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试述磨耗基于蠕滑机理重载货车车轮磨耗

收藏本文 2024-02-16 点赞:6847 浏览:22769 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:在货车轴重不断增大的条件下,展开车轮磨耗的探讨工作对于如何减轻轮轨磨耗和提升运输经济效益具有重要的指导作用。本论文在SIMPACK中建立车辆系统动力学模型,采取傅立叶逆变换将轨道不平顺功率谱密度转换为时域不平顺序列,基于MATLAB软件编制了车轮踏面磨耗仿真程序WWS。根据仿真结果和现场实测结果对Zobory磨耗模型进行修正,系统探讨影响重载货车车轮磨耗的关键不足,以车轮磨耗的角度确定了轴重与运转速度的匹配联系。通过对车辆非理想状态下的车轮磨耗仿真,浅析轮轨型面和转向架结构对车辆非理想状态的适应性。探讨钢轨表面滚动接触疲劳损伤的特点,对车轮滚动接触疲劳和磨耗耦合联系进行数值模拟。取得的主要结果和结论如下:1.半赫兹接触的接触斑形状较赫兹接触更接近于CONTACT,同时基于半赫兹接触的FASTSIM算法的计算结果与CONTACT比较接近,而且计算速度较快,由此半赫兹接触可以运用于需要大量轮轨滚动接触计算的车轮磨耗仿真。2.在半赫兹接触中考虑弹性剪切变形对滑动速度的影响时,其磨耗计算结果与CONTACT的结果比较接近,具有较高的精度。法向载荷主要影响Jendel模型的第Ⅳ磨耗区,蠕滑率和摩擦系数同时接触斑内黏滑区的分布和磨耗区的分布。在小蠕滑工况下,Braghin模型的磨耗最大,Jendel模型次之,Zobory模型最小,而在大蠕滑工况下,Jendel模型的磨耗远大于其余两种模型。3.美国轨道谱各种中心线不平顺之间相联系数均小于0.3,为微弱相关,可以直接将中心线的轨道不平顺等效转换为左、右轨道的垂向和横向不平顺。转换后的美国五级谱左、右轨垂向和横向不平顺谱密度与中国干线谱进行比较,在低频部分(1.5Hz),美国五级谱略大于中国干线谱,在中等频率(1.5Hz-15Hz)部分,基本和中国三大干线谱相当,在高频部分(15Hz),低于中国干线谱。4.小波滤波平滑能更好反映原始数据的分布情况,同时最大更新磨耗深度取0.1mm时能较好满足计算速度和计算精度要求。利用Zobory模型、Jendel模型和Braghin模型对重载货车在环形线和大秦线上的车轮磨耗仿真结果都大于实测结果,最后对Zobory模型进行了修正,并浅析了磨耗后车轮对车辆动力学性能的影响。5.在文中所设线路条件下,轴重的增加主要影响踏面上磨耗的增大,对轮缘上的磨耗影响不大。摆动式转向架和交叉支撑转向架车轮的磨耗行为比较接近,而径向式转向架能有效减轻车轮轮缘磨耗。车辆定距越大,车轮踏面上的磨耗越小。对三大件式转向架,一系横向定位刚度和垂向刚度对车轮磨耗的影响不大,一系纵向定位刚度对车轮的磨耗寿命和轮缘磨耗均有较大影响。轴距增加使车轮磨耗寿命减小,同时加剧轮缘磨耗。轮径越大,车轮踏面圆周磨耗深度和踏面磨耗面积越小。曲线半径的增大能使车轮磨耗急剧减小,但随着半径的增大,磨耗减小的幅度变小。轨距加宽可以减轻车轮踏面上的磨耗,延长车轮磨耗寿命。当LM踏面与CN75钢轨匹配时,以车轮磨耗的角度来说轨底坡取1/40是合理的。采取CN75钢轨较CN60和UIC60能有效减轻车轮踏面上的磨耗。线路等级越差,车轮轮缘和踏面上的磨耗越大。运转速度主要影响车轮踏面上的磨耗,且运转速度越大,车轮磨耗寿命减小的幅度越大。轮轨摩擦系数为0.1时车轮磨耗显著减小,而摩擦系数分别为0.25、0.4和0.55时车轮磨耗变化不大。以25t轴重以100km/h速度运转时的段修磨耗寿命为基准,轴重为27.5t时不需要降速运转,30t轴重时需降速到85km/h,32.5t轴重时需降到80km/h,35t轴重时需降到60km/h以下。6.初始安装偏转角ψ0对平衡后轮对冲角影响较大,而轮径差ΔD主要影响轮对横移量,同时低的踏面等效锥度更容易形成大的轮对冲角和横移量。ψ0和ΔD都会导致车轮磨耗寿命减少,其中ψo对车轮磨耗寿命的影响较大,而ΔD主要导致车轮出现偏磨。以减轻车轮磨耗的角度看,摆动式转向架和交叉支撑转向架对车辆非理想状态的适应性较好,径向式转向架的适应性较差。7.车辆在速度和轴重增加的情况下均会加剧钢轨的疲劳损伤,并有着一个拐点,超过拐点后由于钢轨磨损加剧而使损伤减小。在半径小于600m的曲线上采取轮缘润滑措施会使外侧钢轨的疲劳损伤系数急剧增大,严重影响列车行车安全,故对轮缘润滑要慎用,并应与钢轨打磨配合利用。车轮材料磨耗和RCF损伤的耦合联系与轮轨接触条件和车轮材质有关。摩擦系数和蠕滑较小时,由于磨耗较小,材料容易发生RCF损伤;大的摩擦系数和蠕滑率则使磨耗占据主导地位,材料不会发生RCF损伤。贝氏体钢由于屈服强度较高,比CL60钢更能抑制RCF损伤的发生。关键词:重载货车论文轮轨滚动接触论述论文车轮磨耗仿真论文磨耗寿命论文滚动接触疲劳论文

    摘要6-8

    Abstract8-16

    第1章 绪论16-32

    1.1 论文选题背景16-18

    1.1.1 国内外重载货物运输的进展16-17

    1.1.2 重载货车车轮磨耗探讨的必要性17-18

    1.2 国内外轮轨磨耗的探讨近况和有着的不足18-30

    1.2.1 轮轨滚动接触论述18-20

    1.2.2 轮轨磨耗试验及仿真20-26

    1.2.3 轮轨磨耗和滚动接触疲劳耦合联系的探讨26-28

    1.2.4 国内探讨近况28-30

    1.2.5 有着的不足30

    1.3 本论文的主要探讨内容30-32

    第2章 轮轨滚动接触论述及运用浅析32-54

    2.1 轮轨滚动接触的法向不足32-43

    2.1.1 赫兹接触论述32-33

    2.1.2 Kalker三维非赫兹滚动接触论述33-35

    2.1.3 半赫兹接触论述35-37

    2.1.4 多点赫兹接触法37-38

    2.1.5 基于有限元的法向接触浅析38-39

    2.1.6 利用超声波解决轮轨法向接触不足39-40

    2.1.7 法向接触模型比较浅析40-43

    2.2 轮轨滚动接触的切向不足43-53

    2.2.1 Carter滚动接触论述43-45

    2.2.2 Johnson-Vermeulen滚动接触论述45-46

    2.2.3 Kalker线性论述46-47

    2.2.4 Kalker简化论述47

    2.2.5 Kalker精确论述47-48

    2.2.6 小自旋条件下的蠕滑力计算模型48

    2.2.7 Polach蠕滑力计算模型48-50

    2.2.8 滚动接触论述的比较浅析50

    2.2.9 基于半赫兹接触的FASTSIM算法50-53

    2.3 本章小结53-54

    第3章 车轮踏面磨耗模型探讨54-70

    3.1 国内外轮轨磨耗试验浅析54-58

    3.1.1 Bolton和Clayton的试验54-55

    3.1.2 Zakharov和Komarovsky的试验55-56

    3.1.3 Olofsson和Telpskivi的试验56

    3.1.4 国内的磨耗试验56-58

    3.2 车轮踏面磨耗模型浅析58-61

    3.2.1 Pearce模型58

    3.2.2 Zobory模型58-59

    3.2.3 Jendel模型59-60

    3.2.4 Braghin模型60

    3.2.5 Vuong模型60-61

    3.3 接触斑内滑动速度分布61-63

    3.3.1 刚性滑动速度和弹性滑动速度61-62

    3.3.2 刚性滑动速度和弹性滑动速度比较浅析62-63

    3.4 磨耗模型比较浅析63-68

    3.4.1 影响磨耗区分布的因素浅析63-65

    3.4.2 接触斑内磨耗量比较浅析65-68

    3.5 本章小结68-70

    第4章 重载货车动力学模型及轨道不平顺数值模拟70-80

    4.1 车辆系统动力学模型70-71

    4.1.1 动力学模型中的简化处理70-71

    4.1.2 在SIMPACK中建立动力学模型71

    4.2 轨道不平顺激励71-79

    4.2.1 轨道不平顺的几何描述73-74

    4.2.2 轨道不平顺的数值模拟74-76

    4.2.3 中心线轨道不平顺相关性浅析与验证76-78

    4.2.4 左右轨道不平顺的转换及与中国干线谱的比较78-79

    4.3 本章小结79-80

    第5章 重载货车车轮磨耗探讨80-106

    5.1 车轮踏面磨耗仿真流程80

    5.2 磨耗深度平滑处理80-82

    5.2.1 滑动平均法平滑81

    5.2.2 FFT低通滤波平滑81

    5.2.3 小波滤波平滑81-82

    5.2.4 平滑效果比较82

    5.3 车轮踏面更新对策82-84

    5.4 轮轨几何接触联系84-88

    5.4.1 轮轨坐标系85-86

    5.4.2 轮轨型面坐标转换86-87

    5.4.3 轮轨接触点的确定87-88

    5.4.4 计算实例88

    5.5 磨耗仿真程序的编制88-89

    5.5.1 WWS程序的仿真计算流程88-89

    5.5.2 WWS程序的功能89

    5.6 货车车轮磨耗统计及仿真89-100

    5.6.1 提速货车120km/h环形线可靠性试验89-90

    5.6.2 环形线可靠性试验车轮磨耗实测结果90-92

    5.6.3 环形线上的车轮磨耗仿真92-97

    5.6.4 大秦线线路条件及货车车轮磨耗统计结果97-98

    5.6.5 大秦线上车轮磨耗仿真98-100

    5.7 车轮磨耗模型的修正100-101

    5.8 货车车轮磨耗寿命预测101-102

    5.9 车轮磨耗对车辆动力学行为的影响102-105

    5.9.1 车轮磨耗对车辆运转稳定性的影响103

    5.9.2 车轮磨耗对车辆运转安全性的影响103-104

    5.9.3 车轮磨耗对车辆运转平稳性的影响104-105

    5.10 本章小结105-106

    第6章 影响重载货车车轮磨耗的关键不足探讨106-121

    6.1 车辆系统参数对车轮磨耗的影响106-112

    6.1.1 轴重对车轮磨耗的影响106-107

    6.1.2 转向架型式对车轮磨耗的影响107-108

    6.1.3 车辆定距对车轮磨耗的影响108-109

    6.1.4 一系定位刚度对车轮磨耗的影响109-110

    6.1.5 转向架轴距对车轮磨耗的影响110-111

    6.1.6 轮径对车轮磨耗的影响111-112

    6.2 轨道系统参数对车轮磨耗的影响112-117

    6.2.1 曲线半径对车轮磨耗的影响112-113

    6.2.2 轨距对车轮磨耗的影响113-114

    6.2.3 钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响114-115

    6.2.4 钢轨型面对车轮磨耗的影响115-116

    6.2.5 轨道不平顺对车轮磨耗的影响116-117

    6.3 运营条件对车轮磨耗的影响117-119

    6.3.1 运转速度对车轮磨耗的影响117-118

    6.3.2 轮轨摩擦系数对车轮磨耗的影响118-119

    6.4 车辆运转速度与轴重的匹配联系119-120

    6.5 本章小结120-121

    第7章 车辆非理想状态下的车轮磨耗探讨121-133

    7.1 车辆非理想状态下的轮对平衡位置121-126

    7.1.1 初始安装偏转角和轮径差对轮对平衡位置的影响122

    7.1.2 等效锥度对轮对平衡位置的影响122-124

    7.1.3 一系定位刚度对轮对平衡位置的影响124-126

    7.2 直线上车辆非理想状态下的车轮磨耗行为探讨126-129

    7.2.1 有初始安装偏转角时的车轮磨耗仿真126-127

    7.2.2 有轮径差时的车轮磨耗仿真127-129

    7.3 曲线上车辆非理想状态下的车轮磨耗行为探讨129-130

    7.4 转向架结构对车辆非理想状态的适应性130-132

    7.5 本章小结132-133

    第8章 轮轨滚动接触疲劳与磨耗的耦合联系探讨133-145

    8.1 基于磨耗数的钢轨滚动接触疲劳探讨133-139

    8.1.1 钢轨RCF损伤系数133-134

    8.1.2 钢轨RCF损伤系数计算134-139

    8.2 车轮磨耗和RCF耦合联系数值模拟139-144

    8.2.1 “layer”滚动接触疲劳失效模型139-140

    8.2.2 轮轨接触条件140-141

    8.2.3 磨耗与RCF耦合联系仿真结果141-144

    8.3 本章小结144-145

    结论145-149

    致谢149-150

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