轮轨粘着模拟数值计算研究

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随着世界经济的发展,高速与重载铁路成为铁路发展的主要方向。列车在运行中,其牵引和制动都是通过轮轨接触斑间的切向力来实现的,即轮轨粘着。目前轮轨粘着研究的主要任务是找出最佳的粘着接触点,对其进行控制,来提高牵引和制动时力的利用率。本文应用Carter的二维滚动接触理论和粗糙面之间的稳态部分弹流的理论,使用数值的方法在不同粘度接触介质条件下时,应用Patir和Cheng的平均流量的模型进行假设,建立起轮轨的二维粘着的数值模型,并使用多重网格的方法对其进行了求解,研究了滚动速度、轴重、粘度等对粘着力和油膜厚度的影响;并应用CONTACT接触理论计算了我国现用的两种车轮踏面在运行中,各种影响因素如曲线半径、横向位移、摇头运动和轴重对轮轨接触斑面积的影响,及其中粘/滑区面积占总面积的比重,得到了如下的结论:1.随着粘度和滚动速度的增大,无量纲流体动压力P增大,无量纲粗糙峰接触压力Pa减小,Pa与无量纲总压力W的比值(Pa/W)降低,轮轨之间的粘着系数下降,无量纲中心膜厚和最小膜厚都增大,将提高油膜的承载能力;随着轴重的增大,无量纲流体动压力P变化甚微,无量纲粗糙峰接触压力Pa与无量纲总压力W的比值(Pa/W)增大,轮轨之间的粘着系数增大,无量纲中心膜厚几乎无变化,无量纲最小膜厚减小。2.对于磨耗型踏面和锥形踏面,轨道曲线半径对轮轨接触斑内粘/滑区面积的分布有较大影响。小曲线半径时,车轮基本处于滑动状态,易导致出轨,车轮在直线轨道上行进时,较为安全,且锥形踏面的总面积和最小安全曲线半径值都大于磨耗型的对应值;列车横移量对轮轨接触斑面积影响较大,当横移量超过10mm时,接触面积骤减,且接触斑内粘着所占比重也下降严重,磨耗型踏面的接触面积受横移量影响较大,而锥形则较小,粘/滑比重随横移量变化趋势基本相同;轮对摇头角对轮轨接触面积影响较小,随着摇头角的变化,接触斑总面积变化很小,当摇头角大于0.4。时,粘着占总面积比重迅速减小到零,对于两种踏面,轮对摇头角对于接触斑总面积和粘/滑比重的影响相同;对于我国现在常用的两种踏面,锥形踏面的接触区总面积,及在各种曲线半径时,粘着面积都大于同种工况时磨耗型的结果。
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