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1、第22卷,第2期中国铁道科学Vol122No122001年4月CHINARAILWAYSCIENCEApril,2001文章编号:100124632(2001)02200012143轮轨接触力学研究的最新进展沈志云,张卫华,金学松,曾京,张立民(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)摘要:本文论述了西南交通大学牵引动力国家重点实验室近几年来在轮轨接触力学及其应用研究方面的最新研究成果,其中包括Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论的全尺寸模型试验验证、高速动态轮轨蠕滑力的试验研究、基于理论和数值方法的轮轨接触表面粗糙度和污染影响的分析、高速
2、粘着和脱轨试验研究及其机理分析,对钢轨的波磨现象也作了论述,并提出了今后的研究方向。本文所介绍的研究成果对我国今后进一步开展轮轨关系的研究将起到促进作用。关键词:轮轨;高速;滚动接触;蠕滑率/力;粘着;脱轨;波浪型磨损中图分类号:U21115文献标识码:A1引言轮轨系统是列车行走的关键零部件。列车的牵引、制动、脱轨安全、磨耗和疲劳问题与轮轨滚动接触表面行为有紧密地联系。由于接触力学和摩擦学的迅速发展,人们对轮轨滚动接触的力学行为的了解已经超出K1L1Johnson、J1J1Kalker等学者在该领域的研究深度和广度。现在人们能够建立轮轨蠕滑率/力数学模型来满足机车车辆
3、动力学数值仿真的要求。但许多实际问题,象脱轨、粘着、磨耗和疲劳等问题需要结合许多基础性的学科才能得到解决,其研究关系见图1。图1轮轨研究关系如何结合实际来研究和解决轮轨接触问题是十分重要的,理论上也具有较高难度。进行轮轨问题按原型尺寸来进行轮轨模拟,研制了机车车辆滚动的研究,试验手段是必不可少的。但由于试验装置振动试验台,并成功地进行了Kalker的三维弹性体和实际工作部件几何尺寸等因素的差异就必然会导非Hertz滚动接触理论试验验证,许多轮轨滚动接致试验过程中测量数据的误差。轮轨接触斑的几何触现象在室内得以再现,如预先设置条件下的脱轨特征尺寸只有十几毫米,为了确定在
4、这个小区域内过程,不同污染条件下轮轨粘着极限的确定等。即材料的运动和力学行为以及其它因素,需要在微观使至今尚未弄清其机理的波磨现象,在试验中也时区域内考虑其精度。轮对和试验台滚轮的尺寸是以常出现在轨轮的接触表面上。所开展的多种类型试米计算的,而轨道的曲线半径小的有数百米,大的验在世界上都属首次。新型试验装置、试验方法和有数千米。因此,牵引动力国家重点实验室确立了收稿日期:2000210230作者简介:沈志云(1929—),男,湖南长沙人,中国科学院院士、中国工程院院士。基金项目:国家自然科学基金(59338150)3本文英文稿已于1999年6月在莫斯科国际重载会议(I
5、HHA’99)上发表。2中国铁道科学第22卷所得的试验结果证实了轮轨接触力学研究的某些方面又取得了新的进展。滚振试验台具有模拟轨道的四对轮轴,目前还不能进行六轴机车试验,也还不能完全模拟机车车辆的曲线通过动力学行为。试验台现正处在扩建过程中,不久将成为全功能的试验台。本文论述了轮轨滚动接触力学研究的最新进展,介绍了粘着试验的研究结果,即不同条件下的粘着系数的变化规律以及动态脱轨问题的理论和试验研究,最后谈及到轮轨波磨问题以及今后的设想。图2轮轨蠕滑力试验装置2蠕滑理论研究的进展目前广泛应用的轮轨滚动接触理论都是基于[1～7]Hertz假设,它们包含有一定的误差,尤其在
6、轮轨之间产生“两点”或“共形”接触时,误差更大。90年代初,Kalker发展了三维弹性体非Hertz滚动接触[8]理论及其数值方法(Contact),该理论被称做轮轨滚动接触分析的精确理论。利用该理论分析计算轮轨力时,许多因素能得到考虑,但是要想在车辆动力学仿真分析中得到应用,该理论需要进行进一步改进。为了证实该理论在轮轨关系和机车车辆动力学图3轮轨平面受力图研究方面应用的可靠性,用原形尺寸的滚振试验台到。考虑了两套测量系统,测量结果可相互校核,并对该理论所确定的轮轨蠕滑率/力关系进行了试验作简单的计算得到图3所示的蠕滑力Fij(i,j=1,验证。2),i=1,2分别
7、表示纵向蠕滑力和横向蠕滑力,j=211Kalker蠕滑理论试验验证[9]1,2分别表示左右轮轨接触斑。轮/轮接触斑蠕滑率为了验证Kalker蠕滑理论,Brickle、Chollet[15][10][11]的计算表达式为etal和Illingworth分别用小比例模型试验装ξ1j=(1-rj/r0)cosΨ置进行了试验,Matsumoto等人用全尺寸试验装置j进行了轮轨蠕滑力试验,发现了轮轨之间的横向蠕ξ2j=-sinΨcos(<-(-1)δj)(1)j滑力和摇头角的变化关系,并用试验结果和Kalkerξ3j=(-1)1163sinδj/r0的基于He
