轮轨接触关系仿真计算
一种通用的轮轨两点弹性接触的计算方法
文章编号:100227610(2008)0320005207一种通用的轮轨两点弹性接触的计算方法J.SAN TAMA R 1A ,等(西班牙)摘 要:介绍了一种通过查三维弹性模型数表来求解轮轨接触问题的方法,该方法可以考虑两点接触对车辆运行性能的影响,包括轮对冲角的影响。
通过算例,对比分析了三维两点接触模型和二维模型对磨耗数和脱轨系数的影响情况,并对求解轮轨接触问题的查表法和在线计算法的优缺点进行了研究。
关键词:轮轨接触;计算;西班牙中图分类号:U270.1+1 文献标识码:BA Comprehensive Method for the Elastic C alculation ofthe Two 2Point Wheel 2R ail ContactJ.SAN TAMA R 1A ,et al.(Spain )Abstract :This work shows the method developed to solve the wheel 2rail contact problem via a look 2up table with a three 2dimensional elastic model.This method enables the introduction of the two contact 2point effect on vehicle movement ,including the influence of the angle of attack.Via several calculation instances ,the effects of the three 2dimensional two contact 2point model and the bi 2dimensional model on the wear indexes and derailment factors are compared and analyzed.Furthermore ,it studies advantages and disadvantages of using a look 2up table against an on 2line resolution of the problem.K ey w ords :wheel 2rail contact ;calculation ;Spain1 概述在铁路动力学仿真工作中,轮轨接触问题通常考虑成二维的[1],即不考虑轮对冲角对轮对横向位移的影响。
轮轨接触几何关系
轮轨接触⼏何关系轮轨接触⼏何关系班级：学号：姓名：轮轨接触⼏何关系是轮轨关系研究的基本内容，它不仅关系到车辆的动⼒学性能，也关系到轮轨之间的磨耗。
其研究结果可以⽤于横向稳定性计算、随机响应计算及动态曲线通过计算等，还可以⽤于轨道⼏何参数和轮轨外形的合理选择。
选择合适的轮轨⼏何，不仅可以改善车辆的动⼒学性能，还能降低轮轨间的磨耗，减少制造和维修成本，提⾼车辆的可靠性，延长车轮的使⽤寿命。
本⽂采⽤Simpack软件模拟轮轨接触，选⽤的车轮踏⾯为S1002，轨头为CHN_60。
1. S1002踏⾯外形S1002外形轮廓由车轮踏⾯作⽤区域之外的倒⾓、外侧斜度区域A、踏⾯区域B和C、踏⾯外形轮廓与轮廓外部区域的连接区域D、70o轮缘⾓长度区域E和轮缘区域F、G、H构成。
其中，外侧斜度区域A的斜度值可从6.5%⾄15%；踏⾯区域B和C由两段凹凸⽅向不同的⾼次曲线构成；连接区域D为⼀段半径为13mm的圆弧；70o轮缘⾓长度区域E为⼀条切线段；当车轮直径≥760mm时，轮缘⾼度h为28mm，轮缘区域F、G、H分别由半径为30mm、12mm和20.5mm的三段圆弧构成。
随着轮缘厚度的变化，轮缘及其踏⾯的连接区域也随之变化。
S1002踏⾯外形如图1-1所⽰。
图1-1 S1002踏⾯外形2. CHN_60轨⾯形状CHN_60钢轨顶⾯采⽤80-300-80的复合圆弧，具有与车轮踏⾯相适应的外形，能改善轮轨接触条件，提⾼抵抗压陷的能⼒；同时具有⾜够的⽀承⾯积，以备磨耗。
CHN_60踏⾯外形如图2-1所⽰。
图2-1 CHN_60轨⾯截⾯形状3. 轮轨⼏何关系参数轮轨⼏何关系重要参数有：车轮和钢轨型⾯、轨距、轨底坡、轮缘内侧距、名义滚动圆距轮对中⼼距离和车轮名义直径。
其⼏何关系平⾯图（见图3-1）和影响轮轨接触⼏何关系参数的平⾯图（图3-2）如下所⽰。
图3-1 轮轨接触⼏何关系平⾯图图3-2 影响轮轨接触⼏何关系平⾯图4. 轮轨接触⼏何关系的特征参数在机车车辆动⼒学研究中，除了要计算处接触点位置和相应参数值，另外，还要研究和动⼒学性能直接相关的轮轨关系特征参数，它们分别是：等效锥度、等效接触⾓、轮对重⼒刚度和重⼒⾓刚度。
一种轮轨两点接触数值计算方法
图 ２ 典 型 解 示 意 图
铁 道 车 辆 第 ４ ８卷 第 ８期 ２ １ ０ ０年 ８月
图 １ 图 ２中 ， 、 ＡＢ段 （ 不含 Ｂ） 示 轮 轨 只在 踏 面 表 上有 １个接触 点 ； Ｂ点 和 Ｆ 点为 轮 轨发 生 两点 接触 时
摘
要 ： 据轮 轨 几 何 约 束 方 程 的 典 型 解 得 到 轮 轨 两点 接 触 的判 断条 件 ， 用 该 条 件 并 结 合 迹 线 法 给 出 了一 种 轮 轨 根 运
两点接触数值计算方 法。
关 键 词 ： 轨 关 系； 轮 两点 接 触 ； 值 算 法 数 中 图 分 类 号 ： ７ ． １ Ｕ２ ０ １ 文献标识码 ： Ａ
一 一
轮对 横 向位移 ；
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轮对 垂 向位移 ；
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）— — 钢 轨 接 触 角 ； ，
） —— 车 轮接 触角 ； ，
收 稿 日期 ：０ ０ ０ ９ 修 订 日期 ： Ｏ Ｏ ０ — Ｏ ２ １ １ ２ ； ２ １ 一 ５ １
基 金 项 目： 家重 点 实验 室 自主 研 究 课 题 （ ０ ９ Ｐ Ｔ０ ） 国 ２０Ｔ Ｉ 一 ５
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轮轨接触位置对钢轨斜裂纹扩展行为影响的仿真
第29卷,第2期 中国铁道科学Vol 129No 12 2008年3月 C HINA RA IL WA Y SCIENCEMarch ,2008 文章编号:100124632(2008)022*******轮轨接触位置对钢轨斜裂纹扩展行为影响的仿真李晓宇,习年生,周清跃(中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京 100081) 摘 要:采用ANSYS 软件,仿真研究不同线路条件下轮轨接触位置变化对钢轨踏面斜裂纹扩展行为的影响。
分析表明:轮轨接触位置沿纵向仅在距离钢轨踏面斜裂纹左右各1/4跨距范围内对斜裂纹扩展有突出影响,其余位置影响很小,可以忽略。
在直线线路,当轮轨接触位置位于轨顶面中央时,钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ2Ⅲ型的复合型方式扩展为主,扩展缓慢;偏离轨顶面中央5mm 时,钢轨踏面斜裂纹则以Ⅰ2Ⅱ型的复合型方式扩展为主,在踏面以下4mm 内可能发生水平转向,518～12mm 内容易发生横向转向。
在800m 曲线线路外股,当轮轨接触位置偏离轨顶面中央1615mm 时,钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ2Ⅱ2Ⅲ型的复合型方式扩展为主,而且比直线线路扩展迅速;在踏面以下211～418mm 内,斜裂纹可能发生水平转向,而一旦扩展至更深位置时很可能会保持初始角度扩展下去。
关键词:轮轨关系;接触位置;斜裂纹;扩展;应力强度因子;仿真 中图分类号:U213142 文献标识码:A 收稿日期:2007203213;修订日期:2007212222 基金项目:中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心项目(2004YF04) 作者简介:李晓宇(1983—),男,河南许昌人,硕士研究生。
钢轨踏面斜裂纹是近年来反映突出的钢轨轨头伤损类型,国内外已发生大量由踏面斜裂纹导致的钢轨横向断裂[1]。
从广深线等现场的钢轨斜裂纹伤损情况来看,裂纹起源于钢轨踏面表层,并以与钢轨顶面成一定角度(15°～40°)斜向向轨头内部扩展,当斜裂纹扩展到一定深度时,可能转为横向扩展,也可能继续沿斜向扩展[2]。
轮轨与轮轮接触几何计算研究
Ａｎ ｌ ｓ ｓ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｗｉｃ ｅ ｈｅ ｎｅ ａ ｙ ｉ ｎｄ Ｓ ｍ ｌ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｓ ｔ ｈ ｄ Ｅｔ ｒ ｔ
Ｂａ ｅ ｎ Ｔｒ ｉ ｍ ｍ ｕ ｃ ｔｏ ｔ ｒ ｓ ｄ ｏ ａ ｎ Ｃｏ ｎｉ ａ ｉ ｎ Ｎｅ ｗｏ ｋ
编 程方 法 。
关键词
轮 轨接 触 ； 轮 接 触 ； 算 方 法 轮 计
文献 标 志 码 ：Ａ ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ８ ８ ２ ２ １ ． ５ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ —７ ４ ． ０ ２ ０ ． ２
中 图 分 类 号 ：Ｕ２ １ ５ １．
轮轨 接触 几何 关系计 算是 机车 车辆 动 力学 的基 础 ， 西 南交 通大 学 王开 文 提 出 的“ 线 法 ” 迹 开创 了我 国轮轨 接 触几何 研究 的新 阶段口 ， ］ 为分 析滚 动 振动 台试 验 与 车 辆 实 际线路 运行 特 性 的差 异 有 贡 献 ， 张卫 华 参 照 “ 线 迹 法” 的思 路 推导 了 轮轮 接 触 几何 关 系计 算公 式 ， 轮 轮 将 接 触点 的寻 找 简化 为 一 维 搜 索 。随 着 我 国多个 滚 动 ］ 试 验 台的建成 ， 为更 好地 发挥 滚动试 验 台对 机 车车 辆研 发 的指 导作 用 ， 要 进 一 步研 究 和 明确 轮轨 、 轮接 触 需 轮
已确定 的轮 对 ， 轮轨接 触点迹 线 只与摇 头 角和 侧滚 角 有
关ｌ ； ＿ 而对 于轮轮 接 触 ， 需 考 虑 轨道 轮 的半 径 和 轮 对 １ 还 初始 位置 。
几 何关 系 ， 与此 同时 ， 轨 、 轮接触 几 何方 面 的研 究进 轮 轮
倪 平 涛 （９ ８ ） ， １６ 男 湖北 天 门人 ， 级 工程 师 （ 回 日期 ： ０ ２ ６ ２ 高 修 ２ １ —０ —１ ）
动态接触在高速铁路轮轨接触动力仿真中的运用
ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｍｅ ｔ ｈ ｄ ． ｍｅ ｏ ａ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗ ｈ ｅ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｒ ａ ｊ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ３ Ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｒ ａ ｉ ｌ ｗａ ｙ ｗｈ ｅ ｅ ｌ ／ ｒ ａ ｉ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ，ｔ ｈ ｅ ｗｈ ｅ ｅ ／ｒ ｌ ｉｌ ａ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ
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法 中的对称罚 函数法建立 了轮 对与钢轨接触 的三维 仿真计 算模型 ， 分析 不同的接 触位置 的轮 轨接触 ， 得 出 了轮 轨 法
向接 触力和切 向接触 力的 变化规律 。结果表 明， 显式积分法求解非线性 系统瞬态响应 时不用考虑切 线刚度 和收敛控 制 问题 ， 比隐式积分更为优 势 ， 运 用动 态接触 算法计算的法向接 触力比 Ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ 理论与 实际更相符。 关键词 ： 动态接 触算法 ； 对称罚 函数 法； 轮 轨接触 ； 仿真； 高速铁路
轮轨与轮轮接触几何计算研究
轮轨与轮轮接触几何计算研究倪平涛;刘德刚;曲文强【摘要】对轮轨接触几何计算的迹线法进行了深入研究,给出了两种常用坐标系下‘迹线法’的正确计算公式.在此基础上,对轮轮接触几何关系进行了分析,结果表明:轮轮接触点计算并不能像轮轨一样缩减为一维搜索,只能由二维搜索得到,给出了一种简洁的轮轮接触二维搜索算法及公式；同时提供了一种快速搜索轮轨和轮轮接触点的编程方法.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】5页(P5-9)【关键词】轮轨接触;轮轮接触;计算方法【作者】倪平涛;刘德刚;曲文强【作者单位】广东南车轨道交通车辆有限公司,广东江门529000;中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室,山东青岛266111;中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室,山东青岛266111;中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室,山东青岛266111【正文语种】中文【中图分类】U211.5轮轨接触几何关系计算是机车车辆动力学的基础，西南交通大学王开文提出的“迹线法”开创了我国轮轨接触几何研究的新阶段［1］，为分析滚动振动台试验与车辆实际线路运行特性的差异有贡献，张卫华参照“迹线法”的思路推导了轮轮接触几何关系计算公式，将轮轮接触点的寻找简化为一维搜索［2］。
随着我国多个滚动试验台的建成，为更好地发挥滚动试验台对机车车辆研发的指导作用，需要进一步研究和明确轮轨、轮轮接触几何关系，与此同时，轮轨、轮轮接触几何方面的研究进展也将促进机车车辆仿真的深入及普及。
本文在对轮轨接触迹线法进行研究的基础上，提出一种简洁、使用方便的轮轮接触二维搜索计算方法，同时提供了一种快速搜索轮轨和轮轮接触点的编程方法。
1 轮轨和轮轮接触点计算公式的推导在直线钢轨上，由于直向半径为无穷大，对于踏面已确定的轮对，轮轨接触点迹线只与摇头角和侧滚角有关［1］；而对于轮轮接触，还需考虑轨道轮的半径和轮对初始位置。
直齿轮adams接触（碰撞）仿真分析
直齿轮adams接触（碰撞）仿真分析本⼈亲做斜齿轮参数为：算得其中⼼距：153.37 传动⽐：i=3根据三相啮合⼒的计算公式算得斜齿轮受⼒为：15650.365823.523326.59t r a F N F N F N=== 齿轮参数化建模：齿轮轮齿的⽣成主要有两种：⼀，直接⽣成轮齿；⼆，切除齿槽形成轮齿。
斜齿轮的⽣成过程中，重点是渐开线和螺旋线的⽣成环节。
⾸先要确定渐开线⽅程，确保每个尺⼨都是通过参数约束的。
其次要确定螺旋线⽅程。
最后通过扫描混合（或者可变截⾯扫描）、镜像、阵列等命令创建出渐开线斜圆柱齿轮。
创建斜齿轮的参数关系：Alpha_t=atan(tan(Alpha_n)/cos(Beta)) Ha=(Ha_n+X_N)*M_NHf=(Ha_n+C_N-X_N)*M_N D=Z*M_N/cos(Beta) Db=D*cos(Alpha_t) Da=D+2*Ha Df=D-2*Hf采⽤的渐开线⽅程式：Rb=Db/2 theta=t*45x= Rb*cos(theta)+Rb*sin(theta)*theta*pi/180 y=0z= Rb*sin(theta)-Rb*cos(theta)*theta*pi/180采⽤的螺旋线⽅程式：x=D*cos(t*360*B*tan(beta)/(PI*D))/2 y=B*tz=Ds*D*sin(t*360*B*tan(beta)/(PI*D))/2上述关系式中D 是分度圆直径，DB 是基圆直径，Da 是顶圆直径，Df 是齿根圆直径，DS 表⽰斜齿轮的旋向（左旋为1，右旋为-1）。
其中螺旋线⽅程中B*tan(beta)/(PI*D)表⽰螺旋线转过的圈数。
三维模型建⽴⽤上述参数利⽤proe 建⽴齿轮三维模型并装配好，如图1,、图2所⽰图1图2将三维模型导⼊adams定义导⼊模型后，逐步进⾏：材料属性定义，添加约束，添加驱动，添加负载，添加接触⼒，然后得到仿真处理前期⼯作，如图3，图4所⽰图3图4、仿真后处理仿真后处理得到斜齿轮三个⽅向上波动图和均值。
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西南交通大学
轮轨接触几何参数的仿真计算
学院：机械工程学院
专业：机车车辆
*名：***
学号： ********** 2016年6月
1.引言
轮轨关系是轨道交通工程的重要研究课题。
轮轨接触几何是轮轨关系研究的基本内容。
高速铁路的车辆运行稳定性和曲线通过能力的矛盾激化,轮轨作用加剧。
因此,高速铁路的发展提出许多轮轨关系研究的新问题。
世界范围内，不同的国家采用的钢轨、车轮踏面和轮对内侧距不尽相同。
国内外研究表明,车轮踏面形状和轮对内侧距直接改变轮轨接触几何关系,由此产生不同的轮轨作用,进而影响高速列车系统动力学性能。
当今世界高速铁路主要存在三种主流踏面及与其对应的钢轨，即中国车轮踏面LMA与钢轨断面CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP- ARC与钢轨JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002和钢轨UIC60。
本文以SIMPACK数据库中自带的踏面S1002与钢轨UIC60为例，应用SIMPACK动力学软件，对其接触几何关系进行了仿真计算。
2.求解方法
2.1基本假设
(1)刚体假定。
假定车轮与钢轨均为刚体，他们不存在影响接触关系的弹性变形，或者说车轮表面上任一点不能嵌入钢轨内部。
而且在各种条件下轮轨始终保持接触，轮轨的相对运动除纵向位移外还有横向位移和摇头角位移。
轮轨几何参数与轮对在钢轨上的纵向位置无关，这些参数实际上是车轮相对轨道的横移和摇头角的函数。
（2）同一侧车轮上的接触点和钢轨上的接触点具有相同的空间位置。
（3）轮轨接触点处车轮与钢轨具有公切面。
2.2求解方法
文献[1]提出的采用迹线法思想来处理轮轨空间接触几何关系,目前已得到了较好的应用[2,3]。
其基本思路是在求轮轨接触几何关系时,可以暂时抛开轨面的形状,仅由轮对的位置(摇头角y、侧滚角ψ)和踏面主轮廓线参数(滚动圆半径R、接触角W)确定可能接触点,每个滚动圆上有且仅有一个可能接触点,这些可能接触点的集合形成一条在踏面上的空间曲线。
该方法具有精度高、速度快、稳定性好等优点。
3.建立模型
3.1创建文件
主窗口>>File>>Open File，弹出文件选择窗口。
选择建立的文件目录，点击New，输入文件名，回车。
主菜单>>Model Setup，弹出建模窗口，同时创建了基本模型，该基本模型包括一个坐标参考系（Isys），一个刚体（Body）和一个运动副（joint）。
3.2设置环境
建模窗口>>Globals>>Gravity，弹出重力设置窗口。
将重力设置为Z方向+9.81，其他保持不变，点击OK。
3.3设置视图
建模窗口>>View>>View Setup，弹出视图设置窗口。
选择【Standard Views】中的【wheel/Rail: Perspective view】，点击OK。
3.4创建轮对
3.4.1创建车轮刚体
建模窗口>>Element>>Bodies，弹出刚体元件窗口。
将Body1重命名为Wheelset。
双击Wheelset，弹出刚体参数设置窗口。
设置轮对的参数：轮对的质量为1600kg，轮对的摇头转动惯量为720kg.m.m。
3.4.2创建轮对的外形
选择【3D Geometry】，弹出刚体外形设置窗口。
双击$P_Wheelset_Cuboid，出现设置外形参数窗口。
设置车轴外形参数，见上图，OK。
回到刚体外形设置窗口，OK。
回到刚体设置窗口，OK。
3.4.3创建轮对的运动副
>>Elements>>Joints，出现运动副窗口，双击$J_Wheelset，出现运动副设置窗口，选择07号运动副，设置初始状态。
3.4.4创建轮轨接触
3.4.5设置初始轨道
3.5设置车辆总体参数
车辆总体参数设置如图所示。
3.6保存设置
建模窗口>>File>>Save，建模窗口>>File>>Reload，系统自动完成轮对与线路的装配，如下图所示。
4.轮轨接触几何关系仿真计算
4.1轮轨接触点位置变化如图4-1（phi=0 deg，psi=0 deg）、图4-2（phi=2.0 deg，psi=0 deg）所示
图4-1（phi=0deg，psi=0deg）
图4-2（phi=2deg，psi=0deg）
4.2滚动圆半径变化如图4-4（phi=0 deg，psi=0 deg）、图4-5（phi=1.0 deg，psi=0 deg）所示。
图4-3（phi=0deg，psi=0deg）
图4-4（phi=2deg，psi=0deg）
同理，可分别求出轮轨接触角变化曲线、质心垂直位移与侧滚角变化曲线。
5.结论
本文通过SIMPACK软件仿真，得到了轮轨接触几何参数的相关变化曲线。
6.参考文献
[1]王开文。
车轮接触点迹线及车轮接触几何参数的计算[J].西南交通大学学报, 1984, (1): 89— 98.
[2] 严隽耄.具有任意轮廓形状的轮轨空间几何约束的研究[J].西南交通大学学报, 1983,(3): 40—47.
[3]严隽耄,王开文.锥形及磨耗形踏面轮对的空间轮轨接触几何约束特点[J]。
铁道学报, 1985,(2): 9—17.。