輪軌接觸力學(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上輪軌接觸動力學報告 關(guān)于輪軌接觸動力學的思考年級：2013級專業(yè)：載運工具應用工程姓名：劉新龍學號：關(guān)于輪軌接觸動力學的思考提高機車運行速度和加大牽引能力是當今世界鐵路發(fā)展的趨勢,而達到這一目的就必須深入輪軌關(guān)系的理論研究,改善機車的粘著利用水平。輪軌關(guān)系則是機車車輛、軌道系統(tǒng)中最基本、最復雜的一個問題,是特殊的、典型的三維滾動摩擦接觸問題。接觸理論始于1882年, 由H. Hertz發(fā)表的經(jīng)典論文論彈性固體的接觸。他提出了橢圓接觸面的假設, 把三維接觸問題簡化為彈性無限半空間問題。Hertz的研究成果為接觸理論奠定了堅實的基礎, 但Hertz理論僅局限于無摩擦表面及

2、理想彈性固體, 對于輪軌這樣復雜的三維滾動接觸問題顯然是不能準確求解的。近幾十年來,國內(nèi)外在輪軌滾動接觸問題的理論研究和實驗研究方面都取得了很大進展,但隨著鐵路技術(shù)的不斷提高,使用解析解法解決輪軌關(guān)系問題的局限性也愈加突出。在高速和重載的要求下,輪軌的波磨問題、疲勞損傷問題變得更加嚴重,而這些問題的產(chǎn)生都與輪軌間作用力有著直接的關(guān)系。因此,在現(xiàn)有輪軌滾動接觸理論的基礎上,使用有限元方法以精確模擬輪軌的幾何形狀及其相互接觸關(guān)系,將是今后解決輪軌關(guān)系問題的主要途徑。不斷增長的運輸量, 要求鐵路必須在保證安全的前提下, 增加貨物列車的重量, 提高客運列車的速度和運行品質(zhì)。因此, 新型機車車輛的設計、

3、制造和線路的建設與維護, 都迫切需要預知輪軌之間的動力作用特性。而現(xiàn)在人類已經(jīng)能夠準確地模擬一個飛行體在宇宙空間的運動并進行精確控制, 但卻不能精確摸擬鐵路輪軌的相互作用。可見輪軌關(guān)系及車輛線路相互作用仍然是鐵道車輛動力學的中心課題。機車車輛或者列車與鐵道線路是一個整體系統(tǒng), 在這個系統(tǒng)中, 它們相互關(guān)聯(lián), 相互作用。因此在研究機車車輛動力學性能時, 不能簡單地視線路為外激干擾。換言之, 線路也并不存在獨立于列車的激擾特性。引起系統(tǒng)產(chǎn)生振動和其它動力作用的是鋼軌和車輪的滾動面上實際存在的不平順和其它幾何技術(shù)特性,當然還有列車中車輛與車輛之間, 機車與車輛之間的相互作用。在輪軌滾動接觸力學研究方

4、面作出重大貢獻的是荷蘭學者Kalker教授,他的一系列研究成果是當今各國鐵路公認的權(quán)威之作。1967年Kalker在吸取了眾多學者理論的基礎上, 在其博士論文中用多項式級數(shù)表達了具有橢圓接觸斑的滾動接觸問題的解,從而把二維理論發(fā)展成為三維理論。從60年代到80年代他不斷地對其理論進行發(fā)展, 并且先后研制出了DUVO ROL程序和CON T AC T 程序, 可以對Hertz非Hertz的三維彈性體滾動接觸問題進行求解。Kalker的三維非Hertz滾動接觸理論在其數(shù)值實現(xiàn)過程中,引入了彈性力學中的彈性半空間假設,即將輪軌視為兩個無限彈性半空間,因而根本無法精確模擬車輪踏面與鋼軌的幾何形狀,而當

5、列車輪緣與鋼軌貼靠，形成拱形接觸或兩點接觸時,計算模型與實際情況將相差甚遠。另外,基于這種假設的計算對輪軌接觸塑性分析更是無能為力。彈塑性問題和接觸問題都是邊界待定問題,在物體受力后,在內(nèi)部既產(chǎn)生了彈性區(qū)又可能產(chǎn)生塑性區(qū),彈性和塑性區(qū)域的交界面是待定的; 在接觸交界面處,兩個物體的實際接觸區(qū)也是待定的。但這兩個邊界待定問題的特點都是: 待定的邊界總是由總體平衡和受物體各部分剛度比制約的內(nèi)部變形決定的,也就是說需要通過變分才能弄清邊界面在何處。彈塑性問題和接觸問題都是邊界待定問題,在物體受力后,在內(nèi)部既產(chǎn)生了彈性區(qū)又可能產(chǎn)生塑性區(qū),彈性和塑性區(qū)域的交界面是待定的; 在接觸交界面處,個物體的實際接

6、觸區(qū)也是待定的。但這兩個邊界待定問題的特點都是: 待定的邊界總是由總體平衡和受物體各部分剛度比制約的內(nèi)部變形決定的,也就是說需要通過變分才能弄清邊界面在何處。我國鐵路正線通過總重增長迅速。貨運密度在世界鐵路中占第二位。因此鋼軌的重型化應當是發(fā)展方向。重型軌道的成套技術(shù)將是重點研究任務之一。根據(jù)前節(jié)的敘述, 和國內(nèi)外的經(jīng)驗, 重軌線路比輕軌線路有著很大的技術(shù)經(jīng)濟效果, 但重軌線路雖然抵抗垂直和水平力的能力增加, 軌道殘余變形積累減少, 但可預見, 軌頭接觸區(qū)接觸應力和軌頭內(nèi)最大剪應力將增大。為了減少重軌的接觸應力, 應考慮增大重軌頂面的半徑, 提高鋼軌的強度, 特別是提高。使鋼軌材質(zhì)具有抗接觸疲

7、勞損傷、抗剝離、抗冷脆耐磨和可焊性好的綜合耐用能力, 這就是強韌化。因此強韌化也應當是我國鋼軌的發(fā)展方向。重型化和強韌化的結(jié)合, 才能適應我國鐵道繁忙干線和重載線路的發(fā)展。各國鐵路普遍關(guān)心的機車車輛的動力學性能是以安全為中心的各項響應數(shù)值。它們包括脫軌安全性、曲線通過性能(動態(tài), 穩(wěn)態(tài)和通過緩和曲線的性能) 、直線運行穩(wěn)定性、對軌道的破壞作用以及其運行品質(zhì)(平穩(wěn)性) 。近20 年來, 隨著計算技術(shù)的發(fā)展, 車輛動力學及安全評價的分析技術(shù)有了長足的進展, 開發(fā)了很多應用軟件, 有人甚至提出了分析手段會替代試驗的預言和觀點。但是至今對安全性的最終評定仍離不開在線路上的試驗。各國情況不同,所采用的方

8、法也不盡一致, 作為其中幾種典型的北美鐵路、英國鐵路和歐洲大陸各國鐵路在幾項重要動力學性能評價上存在較大差別。從發(fā)表的研究論文中還可看到若干活躍的領(lǐng)域和令人關(guān)注的課題, 如在摸擬分析領(lǐng)域中的非線性穩(wěn)定性研究, 非線性問題的數(shù)值解法, 獨立輪對車輛動力學以及自導向轉(zhuǎn)向架動力學及參數(shù)研究。在試驗研究和模擬試驗領(lǐng)域的車輛振動、滾動試驗臺模擬試驗, 高速、重載鐵路的輪軌接觸損傷試驗研究及動態(tài)接觸摸擬試驗研究等, 雖然課題眾多, 但從學者們廣泛注視的問題和車輛動力學研究的發(fā)展趨勢看, 筆者認為有以下結(jié)論:1. 輪/軌相互作用研究的發(fā)展和實際問題的需要, 研究高頻動力學是必然趨勢。2. 車輛/線路是不可分

9、的整體系統(tǒng), 其中線路模型的研究尚欠完善, 特別是模型參數(shù)的測量和試驗識別技術(shù)更待發(fā)展。3. 動力學性能和安全評價的試驗技術(shù)和評定標準仍需發(fā)展, 有關(guān)的分析軟件的可靠性和適用范圍有待進一步驗證。4. 新結(jié)構(gòu)和主動控制技術(shù)是有發(fā)展前景和實用潛力的研究方向。筆者認為：將車輛與線路綜合為一個整體系統(tǒng)正逐步成為輪/軌相互作用的研究方向。車輛/線路系統(tǒng)的各子系統(tǒng)已有眾多各具特色的模型, 重要的不是模型的型式而在于符合具體問題的需要和恰當?shù)膮?shù)。特別是線路模型, 我國實際線路的路基、道床及軌道結(jié)構(gòu)與國外情況不同,不能直接沿用國外的試驗數(shù)據(jù)和模型參數(shù)。因此, 應用系統(tǒng)識別理論, 通過試驗, 確定我國線路系統(tǒng)

10、模型中的各項參數(shù), 是一項重要而有意義的課題。鐵道部科學研究院的軌道動力學試驗室, 環(huán)行試驗鐵道及專用試驗車為開展此課題研究提供了極好的條件。近20 年來, 世界各國針對各類專題編制了近300個車輛及軌道動力學計算程序。我國也曾組織開發(fā)過一套機車車輛動力學分析軟件包, 最近又引進了NUCARS 、MEDNA等。通用軟件, 今后的任務應該是, 一方面對國內(nèi)的軟件在驗證的基礎上進行規(guī)范化、實用化、商品化改造, 使之成為功能強、便于工程使用的通用軟件; 另一方面對引進的軟件, 在消化吸的基礎上, 在中國鐵路條件下確認它們的實用范圍。隨著高速鐵路的發(fā)展, 主動控制技術(shù)、磁軌制動技術(shù)等新技術(shù)的應用不可避

11、免。那時,機車車輛系統(tǒng)將不再是單一能量范疇, 而是機械、電、液壓、熱以至磁和流體等多種能量藕合系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能也會受多種基本物理過程的影響。有效應用于系統(tǒng)動力學研究的鍵合圖方法(Method of Bond Graph) 提供了一種統(tǒng)一處理多種能量范疇的工程系統(tǒng)的動態(tài)分析方法。它把多種物理參量統(tǒng)一地歸納成四種狀態(tài)變量勢、流、變位和動量變量, 同時采用了n 種“ 元件” 表征基本物理性能和描述功率變換及守恒的基本連接方式。然后可以根據(jù)系統(tǒng)中功率流方向, 按照規(guī)定的步驟制定系統(tǒng)鍵合圖模型, 并列出由狀態(tài)變量所描述的系統(tǒng)的狀態(tài)方程。有了圖形和數(shù)學描述的統(tǒng)一格式, 只要制定一個完全增廣定向的鍵合圖模型

12、輸入計算機, 利用計算機技術(shù)的功能, 即能得出仿真結(jié)果。與用微分方程、差分方程描述系統(tǒng)的數(shù)學模型不同, 鍵合圖方法是以狀態(tài)方程為數(shù)學模型的狀態(tài)空間法進行系統(tǒng)分析。它是在研究對象日趨復雜, 計算技術(shù)日益提高的背景下產(chǎn)生發(fā)展的。它不僅適用于線性系統(tǒng)和定參數(shù)系統(tǒng), 而且適用于非線性系統(tǒng)和時變參量系統(tǒng), 特別對于多輸入多輸出和隨機輸入的情況更有其優(yōu)越性。車輛動力學的模擬分析技術(shù)至今不能代替運行去評定車輛的性能, 其重要原因之一是我們對某些基本物理現(xiàn)象的機理認識淺陋, 如輪軌粘著、磨耗、脫軌機理是在靜態(tài)或準靜態(tài)模型上得出的理論；碰撞、沖擊作用也都簡化為靜力載荷等等, 另一方面, 這些靜態(tài)理論得出的近似公式已成為各國制定設計規(guī)范和評定標準的依據(jù)。因此要解決分析與試驗的差異, 使規(guī)范和標準不致制約鐵路技術(shù)的發(fā)展, 車輛動力學的另一個任務應該在動態(tài)輪軌粘著機理、動態(tài)脫軌機理、沖擊載荷對結(jié)構(gòu)的動態(tài)效應及機制等課題上有所進展。研究的目的在于應用。并非理論模型越復雜結(jié)果越精確, 相反, 應針對研究對象和研究目的, 采用盡量簡單合理的模型及解法, 重要的是預測的性能必須與試驗和觀察現(xiàn)象的一致性。因此,試驗技術(shù)無論是對分析結(jié)果的驗證, 或者是直接用以評價車輛動力學性能都是不可缺少的條件。所以我們不能忽視試驗技術(shù)以及對試驗數(shù)據(jù)的分析技術(shù)