且忽略了超高、冲角和横向力的影响最终得出了表 中的轮轨接触情况表 不同车轮横移量作用下轮轨接触应力及接触斑的变化横移量/横向长度/纵向长度/最大法向压力/最大 应力/接触面积/最大等效塑性变形/(左轮).(左轮).(左轮).(左轮).(左轮).(左轮).(左轮).(右轮).(右轮).(右轮).(右轮).(右轮).(右轮).(右轮).横移量对轮轨接触应力的影响由表 中的计算结果可以得到接触应力随车轮横移量的变化规律如图 所示图 接触应力随横移量的变化 当横移量为 时轮轨接触应力最小随后不论车轮左移还是右移轮轨接触应力均逐渐增大在横移量为 时轮轨接触应力变化不大从整个变化过程中可以看出轮轨接触等效应力和接触斑最大法向压力的变化趋势基本一致另外可以看出横移量为 时的轮轨接触应力明显大于横移量为 时的轮轨接触应力 这是由于横移量为 时车轮轮缘离钢轨轨头内侧最远实际的滚动元半径最小 图 给出横移量为 和 时轮轨接触应力的等效应力云图当横移量为 和 时最大 应力相差不大图 不同横移量时轮轨接触等效应力.横移量对车轮接触斑面积的影响在不同横移量情况下获得了车轮表面接触斑的形状和面积大小如图 所示图 接触斑面积的变化图 接触斑长度的变化图 最大塑性变形的变化 从表、图 可以看出横移量从 变化到 时接触斑面积逐渐变大后又逐渐变小 横移量从 减到 时接触斑面积急速下降从 增加到 时接触斑面积先增加后减小当增加到 时接触斑面积达到最大超过 时轮轨接触面积机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究又减小 根据图 当横移量发生变化时接触斑的横向和纵向长度也会发生相应的变化这种变化是相互补充的也就是说当横向长度增加时纵向长度会减少反之亦然 根据图 当车轮横向移动时其表面会发生不同程度的塑性变形 当横向移动量达到 时车轮表面的塑性变形最小但是如果横向移动量超过了这个值那么最大的等效塑性变形量会迅速增加 轴重的影响轴重是影响轮轨接触状况的一个重要因素增加轴重之后轮轨间的相互作用力就会不可以避免地随之增大从而加剧了轮轨之间的摩擦力导致车轮频繁的镟修甚至过早报废更换 本节分别分析了轴重对轮轨静态接触和滚动接触的影响.轴重对轮轨静态接触的影响取机车横移量为 摇头角为 超高为 分别在轴重为、时所受载荷(见表)下分析轴重对轮轨接触应力和接触斑的影响结果见表 和图 所示表 不同轴重所对应的载荷参数参数值轴重/载荷/.表 轮轨接触计算结果轴重/最大 应力/最大剪切应力/最大法向接触压力/接触面积/.图 接触应力的变化 由表 及图 可以看出随着轴重的增大车轮踏面接触压力和最大剪切应力都随之增大 当轴重 从 提高到 时最大 应力增大了.当轴重从 提高到 时最大 应力增大了.随着轴重的不断增加车轮踏面体内外应力的增长速度相对缓慢但接触面积的增长却相对迅速这是因为轮轨之间的接触作用发生在表面凸起的细微处从而导致摩擦力在这些细微处产生塑性变形随着轴重的增加摩擦系数也会显著提升从而使得轮轨接触面积也有了显著的增加图 接触斑长度的变化图 接触面积的影响.轴重对轮轨滚动接触的影响.轮轨滚动接触有限元模型为了开展轴重对轮轨滚动接触的影响分析在.小节的基础上创建轮轨滚动接触有限元模型如图 所示 根据设定的轨道长度和机车速度设置车轮在直线轨道上沿 轴滚动并连续滚动一定的角度具体载荷步设置如图 所示图 轮轨滚动接触有 图 轮轨滚动接触限元模型计算工况.轴重对轮轨滚动接触应力的影响轴重分别取表 所示的不同轴重所对应的载荷进行轮轨滚动接触分析车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用当轴重取 时轮轨模型在滚动过程中车轮和钢轨 随时长的变化规律如图 可以看出刚开始滚动时车轮轨道等效应力均最大随着滚动的开始等效应力变化不大车轮的等效应力变化增幅最大不超过 钢轨的等效应力增幅最大不超过 钢轨的等效应力大于车轮的等效应力图 轮轨接触应力随时长的变化 图 为不同轴重时轮轨滚动接触等效应力的变化规律图 为滚动过程中各部位等效应力随轴重的变化规律 由图 可以看出随着轴重的增加轮轨之间的接触应力也会随之增大 由图 可以看出当轴重载荷增加时车轮轨道的等效应力也会相应增加而钢轨的等效应力则会发生相应的变化但是变化幅度较小最大差值仅为 图 轮轨滚动接触等效应 图 滚动过程中各部位等效力随轴重的变化应力随轴重的变化 结 论本文建立了轮轨三维有限元模型分析了横移量、轴重对轮轨静态接触和滚动接触的影响变化规律得到了以下结果()在车轮横移量发生变化的情况下接触应力和接触斑的变化也会发生改变而且这种改变受到横向接触斑的长度和接触面积的影响 如果横移量的绝对值超过 那么接触应力和最大塑性变形的变化就会更加显著 因此为了确保安全建议尽可能地减少这种情况的发生()随着轴重增加轮轨接触应力不大接触斑面积迅速增大 在轮轨滚动接触过程中随着轴重载荷的增加钢轨所受等效应力变化不大这可能与轮轨材料属性有关随着车轮所受等效应力急速增加可能导致车轮踏面产生疲劳磨损、剥离甚至表面塌陷的情况通过有限元计算开展机车轮对接触疲劳损伤研究此研究对减少轨道运营成本和保障机车安全运行具有重要工程意义分析过程和分析结果可以为兰州局 型机车在服役过程中轮对的镟修等实际工程问题提供一定的参考和依据参考文献:.()():./.():.():.():.():.周新建卢 勇王成国等.大功率机车轮轨接触应力计算分析.铁道机车车辆():.杨新文顾少杰练松良.轴重重载列车轮轨法向接触应力分析.铁道学报():.王滋昊王美令马思群.基于有限单元法轮对车轴系统动力学特性研究.大连交通大学学报():.赵鑫温泽峰王衡禹等.中国轨道交通轮轨滚动接触疲劳研究进展.交通运输工程学报():.肖乾方骏.铁道车辆轮轨滚动接触疲劳裂纹研究综述.华东交通大学学报():.刘清斌.高速动车组轮轴过盈配合对车轮强度和疲劳的影响.铁道机车与动车():.刘吉华翟玉江陈水友等.不同轴重下轮轨损伤行为研究.五邑大学学报(自然科学版)():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究