轮轨接触蠕滑
基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测
基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测本文旨在探讨基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测方法。
文章将首先介绍蠕滑机理，然后简要介绍轮轨蠕滑预测模型，重点分析影响货车车轮磨耗寿命的主要因素，并介绍轮轨蠕滑模型在预测车轮磨耗寿命中的应用情况。
最后，总结本文探讨的主要内容，并展望未来的工作方向。
蠕滑机理是一种物理现象，发生在两个表面之间，表示当物体处于相对运动时，表面之间会出现一层微小的液体或者气体的层，用来缓冲摩擦力，使物体可以安全的相对运动。
在货车轮轨系统中，车轮和钢轨之间的摩擦也是由蠕滑机理来维持的，车轮和钢轨之间不断地产生蠕滑粘滞，从而保证货物可以安全快速的运输。
影响货车车轮磨耗寿命的主要因素有车轮轮毂的材料、轮毂的质量、轴承的惯性力和轨道的斜率等。
其中，车轮轮毂的材料是影响车轮及钢轨磨耗寿命的重要因素，轮毂的质量则影响车轮磨耗寿命，轴承的惯性力和轨道斜率也是影响磨耗寿命的重要因素。
轮轨蠕滑模型可以帮助我们准确预测货车车轮磨耗寿命。
该模型以轮轨系统中轨道斜率、车轮个数、车轮轮毂质量、和轮轨系统总体惯性力为参数，用蠕滑机理和磨耗方程来计算磨耗率，从而预测货车车轮的运行寿命。
综上所述，本文探讨了基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测方法。
重点分析了影响货车车轮磨耗寿命的主要因素，以及如何利用轮轨蠕滑模型来预测货车车轮的运行寿命。
未来有望进一步深入研究货车车轮磨耗寿命的影响因素，并且不断优化货车车轮的设计，以提高其运行寿命。
此外，究竟哪些因素影响车轮磨耗寿命还需要进一步研究。
例如，随着技术发展，新材料也可能成为影响货车车轮磨耗寿命的重要因素，考虑到单位时间和使用寿命，新材料可以大大提高货车车轮的使用效率。
同时，新材料的引入需要检测结构以及物理参数的变化，并针对不同的表面微结构、参数变化和总体惯性力分析，以准确预测货车车轮磨耗寿命。
此外，基于表面粗糙度估算磨耗寿命的方法也可以被引入预测货车车轮磨耗寿命，这种方法可以用来计算车轮表面粗糙度，模拟货车车轮的磨耗寿命。
CRH2型动车组车轮滚动接触疲劳问题分析
87中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2018.02 （下）1 问题的提出随着铁路高速重载技术的快速发展，轮轨滚动接触疲劳现象越来越严重，这不但会造成运营和维修成本的大幅增加，同时也直接影响列车运营安全。
CRH2型动车组车轮采用ER8材质的车轮，近年来发生了多起车轮滚动接触疲劳故障，其中头尾车导向轮发生车轮滚动接触疲劳概率相对较高。
2 原因分析材料在循环应力作用下，产生局部永久性积累损伤，经过一定的循环次数后，接触表面产生麻点、浅层或深层剥落的过程称为接触疲劳。
车轮载荷通过一个相对很小的接触区域传递给了钢轨，通常会使局部载荷超过车轮和钢轨材料的弹性极限，这就会导致滚动接触疲劳裂纹的萌生。
CRH2型动车组车轮滚动接触疲劳主要为两类，第一类主要由横向力和纵向力引起，一般发生在车轮滚动圆外侧15～30mm 范围内，裂纹与踏面间倾斜约45°，车轮周圈均存在；第二类主要由车轮硌伤引起，发生在名义滚动圆至外侧15mm 范围内，一般发生在个别点，表现为镟轮后内部出现月牙形缺陷。
滚动接触疲劳如不及时进行镟修，均会导致剥离。
2.1 由横向力和纵向力引起的滚动接触疲劳动车组运行过程中，车轮承受纵向力、横向力和垂向力，其中纵向力主要由牵引、制动产生，横向力主要由车辆过曲线和蛇形运动产生，垂向力主要由车辆自身重量及垂向冲击产生。
车轮表面材料反复承受上述疲劳载荷作用，踏面材料发生塑性变形，此类滚动接触疲劳主要由横向力和纵向力引起，在应力超过剪切强度的条件下（主要在过曲线时），塑性应变累积而形成微裂纹，最终导致滚动接触疲劳，并在上述应力作用下裂纹沿45°方向向内部扩展，最终形成剥离。
此类缺陷起源于踏面表面，由于表面裂纹萌生阶段尺寸很小，肉眼看不到缺陷。
动车组的头尾车在进入弯道时导向轮对首先进入弯道，此时导向轮对车轮受到的横向力及纵向力较中间车更大且更为复杂，因此动车组的头车位置轮对更易发生滚动接触疲劳现象。
轮轨弹性接触问题的研究
轮轨弹性接触问题的研究——机车讲座有感在机车专业知识讲座的学习过程中，对张老师所研究的课题颇感兴趣，课后对相关知识材料进行了收集，对此做以总结及延伸。
轮轨弹性接触问题的研究，主要分为轮轨的粘着问题，轮轨的磨耗问题，脱轨、噪声问题。
其中，轮轨的磨耗问题包括轮轨的接触疲劳问题和轮轨的波浪形磨耗问题。
一、轮轨的粘着问题具有弹性的钢质车轮在弹性的钢轨上以速度v运行时，在车轮与钢轨的接触面间会产生一种极为复杂的物理现象，车轮与钢轨承受着垂直载荷和纵横切向载荷。
纵向载荷主要来自牵引及制动。
稳态前进的非动力轮在不制动时，其纵向切向力平衡轴承阻力和蛇行时的惯性力。
无论是动力轮对或从动轮对都存在着纵向切向力，它导致了轮轨纵向相对运动的速度差。
(一)黏着区和滑动区传统理论认为钢轮相对钢轨滚动时，接触面是一种干摩擦的黏着状态，除非制动或牵引力大于黏着能力才会转人完全滑动的摩擦状态。
现代研究表明，由于车轮和钢轨都是弹性体，滚动时轮轨间的切向力将在接触斑面上形成两个性质不同的区域:粘着区和滑动区。
切向力小时主要为豁着区；随着切向力加大，滑动区扩大，黏着区缩小。
当切向力超过某一极限值时，只剩下滑动区，轮子在钢轨上开始明显滑动。
(二)蠕滑与蠕滑率由于粘滑区的存在，轮周上接触质点的水平速度与轨头上对应质点相对轮心的水平速度并不相同，存在着一个微小的滑动，称为蠕滑。
宏观上轮周速度与轮心的水平速度并不一致。
以同样的转速走行在硬质路面和沙地上的两辆自行车，其前进速度并不一样，也是这种道理。
当车轮受到横向外力作用时，会产生微小的横向移动。
(三)蠕滑力在不同条件下进行纵向蠕滑试验，蠕滑率与切向力的关系曲线是有差别的。
清洁轮轨接触面条件下获得的蠕滑率与蠕滑力关系与Kalker的理论曲线相近，天气干燥、潮湿等因素都会影响切向力的大小。
实际上过去所谓的牵引力、砧着力、制动力、切向力的概念在本质上都是蠕滑力。
在小蠕滑下，蠕滑力与蠕滑率成线性关系。
轮轨低蠕滑及其对高速列车操纵稳定影响若干关键问题
[5]
是 Polach 新蠕滑理论的重要学术贡献之一。 线路测试表明：在恒速调控下，如图 5 所示，
1.2.3 齿轮传动非线性耦合振动 传动轴扭矩波动造成齿轮箱上箱体出现较大幅值 的微应变变化，其相应的应力循环载荷必然对齿轮 箱壳体疲劳寿命构成负面影响。
微应变
—— 某新研制长编列车 —— 长编列车技术原型
中图分类号: U266.4
文献标识码:A 摄动假设是其技术实现的重要前提条件。尽管通过 电机横摆降低了动车转向架蛇行振荡的参振质量， 但是长达列车高铁运用，若违背了小位移摄动假设 条件，则也将暴露其技术经济性问题，如动车后位 转向架瞬间失稳，轮对横向冲击作用导致齿轮箱故 障。结合中国高铁运用特殊性，如无砟道床、高架 铁路以及极端气候影响因素，迫导向转向架优配及 其经济速度应当作为制订 350 km/h 标准动车组或 长编列车技术对策的核心问题之一[2]。 结合高速轮轨低黏着问题，本文首先阐述自导 向与迫导向转向架实现方式的技术创新及其局限 性。然后以降低蛇行振荡参振质量作为基本原则， 进一步论证（准）高铁车辆的技术经济性。
1 高速轮轨低黏着问题
由于高速轮轨接触低黏着问题，无论自导向还 是迫导向转向架，降低参振质量应当作为高速转向 架设计的基本原则之一。 1.1 高速轮轨蠕滑与滑移 在单一曲率轮轨接触线性等效模型中，如图 1 所示，纵向力偶 Mz 取决于轮对簧下质量，如摇头 慣矩，其大小为
M z ( Fxl Fxr )
2
滑移
（a）轮轨接触 3 个区域
（b）轮轨蠕滑
图 2 轮轨接触纵向与横向蠕滑饱和曲线特征 可是若摇头角速度加快，自旋蠕滑特性则有所 不同。根据威金斯理论[3]，如图 3 所示，与纵向蠕 滑的情况不同，自旋蠕滑不再具有饱和曲线特征。 特别注意：随着车速提高，动态自旋蠕滑（第 2 项
轮轨接触几何关系及滚动理论
第三节轮轨接触几何关系及滚动理论轨道车辆沿钢轨运行，其运行性能与轮轨接触几何关系和轮轨之间的相互作用有着密切的关系。
同时，由于轮轨的原始外形不同和运用中形状的变化，轮轨之间的接触几何关系和接触状态也是不同和变化的。
米用车轮轴承、滚动是车辆获取导向、驱动或制动力的主要方式，轨道车辆中地铁、轻轨常采用钢轮钢轨方式，而独轨、新交通系统及部分地铁则采用充气轮胎走行在硬质导向路面上。
车轮与导轨间的滚动接触关系决定了它们间的作用力、变形和相对运动。
因此滚动接触直接影响城市轨道车辆的性能、安全、磨耗与使用寿命。
一轮轨接触参数和接触状态当车辆沿轨道运行时，为了避免车轮轮缘与钢轨侧面经常接触和便于车辆通过曲线，左右车轮的轮缘外侧距离小于轨距，因此轮对可以相对轨道作横向位移和摇头角位移。
在不同的横向位移和摇头角位移的条件下，左右轮轨之间的接触点有不同位置。
于是轮轨之间的接触参数也出现变化。
对车辆运行中动力学性能影响较大的轮轨接触几何参数如下(图5一8): 1左轮和右轮实际滚动半径r L ,r R。
当轮对为刚性轮对，轮对绕其中心线转动时，各部分的转速是一致的，车轮滚动半径大，在同样的转角下行走距离长。
同一轮对左右车轮滚动半径越大，左右车轮滚动时走行距离差就加大，车轮滚动半径的大小也影响轮轨接触力。
2左轮和右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径和3左轨相石轨在稚轨接触点处的矶头截曲曲率半径和轮轨接触点处的曲率半径大小将会影响轮轨实际接触斑的大小、形状和轮轨的接触应力。
4左轮和右轮在接触点处的接触角s:和6R，即轮轨接触点处的轮轨公切面与轮对中心。
线之间的夹角。
轮轨接触角的大小影响轮轨之间的法向力和切向力在垂向和水平方向分量的大小。
5轮对侧滚角小w。
轮对侧滚角会引起转向架的侧滚和车体侧滚。
6.轮对中心上下位移Z w。
该量的变化会引起转向架和车体的垂向位移。
研究轮轨接触关系时应特别注意轮轨间的接触状态。
车轮与钢轨之间的接触状态可能有两种，即一点接触和两点接触(图5一9)，轮对相对轨道的移动量不大时，一般出现车轮踏面与钢轨顶面相接触，通常为“一点接触”;当轮对相对轨道的横移和摇头角位移量超过一定范围，根据不同轮轨形状特点可能引起车轮踏面和轮缘同时与钢轨顶面和侧面接触，即所谓“两点接触”。
轮轨接触力学
u uw uR diag Li p
柔度系数—待求？
Li Lwi Lri
2.2 法向问题
考虑接触点附近物体的几何形状满足赫兹接触条件
0 (x1 , x2 ) C g x1 , x2 Ax Bx u3 0 (x1 , x2 ) C
8a 2 b F1 p1dx1dx2 1 3 L 1 d
Kalker线性理论
a 3b3 8a 2b 2 abG C222 abC233 F2 p2 dx1dx2 3 L 4 L2 2 c
L1
8a , 3C11G
L2
8a , 3C 22 G
hw x x h / 2 w1/2
1 0
hs x x h / 2 s1/2
1 0
p ( x1 ), p0 p ( x0 ) p1
在FASTSIM程序中，步长h大约为矩形条长度的1/10
条形理论的处理策略
需要考虑到接触斑的切向力必须满足Coulomb摩擦定律。对于接触斑上每 一点，仅有如下两种情形 ：
u2 2 3 x1 0 x1
u uw uR diag Li p
p2 0 x1
1 3 x2 L1
p1 0 x1
2 3 x1 L2
沿x1方向积分
Outputs
– Creep forces – Tangential traction
– Slip
Results
No spin
V
A
Pure spin
S
x 0
非赫兹接触下轮轨接触蠕滑力的计算
第29卷第4期铁 道 学 报Vol.29 No.42007年8月J OURNAL OF T H E CHINA RA IL WA Y SOCIET Y August 2007文章编号:100128360(2007)0420096205非赫兹接触下轮轨接触蠕滑力的计算王小松1,2, 葛耀君2, 吴定俊2(1.重庆交通大学桥梁系,重庆 400074;2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)摘 要:以弹性半空间非赫兹接触理论计算轮轨法向接触问题,得到比较真实的法向压力分布。
在此基础上,根据修正的FastSim 算法计算了轮轨在单点接触、轮缘接触和单接触斑内两点接触情况下的蠕滑力。
与CON 2TACT 的对比表明,修正的FastSim 算法在计算轮缘接触时具有比较精确的结果,在计算单接触斑内两点接触时的精度相对于Shen 2Hedrick 2Elkins 理论和FastSim 算法均有较大的提高。
基于修正的FastSim 算法编制了便于风2列车2桥梁耦合分析应用的蠕滑力插值数表MFT TL M 。
关键词:非赫兹接触;轮轨接触;蠕滑力中图分类号:U211.5 文献标志码:AC alculation of Creep Forces of Wheel 2rail Contact under Non 2H ertzian ConditionsWAN G Xiao 2song 1,2, GE Yao 2jun 2, WU Ding 2jun 2(1.Depart ment of Bridge Engineering ,Chongqing Jiaotong University ,Chongqing 400074,China ;2.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :Based on t he real normal p ressure dist ribution of wheel 2rail contact ,which is obtained by t he elastic half 2space non 2Hertzian co ntact t heory ,t he Fast Sim algorit hm is modified and t hen applied to calculate t he creep forces under t he circumstances of single contact ,flange contact and double contact in t he single contact parison wit h CON TACT indicates t hat t he modified Fast Sim algorit hm gives relatively accurate re 2sult s when flange co ntact occurs ,and compariso n wit h t he Fast Sim algorit hm and Shen 2Hedrick 2Elkins t heory shows t hat t he modified Fast Sim algorit hm gives better solution when double contact occurs in t he single con 2tact zone.The modified Fast Sim Traction Table used for wind 2vehicle 2bridge coupling analysis is also compiled.K ey w ords :non 2Hertzian contact ;rail 2wheel contact ;creep force 轮轨接触蠕滑力的计算是风2列车2桥梁耦合振动分析中的核心问题之一。
城市轨道交通车辆构造教案 (8)
第六节
1.气流特点
列车运行时的空气流
一、明线(非隧道)上运行的列车
图7-17 列车空气流 a)头部 b)尾部 c)边界层及涡流 d)尾流区中纵向涡流
第六节 列车运行时的空气流
(1)挤压区 高速列车运行时，由于空气惯性，引起列车前 面的空气堆积，静压力升高。 (2)摩擦区 第二部分气流为摩擦区，这里的气流呈线流， 分布在列车大部分长度上。 (3)尾流区 列车驶过以后，所占的空间立即被空气填充， 这就引起空气快速运动。 2.空气阻力
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
表格
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
2.学员的评价
表格
3.知识跟进 1)学习了解城市轨道交通车辆高速运行动力学。 2)学习了解车辆轮轨接触理论。
第六节 列车运行时的空气流
图7-18 明线上空气阻力 1—200系列 2—star 21(初期) 3—star 21(改进)
第六节 列车运行时的空气流
图7-19 列车阻力系数及组成 a)传统列车 b)APT-E先进电气化快速列车 c)TGV高速列车 d)ICE无任何流线形外罩 e)ICE在转向架之间下部设备加流线形外罩 f)ICE加转向架裙板，下部设备全部加 流线形外罩，受电弓外罩并封闭车辆之间间隙
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
【学习目标】
1.分析引起车辆振动的原因。 2.通过学习轮轨接触及滚动理论，分析各种情况下轮对的蛇 行运动。 3.了解车辆运行品质及其评价标准。 4.了解车辆运行安全性及其评估标准。
【学习目标】
1.教学场地：教室、互联网多媒体教室；城市轨道交通车辆 转向架、轮对、减振装置模型实训室。 2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，各 种形式城市轨道交通车辆走行装置仿真模型一套，能放视 频投影的设备及课件、视频介绍一套。 3.课时要求：课堂讲授6课时；实地观察、分析2课时。
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赫兹接触理论
假设：①接触区发生小变形。
②接触面呈椭圆形。
③相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。
当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结果。
在赫兹接触问题中，由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，因而各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，随离接触面距离的增加而迅速衰减。
此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。
实际工程中的很多接触问题并不满足赫兹理论的条件。
例如，接触面间存在摩擦时的滑动接触，两物体间存在局部打滑的滚动接触，因表面轮廓接近而导致较大接触面尺寸的协调接触，各向异性或非均质材料间的接触，弹塑性或粘弹性材料间的接触，物体间的弹性或非弹性撞击，受摩擦加热或在非均匀温度场中的两物体的接触等。
在讨论弹性接触问题时，一般假定：
(1)接触系统由两个相互接触的物体组成，它们间不发生刚体运动;
(2)接触物体的变形是小变形，接触点可以预先确定，接触或分离只在两物体可能接触的相应点进行;
(3)应力、应变关系取线性;
(4)接触表面充分光滑;
(5)不考虑接触面的介质(如润滑油)、不计动摩擦影响。
轮轨蠕滑
指具有弹性的钢质车轮在弹性的钢轨上一定速度滚动时，在车轮与钢轨的接触面间产生相对微小滑动。
Carter理论
Carter在研究时就假定车轮为一圆柱休，而钢轨则为一厚板，并且进一步认为车轮半径远比接触面积的周长要大得多，于是，这一问题可处理成为一无限弹性介质被一平面所约束，在该平面上存在着局部压力分布与切向力。
同时应用半空间的假定，只研究其纵向蠕滑率。
Carter定义的纵向蠕滑率和横向蠕滑率如下：
其属于二维滚动接触理论的研究。
Johnson与Vermeulen理论：
1958年，Johnson将Carter的两维理论延伸到三维，研究含有纵向和横向蠕滑，没有自旋的情形。
1964年，Johnson和V ermeulen又将光滑的半空间理论引入研究没有自旋的纯蠕滑工况。
传递切向力的两滚动体之间接触表面不对称地分为两个不同的区域——滑动区和黏着区。
J—v理论只能限制应用于纯纵向和横向蠕滑(即自旋等于零)的工况。
Kalker 线性理论
1967年，Kalker在De Peter所设想的基础上，完成了两个弹性滚动接触的线性理论。
Kalker在开展线性理论研究时，利用Halling等人条带理论的成果，在不同的工况下，两个弹性体滚动接触时所形成的接触区中黏着区与滑动区的分布有所不同。
该理论认为当各向蠕滑率都很小时，滑动区也就很小，其影响可以忽略。
因此，可以假定黏着区覆盖了轮轨接触的全部面积。
按照该理论，质点进入接触区时，先在前导边缘处接触，在此瞬时，尚未产生切向力．此后质点即顺沿并平行于滚动方向穿过接触区，由于无滑动的结果，切向力即逐步增长，最后，质点在接触区的后端边缘处离开，与此同时，切向力再降落为零。
在Kalker的线性理论中，假定接触区全部为粘着区，且切向力分布对称，故纵向蠕滑力与横向蠕滑率无关，而横向蠕滑力也与纵向蠕滑率无关。