不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

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1、第３２卷，第４期中国铁道科学Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．４２０１１年７月ＣＨＩＮＡＲＡＩＬＷＡＹＳＣＩＥＮＣＥＪｕｌｙ，２０１１文章编号：１００１－４６３２（２０１１）０４－００６６－０６不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析肖乾１，２，王成国１，周新建２，卢勇２（１．中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京１０００８１；２．华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌３３００１３）－１钢轨为例，采用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立三维摘要：以直径为８６０ｍｍ的ＬＭＡ踏面轮对和６０ｋｇ·ｍ轮轨滚动接触有限

2、元模型，利用集群逻辑结构的并行计算平台求解该模型，并对不同摩擦系数下轮轨滚动接触特性进行分析。研究表明：摩擦系数对接触斑面积、接触区Ｍｉｓｅｓ应力值和法向接触应力影响不大；随着摩擦系数的增大，接触斑黏着区面积增加，接触区内横向和垂向剪应力增大且位置向接触区表面靠近；在相同牵引力矩作用下，随着摩擦系数的增加，轮轨纵向剪应力明显增大；接触斑内摩擦力矢量的纵向分量也随之增大，轮轨摩擦力及其绕原点合力矩的纵向分量也变化明显，最大增幅超过３０％，自旋力矩值也随之增大且其中心点在接触斑内沿牵引方向前移。关键词：轮轨滚动

3、接触；摩擦系数；法向特性；切向特性；并行计算中图分类号：Ｕ２１１．５文献标识码：Ａ标为ｔⅡ；ｔ在低速、干燥条件下的轮轨摩擦系数为０．３～ｘＱｇＮ为两接触体表面的法向距离。［１］０．５；当轮轨遭受雨雪或油污污染时摩擦系数将［２］大大降低，一般在０．０５～０．１之间，甚至更低。大量研究表明：摩擦系数直接影响轮轨滚动接触特［３］性，从而影响列车的牵引和制动性能。国内外学者大多采用试验方法研究轮轨在不同摩擦条件下的接触特性，但也有不少学者结合经典的轮轨滚动接［４－５］。图１无穿透接触约束触理论进行不同摩擦系数的轮轨

4、滚动接触分析基于弹性半空间的经典轮轨滚动接触理论难以反映物体Ⅰ和物体Ⅱ发生接触，必须满足法向和切真实的轮轨接触状态。有限元方法能较全面地考虑向接触条件。轮轨滚动接触的材料非线性、几何非线性和接触界［６］法向接触条件指接触物体Ⅰ与物体Ⅱ满足不可面非线性，从而得到较理想的分析结果。本文建贯入的条件，即立三维轮轨滚动接触有限元模型，并在此基础上利ｔｔⅠ）＝（ｔⅠｔⅡ）·ｔⅡ（１）ｇＮ＝ｇ（ｘＰｘＰ－ｘＱｎＱ≥０用集群逻辑结构的并行计算平台对不同摩擦系数下式中：ｔⅡ为Ｐ点和Ｑ点之间的方向矢量。ｎＱ的轮轨滚动接触特性

5、进行详细的分析。切向接触条件指判断已接触的２个物体的接触面的具体接触状态，以及他们各自应服从的条１接触问题的有限元求解［７］件。当轮轨间切向接触条件采用库仑摩擦模型表示时，轮轨接触面无相对滑动应满足的条件如下。图１为２个接触体无穿透接触约束示意图。图ｔｔ２ｔ２］１／２ｔ中：物体Ⅰ表面ｔⅠ上的点Ｐ在ｔ时刻位置的坐标ＦＴ＝［（Ｆ１）＋（Ｆ２）≤μＦＮ（２）ＳＣ式中：ｔｔｔｔ为ｔⅠ；物体Ⅱ表面ｔⅡ上的点Ｑ在ｔ时刻位置的坐ＦＴ为轮轨摩擦力；Ｆ１和Ｆ２分别为ＦＴ的２ｘＰＳＣ收稿日期：２０１１－０１－１５；修订日期：２

6、０１１－０４－０６基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００５０７５）；国家“八六三”计划重点项目（２００９ＡＡ１１０３０２）；铁道部科技研究开发计划项目（Ｊ２００９Ｇ００３）；江西省自然科学基金资助项目（２０１０ＧＱＣ００３４）作者简介：肖乾（１９７７—），男，湖南常德人，副教授，博士研究生。第４期不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析６７个分量；μ为摩擦系数；ｔ轮轨滚动接触有限元模型，如图３所示。为保证计ＦＮ为轮轨法向接触力。拉格朗日乘子法或罚函数法均可将法向和切向算精度，该模型中钢轨、车轴和车轮均

7、采用六面体接触条件引入由虚位移原理建立的泛函方程中，并单元离散；轮轨滚动接触面及附近区域的网格细化对其进行求解。拉格朗日乘子法可使约束条件得到至０．５ｍｍ。模型中将车轴设置为刚体，且仅将接精确的满足，但该方法增加了求解方程的自由度并触面及其附近区域的轮轨材料设置为弹塑性的，而使求解方程的系数矩阵含有零对角元素，给求解带远离接触面的轮轨材料设置为线弹性的。这种处理来不便。罚函数法在求解静力接触问题时可避免由方法不仅对计算结果的影响很小，而且还能大大的［８］于系数矩阵非正定导致的迭代过程不收敛问题。降低计算量，

8、缩短计算时间。在车轴上施加１６ｔ［９］因此，本文中的三维轮轨滚动接触模型采用罚函数的轴重和１．５ｋＮ·ｍ的牵引力矩。在轨枕处及法进行求解。钢轨两端面实施全约束。２三维轮轨滚动接触有限元模型和并行计算平台采用直径为８６０ｍｍ的ＬＭＡ踏面轮对和６０－１钢轨进行研究，有限元模型中假定车轮和ｋｇ·ｍ钢轨的弹性模量和泊松比相同，分别为２０５ＧＰａ和０．３，车轮和钢轨材料塑性应变与真实应力的关系如图２所示。图３轮轨接触有限元