轮轨接触力学

牵引动力中心学号：13217021刘新龙1轮轨接触动力学报告—关于轮轨接触动力学的思考年级：2013级专业：载运工具应用工程姓名：刘新龙学号：13217021牵引动力中心学号：13217021刘新龙2关于轮轨接触动力学的思考提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路发展的趋势,而达到这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究,改善机车的粘着利用水平。轮轨关系则是机车车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。接触理论始于1882年,由H.Hertz发表的经典论文《论弹性固体的接触》。他提出了椭圆接触面的假设,把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的基础,但Hertz理论仅局限于无摩擦表面及理想弹性固体,对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。近几十年来,国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展,但随着铁路技术的不断提高,使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。在高速和重载的要求下,轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重,而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。因此,在现有轮轨滚动接触理论的基础上,使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系,将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。不断增长的运输量,要求铁路必须在保证安全的前提下,增加货物列车的重量,提高客运列车的速度和运行品质。因此,新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护,都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制,但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统,在这个系统中,它们相互关联,相互作用。因此在研究机车车辆动力学性能时,不能简单地视线路为外激干扰。换言之,线路也并不存在独立于列车的激扰特性。引起系统产生振动和其它动力作用的是钢轨和车轮的滚动面上实际存在的不平顺和其它几何技术特性,当然还有列车中车辆与车辆之间,机车与车辆之间的相互作用。牵引动力中心学号：13217021刘新龙3在轮轨滚动接触力学研究方面作出重大贡献的是荷兰学者Kalker教授,他的一系列研究成果是当今各国铁路公认的权威之作。1967年Kalker在吸取了众多学者理论的基础上,在其博士论文中用多项式级数表达了具有椭圆接触斑的滚动接触问题的解,从而把二维理论发展成为三维理论。从60年代到80年代他不断地对其理论进行发展,并且先后研制出了DUVOROL程序和CONTACT程序,可以对Hertz非Hertz的三维弹性体滚动接触问题进行求解。Kalker的三维非Hertz滚动接触理论在其数值实现过程中,引入了弹性力学中的弹性半空间假设,即将轮轨视为两个无限弹性半空间,因而根本无法精确模拟车轮踏面与钢轨的几何形状,而当列车轮缘与钢轨贴靠，形成拱形接触或两点接触时,计算模型与实际情况将相差甚远。另外,基于这种假设的计算对轮轨接触塑性分析更是无能为力。弹塑性问题和接触问题都是边界待定问题,在物体受力后,在内部既产生了弹性区又可能产生塑性区,弹性和塑性区域的交界面是待定的;在接触交界面处,两个物体的实际接触区也是待定的。但这两个边界待定问题的特点都是:待定的边界总是由总体平衡和受物体各部分刚度比制约的内部变形决定的,也就是说需要通过变分才能弄清边界面在何处。弹塑性问题和接触问题都是边界待定问题,在物体受力后,在内部既产生了弹性区又可能产生塑性区,弹性和塑性区域的交界面是待定的;在接触交界面处,个物体的实际接触区也是待定的。但这两个边界待定问题的特点都是:待定的边界总是由总体平衡和受物体各部分刚度比制约的内部变形决定的,也就是说需要通过变分才能弄清边界面在何处。我国铁路正线通过总重增长迅速。货运密度在世界铁路中占第二位。因此钢轨的重型化应当是发展方向。重型轨道的成套技术将是重点研究任务之一。根据前节的叙述,和国内外的经验,重轨线路比轻轨线路有着很大的技术经济效果,但重轨线路虽然抵抗垂直和水平力的能力增加,轨道残余变形积累减少,但可预见,轨头接触区接触应力和轨头内最大剪应力将增大。为了减少重轨的接触应力,应考虑增大重轨顶面的半径,提高钢轨的强度,特别是提高。使钢轨材质具有抗接触疲劳损伤、抗剥离、抗冷脆耐磨和可焊性好的综合耐用能力,这就是强韧化。因此强韧化也应当是我国钢轨的发展方向。重型化和强韧化的结合,才能适应我国铁道繁忙干线和重载线路的发展。牵引动力中心学号：13217021刘新龙4各国铁路普遍关心的机车车辆的动力学性能是以安全为中心的各项响应数值。它们包括脱轨安全性、曲线通过性能(动态,稳态和通过缓和曲线的性能)、直线运行稳定性、对轨道的破坏作用以及其运行品质(平稳性)。近20年来,随着计算技术的发展,车辆动力学及安全评价的分析技术有了长足的进展,开发了很多应用软件,有人甚至提出了分析手段会替代试验的预言和观点。但是至今对安全性的最终评定仍离不开在线路上的试验。各国情况不同,所采用的方法也不尽一致,作为其中几种典型的北美铁路、英国铁路和欧洲大陆各国铁路在几项重要动力学性能评价上存在较大差别。从发表的研究论文中还可看到若干活跃的领域和令人关注的课题,如在摸拟分析领域中的非线性稳定性研究,非线性问题的数值解法,独立轮对车辆动力学以及自导向转向架动力学及参数研究。在试验研究和模拟试验领域的车辆振动、滚动试验台模拟试验,高速、重载铁路的轮轨接触损伤试验研究及动态接触摸拟试验研究等,虽然课题众多,但从学者们广泛注视的问题和车辆动力学研究的发展趋势看,笔者认为有以下结论:1.轮/轨相互作用研究的发展和实际问题的需要,研究高频动力学是必然趋势。2.车辆/线路是不可分的整体系统,其中线路模型的研究尚欠完善,特别是模型参数的测量和试验识别技术更待发展。3.动力学性能和安全评价的试验技术和评定标准仍需发展,有关的分析软件的可靠性和适用范围有待进一步验证。4.新结构和主动控制技术是有发展前景和实用潜力的研究方向。笔者认为：将车辆与线路综合为一个整体系统正逐步成为轮/轨相互作用的研究方向。车辆/线路系统的各子系统已有众多各具特色的模型,重要的不是模型的型式而在于符合具体问题的需要和恰当的参数。特别是线路模型,我国实际线路的路基、道床及轨道结构与国外情况不同,不能直接沿用国外的试验数据和牵引动力中心学号：13217021刘新龙5模型参数。因此,应用系统识别理论,通过试验,确定我国线路系统模型中的各项参数,是一项重要而有意义的课题。铁道部科学研究院的轨道动力学试验室,环行试验铁道及专用试验车为开展此课题研究提供了极好的条件。近20年来,世界各国针对各类专题编制了近300个车辆及轨道动力学计算程序。我国也曾组织开发过一套机车车辆动力学分析软件包,最近又引进了NUCARS、MEDNA等。通用软件,今后的任务应该是,一方面对国内的软件在验证的基础上进行规范化、实用化、商品化改造,使之成为功能强、便于工程使用的通用软件;另一方面对引进的软件,在消化吸的基础上,在中国铁路条件下确认它们的实用范围。随着高速铁路的发展,主动控制技术、磁轨制动技术等新技术的应用不可避免。那时,机车车辆系统将不再是单一能量范畴,而是机械、电、液压、热以至磁和流体等多种能量藕合系统。系统的性能也会受多种基本物理过程的影响。有效应用于系统动力学研究的键合图方法(MethodofBondGraph)提供了一种统一处理多种能量范畴的工程系统的动态分析方法。它把多种物理参量统一地归纳成四种状态变量势、流、变位和动量变量,同时采用了n种“元件”表征基本物理性能和描述功率变换及守恒的基本连接方式。然后可以根据系统中功率流方向,按照规定的步骤制定系统键合图模型,并列出由状态变量所描述的系统的状态方程。有了图形和数学描述的统一格式,只要制定一个完全增广定向的键合图模型输入计算机,利用计算机技术的功能,即能得出仿真结果。与用微分方程、差分方程描述系统的数学模型不同,键合图方法是以状态方程为数学模型的状态空间法进行系统分析。它是在研究对象日趋复杂,计算技术日益提高的背景下产生发展的。它不仅适用于线性系统和定参数系统,而且适用于非线性系统和时变参量系统,特别对于多输入多输出和随机输入的情况更有其优越性。车辆动力学的模拟分析技术至今不能代替运行去评定车辆的性能,其重要原因之一是我们对某些基本物理现象的机理认识浅陋,如轮轨粘着、磨耗、脱轨机理是在静态或准静态模型上得出的理论；碰撞、冲击作用也都简化为静力载荷等等,另一方面,这些静态理论得出的近似公式已成为各国制定设计规范和评牵引动力中心学号：13217021刘新龙6定标准的依据。因此要解决分析与试验的差异,使规范和标准不致制约铁路技术的发展,车辆动力学的另一个任务应该在动态轮轨粘着机理、动态脱轨机理、冲击载荷对结构的动态效应及机制等课题上有所进展。研究的目的在于应用。并非理论模型越复杂结果越精确,相反,应针对研究对象和研究目的,采用尽量简单合理的模型及解法,重要的是预测的性能必须与试验和观察现象的一致性。因此,试验技术无论是对分析结果的验证,或者是直接用以评价车辆动力学性能都是不可缺少的条件。所以我们不能忽视试验技术以及对试验数据的分析技术的发展与提高,要研究测试方法、提高测量精度,并且从测量数据中获取更多的信息。主动悬挂与控制技术固然能有效地改善车辆动力学性能,但它毕竟技术复杂,增加车辆的故障率而且耗费能源。借鉴国外常常出现简化或创新机构的新思路的情况,说明创造发明新型车辆走行部结构的道路并未穷尽。因此,在我国新型机车车辆的设计研制中,结合我国的条件,创造性地开展新结构研究,也是车辆动力学工作者的任务。