輪軌接觸力學(xué)(共6頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上輪軌接觸動(dòng)力學(xué)報(bào)告 關(guān)于輪軌接觸動(dòng)力學(xué)的思考年級(jí)：2013級(jí)專(zhuān)業(yè)：載運(yùn)工具應(yīng)用工程姓名：劉新龍學(xué)號(hào)：關(guān)于輪軌接觸動(dòng)力學(xué)的思考提高機(jī)車(chē)運(yùn)行速度和加大牽引能力是當(dāng)今世界鐵路發(fā)展的趨勢(shì),而達(dá)到這一目的就必須深入輪軌關(guān)系的理論研究,改善機(jī)車(chē)的粘著利用水平。輪軌關(guān)系則是機(jī)車(chē)車(chē)輛、軌道系統(tǒng)中最基本、最復(fù)雜的一個(gè)問(wèn)題,是特殊的、典型的三維滾動(dòng)摩擦接觸問(wèn)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(shè), 把三維接觸問(wèn)題簡(jiǎn)化為彈性無(wú)限半空間問(wèn)題。Hertz的研究成果為接觸理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ), 但Hertz理論僅局限于無(wú)摩擦表面及

2、理想彈性固體, 對(duì)于輪軌這樣復(fù)雜的三維滾動(dòng)接觸問(wèn)題顯然是不能準(zhǔn)確求解的。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外在輪軌滾動(dòng)接觸問(wèn)題的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究方面都取得了很大進(jìn)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(wèn)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(wèn)題、疲勞損傷問(wèn)題變得更加嚴(yán)重,而這些問(wèn)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(dòng)接觸理論的基礎(chǔ)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(wèn)題的主要途徑。不斷增長(zhǎng)的運(yùn)輸量, 要求鐵路必須在保證安全的前提下, 增加貨物列車(chē)的重量, 提高客運(yùn)列車(chē)的速度和運(yùn)行品質(zhì)。因此, 新型機(jī)車(chē)車(chē)輛的設(shè)計(jì)、

3、制造和線路的建設(shè)與維護(hù), 都迫切需要預(yù)知輪軌之間的動(dòng)力作用特性。而現(xiàn)在人類(lèi)已經(jīng)能夠準(zhǔn)確地模擬一個(gè)飛行體在宇宙空間的運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行精確控制, 但卻不能精確摸擬鐵路輪軌的相互作用?？梢?jiàn)輪軌關(guān)系及車(chē)輛線路相互作用仍然是鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的中心課題。機(jī)車(chē)車(chē)輛或者列車(chē)與鐵道線路是一個(gè)整體系統(tǒng), 在這個(gè)系統(tǒng)中, 它們相互關(guān)聯(lián), 相互作用。因此在研究機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能時(shí), 不能簡(jiǎn)單地視線路為外激干擾。換言之, 線路也并不存在獨(dú)立于列車(chē)的激擾特性。引起系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和其它動(dòng)力作用的是鋼軌和車(chē)輪的滾動(dòng)面上實(shí)際存在的不平順和其它幾何技術(shù)特性,當(dāng)然還有列車(chē)中車(chē)輛與車(chē)輛之間, 機(jī)車(chē)與車(chē)輛之間的相互作用。在輪軌滾動(dòng)接觸力學(xué)研究方

4、面作出重大貢獻(xiàn)的是荷蘭學(xué)者Kalker教授,他的一系列研究成果是當(dāng)今各國(guó)鐵路公認(rèn)的權(quán)威之作。1967年Kalker在吸取了眾多學(xué)者理論的基礎(chǔ)上, 在其博士論文中用多項(xiàng)式級(jí)數(shù)表達(dá)了具有橢圓接觸斑的滾動(dòng)接觸問(wèn)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(duì)其理論進(jìn)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(duì)Hertz非Hertz的三維彈性體滾動(dòng)接觸問(wèn)題進(jìn)行求解。Kalker的三維非Hertz滾動(dòng)接觸理論在其數(shù)值實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,引入了彈性力學(xué)中的彈性半空間假設(shè),即將輪軌視為兩個(gè)無(wú)限彈性半空間,因而根本無(wú)法精確模擬車(chē)輪踏面與鋼軌的幾何形狀,而當(dāng)

5、列車(chē)輪緣與鋼軌貼靠，形成拱形接觸或兩點(diǎn)接觸時(shí),計(jì)算模型與實(shí)際情況將相差甚遠(yuǎn)。另外,基于這種假設(shè)的計(jì)算對(duì)輪軌接觸塑性分析更是無(wú)能為力。彈塑性問(wèn)題和接觸問(wèn)題都是邊界待定問(wèn)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(gè)物體的實(shí)際接觸區(qū)也是待定的。但這兩個(gè)邊界待定問(wèn)題的特點(diǎn)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(shuō)需要通過(guò)變分才能弄清邊界面在何處。彈塑性問(wèn)題和接觸問(wèn)題都是邊界待定問(wèn)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(gè)物體的實(shí)際接

6、觸區(qū)也是待定的。但這兩個(gè)邊界待定問(wèn)題的特點(diǎn)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(shuō)需要通過(guò)變分才能弄清邊界面在何處。我國(guó)鐵路正線通過(guò)總重增長(zhǎng)迅速。貨運(yùn)密度在世界鐵路中占第二位。因此鋼軌的重型化應(yīng)當(dāng)是發(fā)展方向。重型軌道的成套技術(shù)將是重點(diǎn)研究任務(wù)之一。根據(jù)前節(jié)的敘述, 和國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn), 重軌線路比輕軌線路有著很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(yù)見(jiàn), 軌頭接觸區(qū)接觸應(yīng)力和軌頭內(nèi)最大剪應(yīng)力將增大。為了減少重軌的接觸應(yīng)力, 應(yīng)考慮增大重軌頂面的半徑, 提高鋼軌的強(qiáng)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(qiáng)韌化。因此強(qiáng)韌化也應(yīng)當(dāng)是我國(guó)鋼軌的發(fā)展方向。重型化和強(qiáng)韌化的結(jié)合, 才能適應(yīng)我國(guó)鐵道繁忙干線和重載線路的發(fā)展。各國(guó)鐵路普遍關(guān)心的機(jī)車(chē)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能是以安全為中心的各項(xiàng)響應(yīng)數(shù)值。它們包括脫軌安全性、曲線通過(guò)性能(動(dòng)態(tài), 穩(wěn)態(tài)和通過(guò)緩和曲線的性能) 、直線運(yùn)行穩(wěn)定性、對(duì)軌道的破壞作用以及其運(yùn)行品質(zhì)(平穩(wěn)性) 。近20 年來(lái), 隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展, 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)及安全評(píng)價(jià)的分析技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展, 開(kāi)發(fā)了很多應(yīng)用軟件, 有人甚至提出了分析手段會(huì)替代試驗(yàn)的預(yù)言和觀點(diǎn)。但是至今對(duì)安全性的最終評(píng)定仍離不開(kāi)在線路上的試驗(yàn)。各國(guó)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(guó)鐵路和歐洲大陸各國(guó)鐵路在幾項(xiàng)重要?jiǎng)恿W(xué)性能評(píng)價(jià)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(wèn)題的數(shù)值解法, 獨(dú)立輪對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)以及自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)及參數(shù)研究。在試驗(yàn)研究和模擬試驗(yàn)領(lǐng)域的車(chē)輛振動(dòng)、滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn), 高速、重載鐵路的輪軌接觸損傷試驗(yàn)研究及動(dòng)態(tài)接觸摸擬試驗(yàn)研究等, 雖然課題眾多, 但從學(xué)者們廣泛注視的問(wèn)題和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)看, 筆者認(rèn)為有以下結(jié)論:1. 輪/軌相互作用研究的發(fā)展和實(shí)際問(wèn)題的需要, 研究高頻動(dòng)力學(xué)是必然趨勢(shì)。2. 車(chē)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(cè)量和試驗(yàn)識(shí)別技術(shù)更待發(fā)展。3. 動(dòng)力學(xué)性能和安全評(píng)價(jià)的試驗(yàn)技術(shù)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步驗(yàn)證。4. 新結(jié)構(gòu)和主動(dòng)控制技術(shù)是有發(fā)展前景和實(shí)用潛力的研究方向。筆者認(rèn)為：將車(chē)輛與線路綜合為一個(gè)整體系統(tǒng)正逐步成為輪/軌相互作用的研究方向。車(chē)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(wèn)題的需要和恰當(dāng)?shù)膮?shù)。特別是線路模型, 我國(guó)實(shí)際線路的路基、道床及軌道結(jié)構(gòu)與國(guó)外情況不同,不能直接沿用國(guó)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)。因此, 應(yīng)用系統(tǒng)識(shí)別理論, 通過(guò)試驗(yàn), 確定我國(guó)線路系統(tǒng)

10、模型中的各項(xiàng)參數(shù), 是一項(xiàng)重要而有意義的課題。鐵道部科學(xué)研究院的軌道動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)室, 環(huán)行試驗(yàn)鐵道及專(zhuān)用試驗(yàn)車(chē)為開(kāi)展此課題研究提供了極好的條件。近20 年來(lái), 世界各國(guó)針對(duì)各類(lèi)專(zhuān)題編制了近300個(gè)車(chē)輛及軌道動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序。我國(guó)也曾組織開(kāi)發(fā)過(guò)一套機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析軟件包, 最近又引進(jìn)了NUCARS 、MEDNA等。通用軟件, 今后的任務(wù)應(yīng)該是, 一方面對(duì)國(guó)內(nèi)的軟件在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)范化、實(shí)用化、商品化改造, 使之成為功能強(qiáng)、便于工程使用的通用軟件; 另一方面對(duì)引進(jìn)的軟件, 在消化吸的基礎(chǔ)上, 在中國(guó)鐵路條件下確認(rèn)它們的實(shí)用范圍。隨著高速鐵路的發(fā)展, 主動(dòng)控制技術(shù)、磁軌制動(dòng)技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用不可避

11、免。那時(shí),機(jī)車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)將不再是單一能量范疇, 而是機(jī)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(huì)受多種基本物理過(guò)程的影響。有效應(yīng)用于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(shì)、流、變位和動(dòng)量變量, 同時(shí)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(xué)描述的統(tǒng)一格式, 只要制定一個(gè)完全增廣定向的鍵合圖模型

12、輸入計(jì)算機(jī), 利用計(jì)算機(jī)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(xué)模型不同, 鍵合圖方法是以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間法進(jìn)行系統(tǒng)分析。它是在研究對(duì)象日趨復(fù)雜, 計(jì)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(shí)變參量系統(tǒng), 特別對(duì)于多輸入多輸出和隨機(jī)輸入的情況更有其優(yōu)越性。車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的模擬分析技術(shù)至今不能代替運(yùn)行去評(píng)定車(chē)輛的性能, 其重要原因之一是我們對(duì)某些基本物理現(xiàn)象的機(jī)理認(rèn)識(shí)淺陋, 如輪軌粘著、磨耗、脫軌機(jī)理是在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)模型上得出的理論；碰撞、沖擊作用也都簡(jiǎn)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(guó)制定設(shè)計(jì)規(guī)范和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。因此要解決分析與試驗(yàn)的差異, 使規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不致制約鐵路技術(shù)的發(fā)展, 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的另一個(gè)任務(wù)應(yīng)該在動(dòng)態(tài)輪軌粘著機(jī)理、動(dòng)態(tài)脫軌機(jī)理、沖擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)及機(jī)制等課題上有所進(jìn)展。研究的目的在于應(yīng)用。并非理論模型越復(fù)雜結(jié)果越精確, 相反, 應(yīng)針對(duì)研究對(duì)象和研究目的, 采用盡量簡(jiǎn)單合理的模型及解法, 重要的是預(yù)測(cè)的性能必須與試驗(yàn)和觀察現(xiàn)象的一致性。因此,試驗(yàn)技術(shù)無(wú)論是對(duì)分析結(jié)果的驗(yàn)證, 或者是直接用以評(píng)價(jià)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能都是不可缺少的條件。所以我們不能忽視試驗(yàn)技術(shù)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析技術(shù)