基于蠕滑机理的重载货车车轮磨耗研究

摘要

在货车轴重不断增大的条件下，展开车轮磨耗的研究工作对于如何减轻轮轨磨耗和提高运输经济效益具有重要的指导意义。本文在SIMPACK中建立车辆系统动力学模型，采用傅立叶逆变换将轨道不平顺功率谱密度转换为时域不平顺序列，基于MATLAB软件编制了车轮踏面磨耗仿真程序WWS。根据仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正，系统研究影响重载货车车轮磨耗的关键问题，从车轮磨耗的角度确定了轴重与运行速度的匹配关系。通过对车辆非理想状态下的车轮磨耗仿真，分析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性。研究钢轨表面滚动接触疲劳损伤的特征，对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合关系进行数值模拟。取得的主要结果和结论如下：
　　1.半赫兹接触的接触斑形状较赫兹接触更接近于CONTACT，同时基于半赫兹接触的FASTSIM算法的计算结果与CONTACT比较接近，而且计算速度较快，因此半赫兹接触可以应用于需要大量轮轨滚动接触计算的车轮磨耗仿真。
　　2.在半赫兹接触中考虑弹性剪切变形对滑动速度的影响时，其磨耗计算结果与CONTACT的结果比较接近，具有较高的精度。法向载荷主要影响Jendel模型的第Ⅳ磨耗区，蠕滑率和摩擦系数同时接触斑内黏滑区的分布和磨耗区的分布。在小蠕滑工况下，Braghin模型的磨耗最大，Jendel模型次之，Zobory模型最小，而在大蠕滑工况下，Jendel模型的磨耗远大于其余两种模型。
　　3.美国轨道谱各种中心线不平顺之间相关系数均小于0.3，为微弱相关，可以直接将中心线的轨道不平顺等效转换为左、右轨道的垂向和横向不平顺。转换后的美国五级谱左、右轨垂向和横向不平顺谱密度与中国干线谱进行比较，在低频部分(<1.5Hz)，美国五级谱略大于中国干线谱，在中等频率(1.5Hz～15Hz)部分，基本和中国三大干线谱相当，在高频部分(>15Hz)，低于中国干线谱。
　　4.小波滤波平滑能更好反映原始数据的分布情况，同时最大更新磨耗深度取0.1mm时能较好满足计算速度和计算精度要求。利用Zobory模型、Jendel模型和Braghin模型对重载货车在环形线和大秦线上的车轮磨耗仿真结果都大于实测结果，最后对Zobory模型进行了修正，并分析了磨耗后车轮对车辆动力学性能的影响。
　　5.在文中所设线路条件下，轴重的增加主要影响踏面上磨耗的增大，对轮缘上的磨耗影响不大。摆动式转向架和交叉支撑转向架车轮的磨耗行为比较接近，而径向式转向架能有效减轻车轮轮缘磨耗。车辆定距越大，车轮踏面上的磨耗越小。对三大件式转向架，一系横向定位刚度和垂向刚度对车轮磨耗的影响不大，一系纵向定位刚度对车轮的磨耗寿命和轮缘磨耗均有较大影响。轴距增加使车轮磨耗寿命减小，同时加剧轮缘磨耗。轮径越大，车轮踏面圆周磨耗深度和踏面磨耗面积越小。曲线半径的增大能使车轮磨耗急剧减小，但随着半径的增大，磨耗减小的幅度变小。轨砸加宽可以减轻车轮踏面上的磨耗，延长车轮磨耗寿命。当LM踏面与CN75钢轨匹配时，从车轮磨耗的角度来说轨底坡取1/40是合理的。采用CN75钢轨较CN60和UIC60能有效减轻车轮踏面上的磨耗。线路等级越差，车轮轮缘和踏面上的磨耗越大。运行速度主要影响车轮踏面上的磨耗，且运行速度越大，车轮磨耗寿命减小的幅度越大。轮轨摩擦系数为0.1时车轮磨耗咀显减小，而摩擦系数分别为0.25、0.4和0.55时车轮磨耗变化不大。以25t轴重以100km/h速度运行时的段修磨耗寿命为基准，轴重为27.5t时不需要降速运行，30t轴重时需降速到85km/h，32.5t轴重时需降到80km/h，35t轴重时需降到60km/h以下。
　　6.初始安装偏转角ψ0对平衡后轮对冲角影响较大，而轮径差△D主要影响轮对横移量，同时低的踏面等效锥度更容易形成大的轮对冲角和横移量。ψ0和△D都会导致车轮磨耗寿命减少，其中ψ0对车轮磨耗寿命的影响较大，而△D主要导致车轮出现偏磨。从减轻车轮磨耗的角度看，摆动式转向架和交叉支撑转向架对车辆非理想状态的适应性较好，径向式转向架的适应性较差。
　　7.车辆在速度和轴重增加的情况下均会加剧钢轨的疲劳损伤，并存在一个拐点，超过拐点后由于钢轨磨损加剧而使损伤减小。在半径小于600m的曲线上采用轮缘润滑措施会使外侧钢轨的疲劳损伤系数急剧增大，严重影响列车行车安全，故对轮缘润滑要慎用，并应与钢轨打磨配合使用。车轮材料磨耗和RCF损伤的耦合关系与轮轨接触条件和车轮材质有关。摩擦系数和蠕滑较小时，由于磨耗较小，材料容易发生RCF损伤；大的摩擦系数和蠕滑率则使磨耗占据主导地位，材料不会发生RCF损伤。贝氏体钢由于屈服强度较高，比CL60钢更能抑制RCF损伤的发生。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 论文选题背景

1.1.1 国内外重载货物运输的发展

1.1.2 重载货车车轮磨耗研究的必要性

1.2 国内外轮轨磨耗的研究现状和存在的问题

1.2.1 轮轨滚动接触理论

1.2.2 轮轨磨耗试验及仿真

1.2.3 轮轨磨耗和滚动接触疲劳耦合关系的研究

1.2.4 国内研究现状

1.2.5 存在的问题

1.3 本文的主要研究内容

第2章 轮轨滚动接触理论及应用分析

2.1 轮轨滚动接触的法向问题

2.1.1 赫兹接触理论

2.1.2 Kalker三维非赫兹滚动接触理论

2.1.3 半赫兹接触理论

2.1.4 多点赫兹接触法

2.1.5 基于有限元的法向接触分析

2.1.6 利用超声波解决轮轨法向接触问题

2.1.7 法向接触模型对比分析

2.2 轮轨滚动接触的切向问题

2.2.1 Carter滚动接触理论

2.2.2 Johnson-Vermeulen滚动接触理论

2.2.3 Kalker线性理论

2.2.4 Kalker简化理论

2.2.5 Kalker精确理论

2.2.6 小自旋条件下的蠕滑力计算模型

2.2.7 Polach蠕滑力计算模型

2.2.8 滚动接触理论的对比分析

2.2.9 基于半赫兹接触的 FASTSIM算法

2.3 本章小结

第3章 车轮踏面磨耗模型研究

3.1 国内外轮轨磨耗试验分析

3.1.1 Bolton和Clayton的试验

3.1.2 Zakharov和Komarovsky的试验

3.1.3 Olofsson和 Telliskivi的试验

3.1.4 国内的磨耗试验

3.2 车轮踏面磨耗模型分析

3.2.1 Pearce模型

3.2.2 Zobory模型

3.2.3 Jendel模型

3.2.4 Braghin模型

3.2.5 Vuong模型

3.3 接触斑内滑动速度分布

3.3.1 刚性滑动速度和弹性滑动速度

3.3.2 刚性滑动速度和弹性滑动速度对比分析

3.4 磨耗模型对比分析

3.4.1 影响磨耗区分布的因素分析

3.4.2 接触斑内磨耗量对比分析

3.5 本章小结

第4章 重载货车动力学模型及轨道不平顺数值模拟

4.1 车辆系统动力学模型

4.1.1 动力学模型中的简化处理

4.1.2 在SIMPACK中建立动力学模型

4.2 轨道不平顺激励

4.2.1 轨道不平顺的几何描述

4.2.2 轨道不平顺的数值模拟

4.2.3 中心线轨道不平顺相关性分析与验证

4.2.4 左右轨道不平顺的转换及与中国干线谱的比较

4.3 本章小结

第5章 重载货车车轮磨耗研究

5.1 车轮踏面磨耗仿真流程

5.2 磨耗深度平滑处理

5.2.1 滑动平均法平滑

5.2.2 FFT低通滤波平滑

5.2.3 小波滤波平滑

5.2.4 平滑效果比较

5.3 车轮踏面更新策略

5.4.轮轨几何接触关系

5.4.1 轮轨坐标系

5.4.2 轮轨型面坐标转换

5.4.3 轮轨接触点的确定

5.4.4 计算实例

5.5 磨耗仿真程序的编制

5.5.1 WWS程序的仿真计算流程

5.5.2 WWS程序的功能

5.6 货车车轮磨耗统计及仿真

5.6.1 提速货车120km/h环形线可靠性试验

5.6.2 环形线可靠性试验车轮磨耗实测结果

5.6.3 环形线上的车轮磨耗仿真

5.6.4 大秦线线路条件及货车车轮磨耗统计结果

5.6.5 大秦线上车轮磨耗仿真

5.7 车轮磨耗模型的修正

5.8 货车车轮磨耗寿命预测

5.9 车轮磨耗对车辆动力学行为的影响

5.9.1 车轮磨耗对车辆运行稳定性的影响

5.9.2 车轮磨耗对车辆运行安全性的影响

5.9.3 车轮磨耗对车辆运行平稳性的影响

5.10 本章小结

第6章 影响重载货车车轮磨耗的关键问题研究

6.1 车辆系统参数对车轮磨耗的影响

6.1.1 轴重对车轮磨耗的影响

6.1.2 转向架型式对车轮磨耗的影响

6.1.3 车辆定距对车轮磨耗的影响

6.1.4 一系定位刚度对车轮磨耗的影响

6.1.5 转向架轴距对车轮磨耗的影响

6.1.6 轮径对车轮磨耗的影响

6.2 轨道系统参数对车轮磨耗的影响

6.2.1 曲线半径对车轮磨耗的影响

6.2.2 轨距对车轮磨耗的影响

6.2.3 钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响

6.2.4 钢轨型面对车轮磨耗的影响

6.2.5 轨道不平顺对车轮磨耗的影响

6.3 运营条件对车轮磨耗的影响

6.3.1 运行速度对车轮磨耗的影响

6.3.2 轮轨摩擦系数对车轮磨耗的影响

6.4 车辆运行速度与轴重的匹配关系

6.5 本章小结

第7章 车辆非理想状态下的车轮磨耗研究

7.1 车辆非理想状态下的轮对平衡位置

7.1.1 初始安装偏转角和轮径差对轮对平衡位置的影响

7.1.2 等效锥度对轮对平衡位置的影响

7.1.3 一系定位刚度对轮对平衡位置的影响

7.2 直线上车辆非理想状态下的车轮磨耗行为研究

7.2.1 有初始安装偏转角时的车轮磨耗仿真

7.2.2 有轮径差时的车轮磨耗仿真

7.3 曲线上车辆非理想状态下的车轮磨耗行为研究

7.4 转向架结构对车辆非理想状态的适应性

7.5 本章小结

第8章 轮轨滚动接触疲劳与磨耗的耦合关系研究

8.1 基于磨耗数的钢轨滚动接触疲劳研究

8.1.1 钢轨RCF损伤系数

8.1.2 钢轨RCF损伤系数计算

8.2 车轮磨耗和RCF耦合关系数值模拟

8.2.1“layer”滚动接触疲劳失效模型

8.2.2 轮轨接触条件

8.2.3 磨耗与RCF耦合关系仿真结果

8.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研工作