文摘

车轮多边形磨损一直被一个问题困惑铁路的安全运营具有重要的理论价值和研究意义。本文分析了高速车轮多边形磨损的条件基础上,磨损模型和现场实测数据验证了。考虑车轮轨道相互作用引起的旋转,轮对转子动力学的有限元模型建立。转子转速的影响,质量偏心,轮组,和跟踪弹性轮副转子系统的振动特性和车轮多边形磨损特征分析了梁单元和固体元素,分别。结果表明,车轮纵向振动轮多边形磨损的主要原因,和车轮多边形磨损遵循“恒定频率和可分割的法则。”“恒频”来自轮距接触振动,这刺激了三阶的垂直弯曲振动轮副的eighth-order耦合的弯曲振动轨道,和订单的比例等于“轮对旋转频率恒定频率”。

1。介绍

多边形磨损的高速车轮长期以来困扰铁路的安全运行1]。它不仅引起了有害振动车辆跟踪系统,造成损坏或故障的车辆和轨道组件,但也增加了振动和噪声在操作过程中可减少乘客的舒适和打扰居民的生活。目前,研究人员已经开展相关研究车轮多边形问题通过仿真和现场试验。

Meywerk [2)建立了一个灵活的轮对模型运行在一个灵活的轨道,在考虑轮距振动模拟。发现第一和第二轮副的弯曲模式在多边形的增长发挥了重要作用。约翰逊和安德森3)发现通过大量现场试验和数值模拟,固定波长范围的非圆形车轮的垂直共振区车辆轨道耦合系统,具有较高的动态刚度。吴et al。4]建立了车辆/轨道耦合的多体动力学模型,发现轮距的高频振动接触可能是车轮多边形的产生的主要原因,和高频振动的主要原因在500 - 800赫兹的频率范围是轨道段的弯曲振动模式的两个车轮。你们et al。5)指出,车轮缺陷可能导致或加剧车轮多边形化。Torstensson et al。6)建立车轮旋转灵活的结构动力学模型考虑到车轮旋转的惯性效应,发现可以获得更准确的结果通过使用灵活的旋转轮副模型研究高频接触力。Brommundt [7)提出,车轮不圆的进化机制是相互作用的结果初始轮的可怜(圆的)和转动惯量。Meinke [8)采用弹性梁单元建立轮副的轴与40个自由度动力学模型连接刚性轮和制动盘,并提议高速轮对的动力学是由陀螺力矩和惯性力矩,有别于传统的轮对。金等。9]了数以百计的多边形磨损试验结果统计轮子旋转切割后不久,发现偏心磨损发生在96%的轮子,和其他的比例调和穿11日订单的69%,6号订单的58%,和35%的第三个订单,分别。

大多数现有的研究都是基于现场实测数据的统计分析和理论模拟车轮轨道或车辆轨道耦合动力学的角度,和一些相关结论轮副弯曲或弯曲模式被发现。然而,下轮的多边形问题突出高速操作越来越多,所以问题的本质应该是在轮副的结构或特征本身。文献[6- - - - - -8)都有提出考虑灵活转动的必要性研究车轮的可怜,但是很少有研究进行了基于转子动力学理论。影响多边形的生成和发展的因素非常复杂,到目前为止,没有一致的理解。

因此,本文研究了生成和发展高速铁路的高阶多边形磨损机理。基于磨损模型,分析了车轮多边形磨损的条件通过理论分析和现场数据验证。叶轮动力学的有限元模型建立了考虑质量偏心。通过仿真和验证的梁单元和固体元素,进化定律“恒定频率和整数倍数”被发现。车轮速度的影响和轮距灵活性轮子的多边形磨损的发生和发展过程进行了研究。它提供了一个创新的视角和理论基础的理解多边形磨损的生成和演化机制。

2。理论分析和验证

首先,基于多边形磨损的测量数据轮子和轮子的材料磨损模型,圆形轮的磨损深度模型确定,一代的车轮多边形磨损的条件被发现。然后,建立了轮对转子动力学模型验证多边形磨损的齿轮的振动特性,并结合模型,建立了环形穿深度进化车轮多边形磨损的条件和影响因素进行了研究。图1显示了研究过程的生成和演化情况车轮多边形磨损。

2.1。圆周穿轮模型

Archard模型和工作模型通常用于多边形磨损预测。研究表明,车轮多边形生成和演化的趋势对应Archard模型和穿工作模型基本上是相同的,但在Archard磨损系数模型相对较大,而穿工作模型的结果更接近现场测量数据,和计算效率更高10]。因此,穿工作模型是采用轮磨损的计算。

模型基于大规模Δ穿工作假设穿米穿成正比能量耗散导致轮距接触摩擦。的基本计算原理如下。

基于穿工作模型,假设轮接触点的磨损质量成正比的摩擦接触点工作。 Δ在哪里米和轮子的磨损质量,穿穿能源相关系数在接触点和单位接触面积是穿在接触点工作。

最现实的模拟车轮磨损的实时3 d和,这意味着3 d几何与每个轮子转动的车轮踏面应该改变。然而,这是困难的技术或耗时。此外,车轮多边形磨损主要发生在圆周方向。为了简化模拟,列出了一些假设如下:(1)假设车轮的横向剖面是不变,只改变车轮的周长(2)假设每个接触点的瞬时穿踩上均匀分布,计算平均磨损深度(3)短期的计算,车轮和跟踪配置文件的变化可以忽略

文献[11)指出,轮对纵向振动有显著影响,车轮踏面外形和磨损深度和磨损主要集中在滚动循环。如果车轮滚动圆的半径θ是R(θ−2π),R(θ),分别穿深度 。此外,大规模Δ器皿米Δ磨损深度的产品吗r,穿区域 ,和材料密度ρ。穿工作纵向蠕变力的产品吗F_x和车轮之间的相对滑动距离和跟踪 。结合(1),穿Δ深度的计算公式r可以获得的 在哪里的平均宽度是穿带。

2.2。条件下的磨损

从公式可以看出(2),轮磨损与纵向蠕变的力量F_x。当纵向蠕变力变化定期根据一定的频率,它将导致周向非均匀磨损磨损深度Δ的周期变化r,导致多边形。当纵向蠕变力最大,纵向的穿才会发生一次周期轮振动。

如果车轮的纵向振动频率f₁车轮转动频率f₂,然后穿两个相邻峰之间的时间间隔是1 /f₁和轮子旋转周期是1 /f₂,穿峰的数量米在一个旋转的轮子

车轮转动频率之间的关系f₂和列车运行速度 ;然后可以从方程(3)纵向振动频率f₁满足 在哪里车辆和速度吗D公称直径。

2.3。测试验证

现场测量的某种类型的鸸鹋轮显示速度是300公里/小时时,有三个高穿时间车轮直径生命周期从920毫米到830毫米,相应的车轮直径915毫米,875毫米和830毫米。在这三个车轮直径阶段,测量车轮多边形磨损是20,19日和18日分别(9]。

基于公式(4),轮角速度ω、旋转频率f₂和纵向振动频率f₁从上面的数据可以计算。结果表中可以看到1。

从表可以看出1的纵向振动频率对应于车轮多边形磨损约580赫兹;即车轮的纵向振动是产生车轮多边形磨损的基本条件,和它的振动频率是固定的。这个结果验证车轮多边形磨损的研究结论“恒频”机制(11]。

3所示。车轮多边形磨损模型

3.1。轮对转子动力学模型

上面的分析和相关文献表明,轮对的纵向振动蠕变是多边形的生成和演化的主要原因轮的磨损。有必要分析车轮的纵向振动状态并确定参数的范围导致车轮的纵向振动。

车辆非常复杂的非线性问题,由于其庞大的结构和多自由度。建模通常是根据研究需要进行特定的焦点,和非焦点的项目可适当简化。因此,轮对轴箱装置选为分析对象,如图2。轮副转子系统的动力学模型包括轮1轮2和3轴,以及两大直径轴盘4用于模拟跟踪。

分析转子的基本特征,它是假定(1)车轮是刚性的磁盘(2)相同直径的轴是中空的,某些无限弯曲刚度和扭转刚度,和两端由两个相同的轴承(3)轴承简化为铰接,质量是不考虑(4)弹簧质量相当于跟踪prepressure

左、右车轮是相同的,其中一个在图2被选中。Oxyz作为固定的坐标是十字路口吗O磁盘所在平面与支持分弹性轴的两端是固定的坐标系统的起源,和x轴是沿着轴转子,飞机磁盘所在地是Oxz坐标参考平面,如图3。

在图中,O₁和C磁盘形状和质量中心,距离吗O₁C是偏心e。磁盘的质量米,我们选择x(t),z(t)作为广义坐标圆盘中心的形状O₁。

轮副使用集中质量元素来模拟和轴段由得票率最高梁单元模拟,最后只有两个节点(一个和B在使用梁单元。轮距接触力是用来模拟轮跟踪联系。图4是一个得票率最高梁元素的原理图。

节点一个和B得票率最高的梁单元有6个自由度,分别是节点的位移和旋转角度x,y,z的方向。梁元素的自由度安排u= (x_一个,y_一个,z_一个,θ_xA,θ_丫,θ_咱,x_B,y_B,z_Bθ_xBθ_yB,θ_zB]^T。由于径向变形的关节模型远远大于它的轴向变形,忽略轴向和扭转变形,自由度简化为梁的元素u= (x_一个,z_一个,θ_xA,θ_咱,x_B,z_B,θ_xB,θ_zB]^T。整个转子系统的动力学方程可以表示为 在哪里米,C, ,K,F_e,F_r质量矩阵、阻尼矩阵,陀螺矩阵、刚度矩阵,不平衡力向量,和轮距接触力向量,分别和 加速度、速度和位移向量模型中的节点,分别。

3.2。轮距滚动接触力

有许多理论模型研究和发展的车轮滚动接触,包括石灰线性理论,石灰简化理论,石灰三维精确的理论,和沈的理论,其中石灰的简化理论在铁路领域使用最广泛。因此,本文进行仿真分析的轮距滚动接触基于石灰线性理论。车轮轨道滚动接触力F_r力可以分解为纵向蠕变F_x正压和轮距接触F_z,它可以表示为 在哪里 ,一个,b是材料的剪切弹性模量,长时间运行和短半轴接触点,分别和C₁₁,ξ,k_R,和f_圣石灰系数,纵向蠕变速率、支持刚度、预加压力的弹性支承,然后呢 ,R,ω弹性支承的速度、磁盘半径和轮组的转动角速度。

根据接触椭圆的离心率和第一和第二完全椭圆积分,接触点可以确定长度和短半轴长度(12]

我们有 在哪里E_p是第二类完全椭圆积分;E_c是接触椭圆的离心率;ν_我,E_我泊松比和弹性模量的联系吗我(我= 1,分别为2)。R₁₁,R₁₂,R₂₁,R₂₂主要是纵向和横向曲率半径的车轮和轨道坐标系联系,分别。

赵等人发现,饱和蠕变力车轮与轨道之间容易导致生成多边形磨损的轮(13]。因此,本文分析了蠕变力饱和状态。

4所示。模拟车轮多边形磨损

轮的剪切模量= 7.9×10¹⁰Pa,石灰系数C₁₁= 5.10,接触点的纵向半轴长度一个= 10毫米,半轴外侧接触点的长度b= 5毫米。轮副的主要参数选择转子系统,指的是(14,15)以1.3,如表所示2。

4.1。验证多边形磨损的生成条件

为了验证结论,基于穿轮对纵向振动模型中发现的部分工作1是基本条件的生成多边形磨损的轮子,轮副转子动态有限元模型(5)建立。轮对旋转系统分为13节点,它分为12梁元素和2 91自由度粒子元素。轴承约束应用于节点1和13左右对应轴承,分别。我们还增加了节点函数加载相应的公式(6轮距的接触力在关键分2和4对应左和右车轮。我们设置轮质量及其对关键点的偏心2和4对应于左、右车轮,旋转频率f₂梁转子。

为了观察的影响转子转速和偏心振动特性,进行了瞬态分析f₂= 25.2∼58赫兹和偏心e= 0.01毫米,0.10毫米,0.50毫米和1.00毫米。三维光谱的垂直位移(图左车轮轮对转子系统5)和光谱的旋转频率30 Hz(相当于300 km / h)(图获得的6)。

图5表明,轮对振动位移主要由旋转频率和高频率在不同偏心距和转子速度。随着转子转速的增加,动态不平衡程度的加剧是由于应用的灵活性和偏心的影响,所以这两个频率的振幅增加。转动频率的值随转子速度和离心率的增加,但高频值始终是相同的(约等于580赫兹)。这项研究的结果证实的“恒频”特征多边形轮磨损理论分析和现场测试。

当转动频率30 Hz,不同偏心率的光谱图所示6。离心率的降低,转动频率的振幅逐渐减少直至消失。原因是轮对动态不平衡改善的程度。然而,恒频579.56赫兹,和相应的振幅变化与偏心率的变化小,表明这个频率分量在前面提到的“恒频”测试和理论分析。

这两个组件的振幅增加。转动频率值随转子转速的增加,而高频值大约是580 Hz,与转子转速。这项研究的结果证实了“频率固定”的特征多边形磨损理论分析和现场测试。

从图可以看出6,当转动频率30 Hz,离心率的降低,振幅对应于转动频率逐渐减少直至消失。然而,恒定频率是579.56赫兹,其振幅几乎不变;即恒定频率与偏心率无关。

4.2。确定多边形磨损的进化的条件

上述有限元仿真分析验证车轮的纵向振动轮的基本条件生成多边形磨损并确定纵向蠕变的力量F_x。通过替换成(2),可以绘制车轮多边形磨损的特点,然后车轮多边形磨损的进化的条件可以确定。

为了研究车轮的转子转速对多边形磨损的影响,进行了瞬态分析在250 km / h∼350 km / h,分别和车轮圆周穿的是结合Δ磨损深度的公式r在公式(2)。磨损形状附近的秩序N= 18 - 23所示图7。

根据图7,当速度是240公里/小时,260公里/小时,轮子穿长跑后将逐步统一。然而,当速度是262公里/小时,335公里/小时,轮子有明显的多边形磨损18秩序和23日订单,分别。通过分析频率速度不同,它是发现多边形磨损发生在“恒定频率580赫兹是一个旋转频率的整数倍数,并统一穿发生在轮子不是一个整数倍数。可以看出,当车轮的纵向振动频率是一个整数车轮转动频率的倍数,轮子的多边形磨损将迅速发展。因此,如果被摧毁的关系,多边形的生成和发展可以有效地抑制,如果它可以运行在恒定速度轮直径的生命周期内,它将被认为是其中的一个方法。

到目前为止,我们已经发现条件轮的多边形磨损的进化是轮对的纵向振动和车轮转动频率遵守法律的“恒定频率和可分割的。”

5。恒频率源的确定

通过实测数据的统计分析和验证的理论模拟,结果表明,车轮多边形磨损遵循法治的“恒定频率和整数倍数”,但这种恒定频率的来源还有待进一步研究。因此,我们使用梁单元和固体元素进行模态分析,分别找出恒定频率在580赫兹的来源。

梁单元有限元模型建立(5)是用于模态分析,得到了前10阶模态固有频率。轮副的振动模式系统大约在580 Hz如图8表明,此订单的固有频率是581.6赫兹,和相应的轮轴三阶弯曲振动模式。

为了研究恒定频率之间的关系和跟踪,轮组,及其耦合效应,我们把60公斤跟踪部分,6.0米的长度,轨枕间距为625 mm,紧固件的宽度170毫米,紧固件的垂直刚度20 MN / m,转向架固定的2.5米的轴距和轮距磨损系数μ= 0.25。固体建立了轮距耦合有限元模型进行模态分析。旋转的影响对车轮轨道耦合系统的固有频率的影响研究在三个条件:灵活的轮组和刚性轨道,刚性轮副和灵活的跟踪、轮轴和灵活的和灵活的轨道。具体分析结果如表所示3和图9。

如表3所示,它可以从对比刚性轮副的自然频率和灵活的跟踪和灵活的轮组和刚性轨道不考虑轮轴旋转效应,弹性和刚性轨道显示更自然频率580赫兹的频率接近常数。它可以显示跟踪灵活性没有对固有频率的影响在恒定频率附近,而轮副的贡献的恒定频率大于轨道。这也可以在灵活的轮组和灵活的跟踪分析。尽管跟踪灵活地“恒频”的贡献小,更现实的考虑轮对和轨道灵活。因此,当我们研究不同转子速度的影响在车轮轨道耦合系统的固有频率,我们认为轮距是灵活的。考虑旋转效应,车轮轨道耦合系统的固有频率在不同转子速度所有显示五个值接近“恒频。“这表明转子速度对固有频率影响不大,这与前面的仿真分析是一致的。

灵活的轮对和轨道的振动模式180 rad / s的速度图所示9。灵活的轮距振动附近的“恒频”对应于三阶轮对的纵向弯曲,而追踪了8阶横向弯曲,8阶横向弯曲扭转耦合,分别和8阶垂直弯曲。

总之,“恒频”现象的原因约580赫兹主要是轮副的三阶竖弯和8阶耦合弯曲的轨道。跟踪的灵活性和速度有点影响轮距的恒频耦合系统。

6。结论

理论分析和测量验证的生成和演化情况车轮多边形磨损进行基于磨损工作模型,考虑车轮偏心轮轴和转子动力学模型建立了数值模拟验证。得到了以下结论:(1)车轮多边形磨损的生成和演化呈现“恒定频率和整数倍数的特征。“轮对的纵向振动的基本条件是一代的车轮多边形磨损,和它的振动频率是恒定的。当频率轮转动频率的整倍数,车轮多边形磨损发展迅速。(2)车轮多边形磨损的“恒定频率”与三阶的固有频率一致的垂直弯曲轮副兴奋的eighth-order耦合的弯曲振动轮旋转和轨道。(3)定转子速度运行的生命周期轮直径可以减轻车轮多边形断层。

数据可用性

底层数据支持你的研究的结果可以在引用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认金融支持中国国家自然科学基金(没有。11872045)、甘肃省青年科学基金(没有。20 jr10ra262)和Tianyou兰州交通大学(没有的创新团队。TY202006)。