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        高速列車車輪與高速道岔可動(dòng)心軌接觸分析

        2022-11-02 08:52:58田志鵬鄒小春
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

        張 軍,田志鵬,牛 巖,馬 賀,鄒小春

        (北京建筑大學(xué) 城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

        0 引 言

        道岔是列車實(shí)現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)換重要的線路設(shè)備,對(duì)列車的運(yùn)行速度和安全有重要影響[1]。列車在通過道岔區(qū)段時(shí),輪軌垂直方向的動(dòng)力不平順比水平方向高出很多。因此,與普通線路相比,道岔區(qū)的養(yǎng)護(hù)工作更大,使用壽命更短[2-4]。車輪與道岔型面的合理匹配,對(duì)提高列車行駛穩(wěn)定性、改善列車通過曲線的能力、降低輪岔接觸力和磨損、提高輪岔使用壽命及保證列車運(yùn)行安全具有重要意義。

        在道岔區(qū)動(dòng)力學(xué)方面,大量學(xué)者通過建立動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)列車通過道岔區(qū)的安全性、平穩(wěn)性及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析[5-7];還有學(xué)者通過動(dòng)態(tài)仿真模型,對(duì)道岔區(qū)心軌的關(guān)鍵型面進(jìn)行優(yōu)化[8-10]。

        在道岔區(qū)靜力學(xué)方面,有學(xué)者對(duì)高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)段的輪軌接觸力學(xué)行為進(jìn)行了研究[11];王大奎等[12]通過實(shí)際測(cè)量可動(dòng)心軌及車輪型面,計(jì)算了不同車輪在心軌不同位置處的接觸狀態(tài);溫澤峰等[13]采用數(shù)值分析法,對(duì)2種不同型面的輪對(duì)與鋼軌滾動(dòng)接觸時(shí)的接觸幾何、蠕變率和摩擦功進(jìn)行了分析;M.WIEST等[14]通過建立4種不同的輪岔接觸模型,為研究輪軌接觸區(qū)的彈塑性結(jié)構(gòu)和蠕滑提供了理論依據(jù)。

        以上成果對(duì)研究道岔區(qū)輪軌動(dòng)態(tài)相互作用及輪軌接觸行為具有重要意義,但以往研究大多對(duì)固定轍叉進(jìn)行分析,對(duì)因列車長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致車輪型面改變,進(jìn)而引起高速道岔可動(dòng)心軌區(qū)段輪軌接觸狀態(tài)變化的分析較少。對(duì)此,筆者以60 kg/m鋼軌18號(hào)可動(dòng)心軌道岔心軌部分為研究對(duì)象(圖1),對(duì)CRH5型動(dòng)車車輪與可動(dòng)心軌的幾何形狀進(jìn)行實(shí)地測(cè)量并建立三維有限元模型,研究不同車輪與可動(dòng)心軌的接觸狀態(tài),為進(jìn)一步優(yōu)化可動(dòng)心軌型面提供參考。

        圖1 60 kg/m鋼軌18號(hào)可動(dòng)心軌道岔

        1 車輪與可動(dòng)心軌計(jì)算模型建立

        為分析車輪由長(zhǎng)心軌運(yùn)動(dòng)到短心軌的接觸過程,分別建立了標(biāo)準(zhǔn)及磨耗后車輪與磨耗后心軌的三維有限元接觸模型。通過采集大量CRH5型動(dòng)車車輪型面并進(jìn)行篩選,選出磨耗量最大的型面,記為磨耗后車輪型面,如圖2。相較于標(biāo)準(zhǔn)車輪,磨耗后車輪的輪緣及踏面均產(chǎn)生磨耗,磨耗量分別為5.96、0.70 mm。

        圖2 標(biāo)準(zhǔn)與磨耗后車輪型面比較

        利用鋼軌型面測(cè)量?jī)x,對(duì)可動(dòng)心軌軌頂型面進(jìn)行測(cè)量。由于可動(dòng)心軌為變截面結(jié)構(gòu),因此選取心軌關(guān)鍵截面進(jìn)行測(cè)量。以可動(dòng)心軌尖端為基準(zhǔn),取距可動(dòng)心軌尖端220~300 cm的區(qū)段,每隔20 cm對(duì)鋼軌型面進(jìn)行一次測(cè)量,所測(cè)得的可動(dòng)心軌型面如圖3。

        圖3 可動(dòng)心軌型面

        將測(cè)得的可動(dòng)心軌型面和不同車輪進(jìn)行匹配,建立距離心軌尖端230、240、250、260、270、280、290 cm的輪岔接觸有限元模型。圖4為車輪-可動(dòng)心軌接觸有限元模型,列車車輪直徑為915 mm。由于車輪與可動(dòng)心軌接觸,接觸區(qū)應(yīng)力遠(yuǎn)大于非接觸區(qū)應(yīng)力,為獲得較為清晰的結(jié)果,同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在網(wǎng)格劃分時(shí),接觸區(qū)網(wǎng)格密度較小,非接觸區(qū)密度逐漸變大,接觸區(qū)單元網(wǎng)格的最小邊長(zhǎng)為1 mm。車輪有限元模型共62 693個(gè)節(jié)點(diǎn),58 062個(gè)單元;可動(dòng)心軌有限元模型共28 539個(gè)節(jié)點(diǎn),25 137個(gè)單元。

        圖4 輪軌接觸三維有限元模型

        建模時(shí)車輪材料彈性模量取200 GPa,泊松比0.3,屈服極限600 MPa;可動(dòng)心軌材料彈性模量取210 GPa,泊松比0.3,屈服極限490 MPa,車輪與可動(dòng)心軌材料本構(gòu)模型采用應(yīng)力-應(yīng)變雙線性模型,如圖5。輪軌間摩擦系數(shù)為0.3。

        圖5 車輪與可動(dòng)心軌材料本構(gòu)模型

        可動(dòng)心軌及標(biāo)準(zhǔn)軌底部采用固定約束,長(zhǎng)心軌與短心軌間施加綁定約束,約束車輪兩端橫向、縱向位移,并對(duì)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束,在車軸軸箱處施加垂向的集中載荷8.5 t(動(dòng)車滿載軸重17 t)。

        2 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸分析

        2.1 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸斑分析

        圖6為距可動(dòng)心軌尖端240、250、260 cm處輪岔接觸斑。距可動(dòng)心軌尖端240 cm處,車輪僅與長(zhǎng)心軌接觸;在距可動(dòng)心軌尖端250 cm附近,車輪與長(zhǎng)心軌和短心軌共同接觸;在260 cm處,車輪只與短心軌接觸,此時(shí)車輪已完全從長(zhǎng)心軌過渡到短心軌。標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌匹配時(shí),接觸斑呈橢圓狀,形狀狹長(zhǎng)。

        圖6 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸斑

        表1為標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸斑的面積及縱、橫向長(zhǎng)度,可知接觸斑面積最大為111.40 mm2在距可動(dòng)心軌尖端250 cm處。在車輪完成從長(zhǎng)心軌向短心軌過渡后,接觸斑面積逐漸增大,這是因?yàn)殡S著短心軌軌頂不斷變寬,車輪與短心軌接觸更加充分。

        表1 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸斑情況

        2.2 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌等效應(yīng)力分析

        圖7為距可動(dòng)心軌尖端240、250、260 cm處標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸等效應(yīng)力分布。距可動(dòng)心軌尖端240 cm處,最大等效應(yīng)力主要分布在長(zhǎng)心軌上,其值為629.4 MPa;距可動(dòng)心軌尖端250 cm處,車輪同時(shí)與長(zhǎng)短心軌接觸,長(zhǎng)心軌與短心軌都有等效應(yīng)力分布,但最大等效應(yīng)力由長(zhǎng)心軌轉(zhuǎn)移到短心軌上,其值為556.8 MPa;距可動(dòng)心軌尖端260 cm處,短心軌上的最大等效應(yīng)力繼續(xù)增大,其值為595.5 MPa。

        在距可動(dòng)心軌尖端240、250、260 cm處,最大等效應(yīng)力從長(zhǎng)心軌向短心軌轉(zhuǎn)移,短心軌上的最大等效應(yīng)力值不斷增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著距可動(dòng)心軌尖端的距離增加,短心軌軌頂不斷增寬加高,使短心軌逐漸承受軸重。

        表2為標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌在不同位置處接觸時(shí)最大等效應(yīng)力。接觸斑面積在距離可動(dòng)心軌尖端250 cm處最大,等效應(yīng)力值最小,為556.8 MPa;接觸斑面積在距離可動(dòng)心軌尖端290 cm處相對(duì)較小,且接觸斑形狀狹長(zhǎng),車輪載荷施加在小面積鋼軌上,因此等效應(yīng)力在此處最大,為662.7 MPa。

        表2 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效應(yīng)力

        在距可動(dòng)心軌尖端230至290 cm區(qū)段關(guān)鍵位置處,可動(dòng)心軌材料的屈服極限值均低于輪軌接觸產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力值,列車在反復(fù)通過可動(dòng)心軌區(qū)段時(shí),車輪頻繁與可動(dòng)心軌進(jìn)行接觸,可動(dòng)心軌會(huì)產(chǎn)生磨耗,嚴(yán)重甚至?xí)斐蓜冸x等破壞。

        2.3 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌等效塑性應(yīng)變分析

        表3為標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效塑性應(yīng)變值。距可動(dòng)心軌尖端240 cm處等效塑性應(yīng)變值最大,為1.205×10-2,距可動(dòng)心軌尖端250 cm處等效塑性應(yīng)變值最小,為8.063×10-3。在距可動(dòng)心軌尖端230至290 cm區(qū)段關(guān)鍵位置處,車輪與可動(dòng)心軌接觸均產(chǎn)生等效塑性應(yīng)變,可動(dòng)心軌會(huì)產(chǎn)生磨耗。

        表3 標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效塑性應(yīng)變

        3 磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸分析

        3.1 磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸斑分析

        圖8為距可動(dòng)心軌尖端240、250、260、270 cm處磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸斑。較標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌接觸相比,磨耗后車輪從長(zhǎng)心軌向短心軌過渡區(qū)段相對(duì)延長(zhǎng)。在距可動(dòng)心軌尖端240 cm處,車輪只與長(zhǎng)心軌接觸;與可動(dòng)心軌尖端相距250至260 cm區(qū)段,車輪與長(zhǎng)、短心軌共同接觸;與可動(dòng)心軌尖端相距270 cm處,車輪只與短心軌接觸,且接觸斑逐漸向短心軌外側(cè)移動(dòng),此時(shí)車輪完成了從長(zhǎng)心軌向短心軌的過渡。

        圖8 磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸斑

        表4為磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸斑的面積及縱、橫向長(zhǎng)度。接觸斑面積在與可動(dòng)心軌尖端相距230 cm處最大,為119.36 mm2。磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸斑沿縱向的半軸長(zhǎng)度較沿橫向的半軸長(zhǎng)度大,但相差數(shù)值相對(duì)較小。因此,磨耗后車輪與可動(dòng)心軌的型面匹配相較標(biāo)準(zhǔn)車輪更加良好。

        表4 磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸斑情況

        圖9為距可動(dòng)心軌尖端290 cm處接觸斑。此處短心軌頂面上的接觸斑出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象,接觸斑分成了兩部分,車輪與短心軌間產(chǎn)生了兩點(diǎn)接觸,這是輪軌接觸中的一種常見狀態(tài)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,是磨耗后的車輪與這段鋼軌的接觸區(qū)內(nèi)存在縱向“凹陷”,“凹陷”內(nèi)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域與車輪并不產(chǎn)生接觸,因此形成了條形間斷接觸斑。

        圖9 距可動(dòng)心軌尖端290 cm處接觸斑

        3.2 磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸等效應(yīng)力分析

        圖10為距可動(dòng)心軌尖端240、250、260、270 cm處可動(dòng)心軌等效應(yīng)力分布。距可動(dòng)心軌尖端240 cm處,最大等效應(yīng)力分布在長(zhǎng)心軌上,其值為569.0 MPa;與可動(dòng)心軌尖端相距250、260 cm處,車輪與長(zhǎng)、短心軌共同接觸,但均在短心軌上產(chǎn)生最大等效應(yīng)力,在260 cm處短心軌上最大等效應(yīng)力相對(duì)250 cm處較?。痪嗫蓜?dòng)心軌尖端270 cm處,車輪已完成過渡,等效應(yīng)力完全轉(zhuǎn)移到短心軌上,此時(shí)最大等效應(yīng)力為605.1 MPa。

        圖10 不同接觸位置的心軌等效應(yīng)力圖

        表5為磨耗后車輪與可動(dòng)心軌在不同位置接觸的最大等效應(yīng)力。距可動(dòng)心軌尖端270 cm處最大等效應(yīng)力值最大,為605.1 MPa;在距可動(dòng)心軌尖端230 cm處,接觸斑面積相對(duì)最大,此處最大等效應(yīng)力值最小,為501.4 MPa。

        表5 磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸的最大等效應(yīng)力

        3.3 磨耗后車輪與可動(dòng)心軌等效塑性應(yīng)變分析

        表6為磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效塑性應(yīng)變值。距可動(dòng)心軌尖端270 cm處,輪軌接觸最大等效塑性應(yīng)變值最大,為9.759×10-3(最大值位于270 cm處短心軌,250 cm處數(shù)值并非長(zhǎng)短心軌相加,兩者是獨(dú)立的);距可動(dòng)心軌尖端230 cm處,最大等效塑性應(yīng)變值最小,為5.326×10-3;距可動(dòng)心軌尖端250 cm處,長(zhǎng)短心軌同時(shí)產(chǎn)生塑性應(yīng)變,這是由于此處為車輪過渡區(qū)段,車輪與長(zhǎng)短心軌共同接觸,使長(zhǎng)短心軌同時(shí)產(chǎn)生磨耗。

        表6 磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效塑性應(yīng)變

        4 標(biāo)準(zhǔn)和磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸對(duì)比

        4.1 接觸斑對(duì)比分析

        圖11為標(biāo)準(zhǔn)和磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸斑面積變化曲線。通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)和磨耗后的車輪在相同截面位置的接觸斑總面積可以發(fā)現(xiàn),與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比,磨耗后車輪與可動(dòng)心軌的接觸斑面積更大。這是由于經(jīng)列車運(yùn)行,車輪踏面發(fā)生磨耗,磨耗后車輪踏面形狀和可動(dòng)心軌匹配更好,因此接觸斑面積有所增大。

        圖11 接觸斑面積變化曲線

        4.2 等效應(yīng)力對(duì)比分析

        圖12為標(biāo)準(zhǔn)車輪與磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效應(yīng)力變化曲線。在車輪同時(shí)與長(zhǎng)短心軌發(fā)生接觸前,最大等效應(yīng)力值均呈先增大后減小的趨勢(shì),同時(shí)接觸后,鋼軌等效應(yīng)力均成先增大再減小,后再增大的趨勢(shì)。此處以車輪與長(zhǎng)短心軌同時(shí)接觸為分界,標(biāo)準(zhǔn)車輪在250 cm處同時(shí)接觸,260 cm處結(jié)束;磨耗車輪在250 cm處同時(shí)接觸,在270 cm處結(jié)束,后同。除距可動(dòng)心軌尖端250 cm和270 cm處外,與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比,磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸的最大等效應(yīng)力值更小。這是由于相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輪,磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸斑面積較大,等效應(yīng)力值相對(duì)較小。相比于標(biāo)準(zhǔn)車輪,磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸狀態(tài)更加良好,但兩種接觸情況的最大等效應(yīng)力值仍大于可動(dòng)心軌材料的屈服極限,在車輪與鋼軌的反復(fù)接觸過程中,同樣會(huì)造成鋼軌磨耗。

        圖12 最大等效應(yīng)力變化曲線

        4.3 等效塑性應(yīng)變對(duì)比分析

        圖13為標(biāo)準(zhǔn)車輪與磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸最大等效塑性應(yīng)變曲線。在車輪同時(shí)與長(zhǎng)短心軌發(fā)生接觸前,最大等效應(yīng)變值均呈先增大后減小的趨勢(shì),同時(shí)接觸后,等效應(yīng)變值均成先增大再減小,后再增大的趨勢(shì)(同4.2節(jié)),其變化趨勢(shì)與輪軌接觸最大等效應(yīng)力變化趨勢(shì)相同。除距可動(dòng)心軌尖端270 cm處外,與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比,磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸的最大等效塑性應(yīng)變值更小。這是因?yàn)槟ズ暮筌囕喤c可動(dòng)心軌等效應(yīng)力值較小,相比于標(biāo)準(zhǔn)車輪,磨耗車輪與可動(dòng)心軌接觸狀態(tài)更加良好。但兩種車輪與可動(dòng)心軌接觸均產(chǎn)生塑性應(yīng)變,鋼軌均會(huì)產(chǎn)生磨損變形。

        圖13 最大等效塑性應(yīng)變曲線

        5 結(jié) 論

        筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,通過建立標(biāo)準(zhǔn)XP55車輪和磨耗后車輪與60 kg/m鋼軌18號(hào)高速道岔可動(dòng)心軌的接觸模型,利用有限元分析方法求解計(jì)算,得出接觸斑形狀及面積、等效應(yīng)力的大小及變化規(guī)律。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論:

        1)列車通過可動(dòng)心軌區(qū)段時(shí),均由長(zhǎng)心軌向短心軌過渡,且相較于標(biāo)準(zhǔn)車輪,磨耗后車輪的過渡區(qū)段相對(duì)延長(zhǎng)。

        2)標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌的接觸斑面積均小于磨耗后車輪與可動(dòng)心軌的接觸斑面積。標(biāo)準(zhǔn)車輪與可動(dòng)心軌匹配更易發(fā)生應(yīng)力集中以致加劇輪軌磨損。

        3)標(biāo)準(zhǔn)車輪和磨耗后車輪與可動(dòng)心軌接觸時(shí),在可動(dòng)心軌表面均產(chǎn)生應(yīng)力集中,且最大等效應(yīng)力值均大于鋼軌材料的屈服極限,可動(dòng)心軌出現(xiàn)塑性形變。

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