轮轨接触力学
工业用钢轨与列车车轮接触力研究
工业用钢轨与列车车轮接触力研究引言工业用钢轨与列车车轮之间的接触力是铁路运输中的重要研究领域。
准确了解和控制接触力对于确保列车的安全、提高运输效率和降低维护成本具有关键意义。
本文将对工业用钢轨与列车车轮的接触力进行研究，并探讨影响接触力的因素以及现有的解决方案。
一、工业用钢轨与列车车轮接触力概述工业用钢轨与列车车轮的接触力是指沿轨道行驶的列车车轮与钢轨之间所产生的作用力。
在运输过程中，接触力的大小直接影响了列车的牵引力、制动力和转向能力。
准确了解并控制接触力，能够提高列车的安全性、可靠性和运输效率。
二、影响接触力的因素1. 车轮和轮轴的材料与几何形状：车轮和轮轴的材料和几何形状对接触力具有重要影响。
不同材料的车轮会对接触区域的形变和应力分布产生影响，进而改变接触力的大小。
2. 钢轨的几何形状和表面状况：钢轨的几何形状和表面状况也会影响接触力。
轨道的几何形状（包括凹槽、螺旋曲线等）会引起车轮端面的变形，从而影响接触力的分布。
3. 轮轨间的垫片：在车轮与钢轨之间安装垫片能够减小接触力的大小。
垫片的设计和材料选择对接触力的控制起着重要作用。
4. 轨道的弹性和刚度：弹性对接触力的分布和大小有重要影响。
刚度的变化会导致接触力分布的不均匀，从而影响列车的运行性能。
5. 气动力与动力学因素：列车行驶过程中，空气动力学因素和动力学因素也会影响接触力。
例如，列车在高速行驶时会产生空气动力学压力，从而影响接触力的大小。
三、现有解决方案1. 材料和几何形状优化：通过改变车轮和轮轴的材料和几何形状，可以调节接触区域的形变和应力分布，从而控制接触力的大小。
此外，对于钢轨的几何形状和表面状况的优化也能够改善接触力。
2. 垫片设计和选择：合理选择和设计垫片能够减小接触力的大小。
垫片的材料选择应符合弹性和刚度的要求，从而实现对接触力的控制。
3. 轨道维护与管理：定期进行轨道的维护和管理对于保持合适的几何形状和表面状态至关重要。
高铁列车的轮轨关系与动力学性能研究
高铁列车的轮轨关系与动力学性能研究引言高铁列车作为一种现代化的铁路交通工具，其快速、稳定、舒适的特点受到了广泛的认可和青睐。
在高铁列车的运行过程中，轮轨关系和动力学性能是至关重要的研究领域。
轮轨关系包括了轮轨之间的相互作用以及对运行安全和稳定性的影响，而动力学性能则关系到列车的加速度、制动性能等关键参数。
本文将围绕高铁列车的轮轨关系与动力学性能展开深入研究，探讨现有技术水平下的相关问题，并提出改进措施和建议。
一、轮轨关系的基本原理与特点1.轮轨接触力的分布特点轮轨接触力是指轮轨之间的力量作用，直接影响到列车的牵引、制动和转向性能。
在高铁列车运行过程中，轮轨接触力的分布呈现出一定的规律，通常在列车重心附近较大，在两端相对较小。
了解轮轨接触力的分布特点对于提高列车的运行效率和安全性具有重要意义。
2.轮轨几何关系的影响轮轨几何关系是指轨道道岔、弯道等结构对轮轨之间关系的影响。
在高速铁路中，采用超高铁路设计标准，轨道线路平整度高，曲线半径大，有利于减小列车与轨道之间的动态载荷，提高运行平稳性和舒适性。
二、动力学性能分析及影响因素1.牵引性能与动力系统高铁列车的牵引性能直接关系到列车的运行速度和能耗。
目前，高铁列车多采用电力牵引系统，通过电机等设备提供动力，实现列车的高速运行。
优化动力系统结构和控制算法，提高列车的牵引性能，是提升高铁列车整体运行效率的重要手段。
2.制动性能与制动系统高铁列车的制动性能对于列车的安全性至关重要。
在高速运行中，制动系统需要具有快速、灵活的响应能力，能够确保列车在紧急情况下快速停车。
目前，高铁列车多采用电磁制动和气动制动相结合的方式，实现较好的制动效果。
3.转向性能与转向系统高铁列车的转向性能对于列车的运行平稳性和舒适性有着直接的影响。
转向系统需要具有较高的精度和稳定性，确保列车在高速运行过程中能够稳定行驶。
目前，高铁列车通常采用转向架和轮对组成的方式，保证列车的转向性能符合设计要求。
高速列车车轮与轨道接触力研究
高速列车车轮与轨道接触力研究随着科技的不断进步和交通设施的快速发展，高速列车作为现代社会中一种重要的交通工具，越来越多地被应用于人们的生活中。
而高速列车的安全行驶离不开车轮与轨道之间的有效接触力。
本文将就高速列车车轮与轨道接触力的研究进行探讨。
首先，我们需要了解何为车轮与轨道接触力。
简而言之，接触力是指车轮与轨道之间相互作用的力量。
确保能够维持良好接触力对高速列车的安全行驶至关重要。
这不仅关乎列车的平稳性，还涉及到列车的牵引、制动和悬挂系统等方面。
在研究接触力时，科学家首先需要考虑的是车轮和轨道的材料特性。
一般来说，车轮和轨道都由金属材料制成，如钢铁或铸铁。
这些材料通常具有良好的导电性和导热性，同时拥有足够的强度和硬度，以承受列车运行时产生的巨大压力和冲击力。
其次，有关接触力的研究还需要考虑车辆的速度和负载情况。
高速列车的运行速度普遍较快，这就需要车轮和轨道之间的接触力能够承受高速运动时引起的中心离心力和摩擦力。
另外，列车的负载也会影响接触力的大小。
负载过大容易造成车轮与轨道之间的剪切力增大，从而降低接触力。
此外，接触力研究还需要考虑列车的行驶轨迹以及轨道的几何结构。
车轮与轨道之间的接触力与列车的行驶轨迹有密切关系。
例如，当列车行驶在弯道上时，车轮与轨道接触力的变化会影响列车的稳定性和行驶速度。
而轨道的几何结构，如轨道的质量、曲率和轮轨间距等，也会直接影响接触力的大小和分布。
为了保证高速列车的运行安全和舒适性，研究人员通过模拟实验和计算分析等方法来研究车轮与轨道接触力。
他们使用先进的传感器和测量设备来获取和记录实际运行中的数据，然后利用数学模型和计算机仿真来分析和预测接触力的变化规律。
通过这些研究，他们可以进一步优化车辆和轨道的设计，以提高列车的安全性和运行效率。
尽管对车轮与轨道接触力的研究已经取得了显著的进展，但仍然面临一些挑战。
例如，高速列车在长时间高速行驶中会产生较高的车轮磨损，这可能导致接触力减小甚至失效。
高速列车运行的轮轨力学与磨损分析
高速列车运行的轮轨力学与磨损分析随着科技的不断发展，高速列车已经成为现代交通运输的主要选择之一。
高速列车的快速行驶离不开良好的轮轨力学性能和磨损控制。
本文将对高速列车运行的轮轨力学和磨损进行深入分析，以便更好地理解其运行机理和优化性能。
一、轮轨接触力分析高速列车的运行离不开轮轨之间的接触力。
接触力是由于轮子对铁轨的压力产生的，它直接影响着列车的运行稳定性和能耗。
接触力的大小与列车的重量、列车速度、曲线半径、轮轨几何结构等因素密切相关。
通过合理调整这些参数，可以优化接触力分布，减少不必要的能耗，并提高列车的运行效率。
二、轮轨磨损分析随着高速列车的长时间运行，轮轨之间的磨损不可避免。
轮轨磨损会导致铁路线路的不平整以及轮轨几何结构的变化，进而影响列车的安全性和舒适性。
因此，对轮轨的磨损进行分析和控制是非常重要的。
（一）轮轨磨损机理分析轮轨之间的磨损可以归结为两种主要机理：疲劳磨损和磨粒磨损。
疲劳磨损是由于重复受力引起的金属疲劳，而磨粒磨损是由于轮轨接触面的摩擦和磨粒的作用引起的。
（二）轮轨磨损影响因素分析轮轨磨损受多种因素的影响，其中包括轮轨材料的性能、车轮与轨道之间的压力分布、列车的运行速度、弯道半径和列车的车型等。
不同的因素对轮轨磨损的影响程度不同，因此需要综合考虑这些因素，制定合理的轮轨维护和磨损控制策略。
三、轮轨力学分析模型建立为了更好地研究轮轨力学性能和磨损特性，需要建立相应的力学分析模型。
常见的轮轨力学分析模型有弹性模型、弹塑性模型和非线性摩擦模型等。
通过建立适合实际情况的模型，可以预测轮轨之间的接触力分布以及磨损情况，为轮轨维护提供科学依据。
四、轮轨磨损控制策略探讨基于轮轨力学和磨损分析结果，可以制定一系列的轮轨磨损控制策略，以延长轮轨的使用寿命、提高列车的运行效率和保证乘客的出行安全。
例如，定期轮轨维护、优化列车运行参数、采用新型材料等措施都可以有效控制轮轨磨损，并减少对环境的影响。
结论高速列车的运行是一个复杂的机理过程，轮轨力学和磨损是其中重要的因素。
第14周 轮轨接触几何关系与力学原理
步骤②
xc xo2 lx Rw tg w Rw 2 2 2 yc yo2 l l tg l 1 l 1 tg w yw x y w z x 2 1 lx zc zo2
R l l tg 1 l
w 2 x 2 x z
w
ly
轮缘 滚动圆直径 轮缘内侧距 车轮踏面斜度
轮缘： 轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮脱轨的重要部 分。 滚动圆直径： 车轮直径大小，对车辆的影响各有利弊：轮径 小可以降低车辆重心，增大车体容积，减小车辆簧下质量， 缩小转向架固定轴距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界， 降低工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增加，轮轨 接触应力增大，踏面磨耗较快，通过轨道凹陷和接缝处对车 辆振动的影响增大。轮径大的优缺点则与之相反。
第三节
轮轨接触状态认识
钢轨轨头外形 轮轨接触状态 轮轨接触几何参数
50kg/m钢轨外型尺寸
60kg/m钢轨外型尺寸
UIC54 钢轨外型
UIC60 钢轨外型
10 0
z/mm
-10 -20 -30 -40 -40
R50 R60
-20
0 y/mm
20
40
一点接触 踏面接触
两点接触 踏面接触 轮缘接触
sp 回转蠕滑率：
w1 r1 v
微量弹性变形 微量弹性滑动 蠕滑
蠕滑率
3、蠕滑力：
切平面 弹性滚动体 正压力 接触处 切平面法线方向 切向力
纵向蠕滑力 横向蠕滑力 回旋蠕滑力矩
轮轨接触蠕滑力示意图
介于纯滚动和纯滑动之间 蠕滑率较小时：线性关系 比例系数—蠕滑系数
蠕滑率较大时：非线性关系 极限值—摩擦力
轮轨接触计算范文
轮轨接触计算范文轮轨接触计算是机车车轮与铁轨之间接触力的计算。
轮轨接触力是机车行驶过程中极为重要的参数之一，它直接影响列车的运行安全、运行速度和经济效益。
准确地计算轮轨接触力十分重要，可以在一定程度上提高列车的行驶效率和运输能力。
轮轨接触力通常包括两个主要的分量：切向力和法向力。
切向力是车轮在转弯时发生的，它的作用是提供列车前进的动力。
而法向力则是车轮垂直于地面的力，它主要的作用是提供列车的牵引力和制动力。
轮轨接触力的计算通常涉及机车车轮和铁轨之间的接触应力、接触区域、接触力分布以及滚动阻力等参数。
其中，接触应力是车轮与铁轨接触的最顶点的应力，它会直接影响到列车行驶的平稳性和稳定性。
接触区域则是指车轮和铁轨之间接触的面积，接触力的大小与接触区域的大小成正比。
接触力分布则是指车轮和铁轨之间接触力在接触区域内的分布情况，它对列车的行驶舒适度和稳定性有重要影响。
滚动阻力是车轮在铁轨上滚动所产生的阻力，它对列车的能耗和行驶速度有较大的影响。
轮轨接触计算通常使用有限元分析、解析计算和实验测量等方法。
其中，有限元分析是一种基于连续介质力学原理的数值计算方法，它可以通过对接触区域进行离散化，利用数值计算方法求解接触应力、接触区域和接触力分布等参数。
解析计算则是基于理论公式和经验公式进行轮轨接触力的计算，它通常适用于简化的轨道系统模型。
实验测量则是通过安装传感器或者测量仪器对列车轮轨接触力进行直接测量，获得实际的接触力数值。
轮轨接触力的计算对于机车运行安全和运输效益具有重要意义。
准确计算轮轨接触力可以帮助铁路公司优化列车的运行参数和调整列车的运行策略，提高列车的运输能力和效率。
此外，合理控制轮轨接触力还可以减少列车对铁轨的磨损和损坏，延长铁轨的使用寿命，降低运输成本和维护成本。
总之，轮轨接触计算是机车运行过程中非常重要的一项工作。
准确计算轮轨接触力可以提高列车的运行效率和安全性，对于铁路运输的发展具有重要意义。
高速列车车轮与轨道的接触力分析与优化
高速列车车轮与轨道的接触力分析与优化随着科技的进步和交通运输的发展，高速列车成为现代社会中不可或缺的交通工具之一。
而高速列车的安全与舒适性在很大程度上取决于车轮与轨道之间的接触力。
因此，对高速列车车轮与轨道的接触力进行分析与优化是至关重要的。
一、高速列车车轮与轨道接触力分析1. 轮轨接触模型高速列车车轮与轨道的接触力可以使用轮轨接触模型来描述。
该模型考虑了轮轨间的压缩变形、弹性回复以及滑移等因素，从而可以计算出接触力的大小和方向。
2. 接触力的组成接触力通常分为垂直力和水平力两个分量。
垂直力是指车轮与轨道的垂直压力，其大小取决于列车的重量和轮轨之间的弹性变形；水平力是指车轮与轨道之间的摩擦力，其大小与列车的行驶速度以及轮轨之间的滑移有关。
3. 影响接触力的因素接触力的大小受到多种因素的影响，包括列车质量、列车速度、轮轨间的几何形状和材料特性等。
合理地分析这些因素对接触力的影响，可以帮助我们优化列车的设计和轨道的维护。
二、高速列车车轮与轨道接触力的优化1. 车轮与轨道的几何形状优化通过优化车轮和轨道的几何形状，可以改变接触力的分布，减小轮轨间的滑移，从而提高列车行驶的平稳性和舒适性。
例如，采用倒角设计可以减小接触力的峰值，降低磨损和噪音。
2. 轮轨材料的选择与处理选择适当的轮轨材料可以改善接触力的性能。
例如，采用高硬度和低摩擦系数的材料可以减少摩擦力，提高列车的能效；对轨道表面进行涂层处理可以降低摩擦系数和磨损。
3. 接触力的在线检测和监测为了有效地进行接触力的优化，我们需要实时地监测列车的运行状况和接触力的变化。
通过安装传感器和监测系统，可以收集列车行驶过程中的数据，帮助我们及时发现问题并采取相应的措施进行调整和优化。
4. 轨道的维护与保养良好的轨道维护和保养可以保持轨道的平整度和轮轨几何形状的一致性，减小接触力的波动和不均匀性。
定期检查轨道的磨损情况，及时修复和更换损坏的轨道部件，对于减少接触力的变化和提高列车运行的稳定性具有重要意义。
轮轨接触力学ppt课件
2P L3 ab
L3
ab
2P
10
2.3 切向问题
不失一般性，设物体沿滚动方向滚动，且是稳态滚动。为了能利用Kalker线 性蠕滑理论模型求得L1和L2，考虑接触斑没有滑动的特殊情况，则滑动方程 可写成
1
3
x2
u1 x1
0
2
3
x1
u2 x1
0
u uw uR diagLi p
柔度系数—待求？
8
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
g x1, x2 Ax12 Bx22 u3
0 0
(x1, x2 ) C (x1, x2 ) C
Ax12 Bx22 p3L3 0 (x1, x2 ) C
利用
p3 x1x2
L3
1
x12
p3
3P
2 ab
1 x12 x22 a2 b2
直角坐标系
下，抛物面
和椭圆面方 程：
ax2 by2 cz 0
x2 a2
y2 b2
z
ax2 by2 cz2 0
x2 a2
y2 b2
z2
其表达形式不再是椭球面形式，这样的形式方可保
持力和变形之关系满足法向几何变形协调性。这和 Hertz压力是有区别的。法向柔度系数为
1
3
x2
L1
p1 x1
0
2
3x1
L2
p2 x1
0
沿x1方向积分
p1
x1 L1
1
3
x2
D1x2
p2
1 L2
1 x1
1 2
3
x12
D2 x2
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
轮轨接触力学PPT精选文档
29
c) 自旋蠕化率 ni( 1 )isin r0 ir 1 0cos[i( 1 )i]r0 v &
sini
r0
r0sini zsini
自旋贡献。轮对转动的自旋分量
r10 cos[i
(1)i]r0&
v
摇头贡献。轮对摇头（转动）的自旋分量
xL,
R
1
r 0 4m 2 ,l0 0 m 7.5 4 m d 6 0 m 1m 5 , 0 t变 m 8,化
LM
S1002
DIN5573
1/40轨底坡
1/20轨底坡
19
4、轮轨蠕滑率
表征蠕动 轮轨蠕滑，即刚性滑动 蠕滑力-率关系
20
4.1 不同滚动半径导致纵向蠕滑
轮对发生横向偏移，左右车轮滚动半径不同。 于是，相同时间内左右车轮沿钢轨的走行距离不同，由于
32
= 0.00
= 1.00
24
= 0.00
16
= 1.00
8
0
0
2
4
6
左轮踏面
右轮踏面
yG (m m )
8
10
12
钢轨 踏面 上接 触点 位置
30 *L,R(m m )
25
20
= 0.00
15
= 1.00
10
= 0.00
= 1.00
5
0
-5 0246
左钢轨踏面
右 钢 轨 踏 面 yG(m m )
14
3.6.3 结果——接触点对
南昌所磨耗后LMa廓形（镟后23万）和昌九线磨耗轨CN60 (2284)3-4R vs. R3500
高铁列车轮轨接触力学与磨损行为研究
高铁列车轮轨接触力学与磨损行为研究摘要：高铁列车是现代交通运输中重要的一部分，其轮轨接触力学与磨损行为对列车的正常运行和安全性有着重要影响。
本文从高铁列车轮轨接触力学与磨损行为的角度出发，探讨了相关研究现状，并针对高铁列车轮轨接触力学和磨损行为进行了深入的分析与研究，为高铁列车的安全运行提供了理论参考。
关键词：高铁列车；轮轨接触力学；磨损行为；研究现状；安全运行一、引言随着高铁技术的不断发展，高铁列车已经成为现代交通运输中的主要交通工具之一。
高铁列车的正常运行和安全性对交通安全有着至关重要的作用，而轮轨接触力学与磨损行为是影响高铁列车安全运行的重要因素之一。
因此，对高铁列车轮轨接触力学与磨损行为进行深入研究，对于保障高铁列车的安全运行具有重要意义。
二、高铁列车轮轨接触力学研究1. 轮轨接触力学的基本原理轮轨接触力学是研究轮轨接触表面力学性质的学科。
在高铁列车中，轮轨接触力学是指列车轮轴与钢轨之间的接触力学特性，包括静摩擦力、动摩擦力、滚动阻力等。
轮轨接触力学的研究可以有效地预测列车的牵引性能和制动性能，为列车的安全运行提供基础支撑。
2. 轮轨接触力学的影响因素轮轨接触力学受到多种因素的影响，包括轮轴重量、列车速度、轨道曲线、轨道坡度等。
不同因素之间相互作用，会影响列车与轨道之间的接触力学特性，进而影响列车的运行性能和安全性。
3. 轮轨接触力学的研究方法目前，轮轨接触力学的研究方法主要包括理论分析、仿真模拟和实验测试等。
通过理论分析可以推导出轮轨接触力学公式，通过仿真模拟可以模拟各种工况下的轮轨接触力学特性，通过实验测试可以验证理论模型的准确性。
三、高铁列车轮轨磨损行为研究1. 轮轨磨损的类型和机理轮轨磨损是指列车轮轴与钢轨之间由于接触而发生的磨损现象。
轮轨磨损主要包括磨耗、疲劳磨损和热蚀磨损等不同类型。
不同类型的磨损机理不同，导致磨损速度和程度也不同。
2. 轮轨磨损的影响因素轮轨磨损受到多种因素的影响，包括轮轨材料性能、列车速度、轨道曲线半径、轨道坡度等。
高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用研究
高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用研究随着高速铁路的飞速发展，对于轨道和钢轨的性能和安全性提出了越来越高的要求。
而轮轨间的力学相互作用是决定铁路运行稳定性和安全性的重要因素之一。
因此，对高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用进行深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用主要包括轮轨接触力、轨道弯曲和轮轨磨损等方面的研究。
首先，轮轨接触力是指车轮与钢轨接触而产生的力。
将车轮当作一个圆形，钢轨当作一个无限长的直线，车轮和钢轨接触处的力学模型可以简化为Hertz接触理论。
根据该理论，可以计算出车轮和钢轨的接触应力分布和接触面形状。
在实际应用中，还需要考虑车体上的垂荷、横荷和弯矩等因素，以获得更为真实的轮轨接触力。
其次，轨道弯曲是指钢轨在列车通过时发生的弯曲现象。
高速列车的高速运行会带来巨大的动载荷，导致钢轨产生弯曲变形。
钢轨的弯曲变形会对列车的稳定性和车体悬挂系统产生影响。
因此，对钢轨弯曲的研究非常重要。
通过建立钢轨的弯曲模型，可以分析列车在不同速度下的振动特性，以指导钢轨设计和铺轨施工。
此外，轮轨磨损也是轮轨间力学相互作用中的一个重要研究方向。
随着高速列车的频繁运行，轮轨间的摩擦和磨损会导致钢轨的表面磨耗和疲劳，进而影响轨道的几何形状和列车的运行平稳性。
因此，研究轮轨磨损规律和机理，开展相关的耐磨材料和防止磨损措施的研究，对于提高轨道使用寿命和降低维护成本具有重要意义。
同时，轮轨间力学相互作用的研究也需要考虑列车的运行速度、列车轴重等因素对轨道和钢轨的影响。
高速铁路的列车运行速度和轴重较大，使得力学相互作用更加复杂。
从列车动力学角度出发，对轮轨间的动态响应进行研究，可以解读轮轨之间的复杂力学过程。
综上所述，高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用研究是一项相当复杂、关键的研究课题。
它不仅涉及到力学学科的多个领域，也涉及到材料科学、结构工程和交通运输等方面的知识。
只有深入研究高速铁路钢轨的轮轨间力学相互作用，才能更好地保障高速铁路的安全性、稳定性和使用寿命，为人民群众提供更加便捷和快速的出行方式。
轮轨接触特性及钢轨损伤因素的理论及试验研究
轮轨接触特性及钢轨损伤因素的理论及试验研究轮轨接触特性及钢轨损伤因素的理论及试验研究摘要：本文基于轮轨接触的实际情况，通过对轮轨接触特性进行理论及试验研究，探讨了钢轨损伤的主要因素。
通过分析轮轨接触特性和钢轨损伤因素的相关问题，为轨道交通行业的发展提供了重要参考。
1. 引言轨道交通作为现代城市交通的重要组成部分，日益受到人们的关注。
钢轨作为轨道交通的基础设施，其运行状态对于车辆的运行安全和乘客的乘坐舒适度具有重要影响。
因此，研究轮轨接触特性及钢轨损伤因素具有重要的理论意义和实际应用价值。
2. 轮轨接触特性2.1 轮轨接触模型轮轨接触是指车轮与钢轨之间的接触情况。
根据轮轨接触表面形态和受力特点的不同，可以将轮轨接触模型分为点接触模型、线接触模型和区域接触模型。
不同的接触模型会对轮轨接触的力学特性和磨损状况产生不同的影响。
2.2 轮轨接触力学特性轮轨接触力学特性是指轮轨接触过程中的力学性质。
轨道车辆在运行过程中，受力状态会发生变化，而轮轨接触力学特性则直接关系到车辆的运行安全和行驶稳定性。
轮轨接触力学特性包括接触压力、接触变形和接触应力等方面的问题。
3. 钢轨损伤因素3.1 动载荷与静载荷钢轨在运行过程中会受到来自车轮的动载荷和静载荷的作用。
动载荷是指车轮通过钢轨时产生的冲击载荷，而静载荷是指车轮对钢轨的静态压力。
动载荷和静载荷对钢轨的损伤具有不同的影响。
3.2 磨损与疲劳钢轨的磨损是指轮轨接触过程中，钢轨表面发生的冲击、磨擦和磨损等现象。
疲劳是指钢轨在长期运行过程中由于受到反复加载而产生的损伤现象。
磨损和疲劳是钢轨损伤的主要因素，会导致钢轨表面的凹陷、开裂和断裂等问题。
4. 理论与试验研究4.1 基于数值模拟的理论研究通过建立轮轨接触模型，利用数值模拟方法对轮轨接触特性进行分析和预测。
通过理论分析计算得到的结果，可以为钢轨的设计和轨道交通系统的运行提供指导。
4.2 基于试验的研究方法通过搭建试验台架以及进行物理实验，对轮轨接触特性和钢轨损伤因素进行研究。
轮轨接触力学3-2017
xi
判断接触点
三向蠕滑率
接触力学、 理论
三向接触力
接触斑及应 力分布
蠕滑力、率 之间关系
振动、噪声
磨耗、疲劳
塑性流动
引言2：法、切向接触(Normal and tangential contact)
1). 法向接触问题：接触斑形状、大小及法向应力分布 2). 切向接触问题：在法向解基础上，求解摩擦力的分布（大小、方向）
v0 t v t lL , S R BB LR 0 lR Rt Rt
S L AA LL
内外轨弧长（轮径）差导致的纵向蠕滑率 c S L, R lL , R xL , R
v0 t Rt
1
曲线通过 相关的纵 向蠕滑率 分量
轮对相对曲线曲率中心转动产生的 纵向蠕滑率 2
比较式两边同 次幂的系数
e 2 1 (b / a) 2
K ( e) E ( e) D ( e)
/2
0
(1 e 2 sin 2 1 ) 1/ 2 d1 (1 e 2 sin 2 1 )1/ 2 d1
G bp0 K (e)
A G * p0 b a
r r ri v (1 i ) cos ( 0 ) cos cos 半径变化贡献。速度取：与名义半径相比 r0 r0 v0 的速度差在滚动方向分量
sin
& y v
& r0 1 i i (1) l0 cos ri sin ( ) r0 v
摇头贡献。轮对摇头（转动）的自旋分量
xL , R yL , R
rL , R 1 r0
nL , R
轮轨接触力学
轮轨接触力学Southwest Jiaotong University轮轨接触动力学报告—关于轮轨接触动力学的思考年级: 2021 级专业：载运工具应用工程姓名：刘新龙学号: 13217021关于轮轨接触动力学的思考提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路开展的趋势, 而到达这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究, 改善机车的粘着利用水平。
轮轨关系那么是机车车辆、轨道系统中最根本、最复杂的一个问题, 是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。
接触理论始于1882年,由H. Hertz发表的经典论文?论弹性固体的接触?。
他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。
Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的根底,但Hertz理论仅局限于无摩擦外表及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。
近几十年来, 国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展, 但随着铁路技术的不断提高, 使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。
在高速和重载的要求下, 轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重, 而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。
因此, 在现有轮轨滚动接触理论的根底上, 使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系, 将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。
不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证平安的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。
因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。
而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。
可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。
机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。
因此在研究机车车辆动力学性能时不能简单地视线路为外激干扰。
1 轮轨关系
可确定任意踏面与轨头外形在轮对横移后的轮轨几何接触点位置，以 及该位置的实际滚动圆半径、接触角、接触点曲率半径等几何参数
轮轨接触几何关系
以一定步长连续变化轮对相对于钢轨的横移量yw，并调整φw，就可以 获得轮轨接触点位置的分布图，同时求得左右实际滚动圆半径差及左 右接触角差随轮对横移yw的关系
轮对通过线路中心时，由于存在一定的冲角，势必将使得轮对越过线 路中心偏向另一侧，形成反复的蛇形运动，亦是一种自动导向的机制
比较以下几种方式的导向方式？
柱形踏面
锥形踏面
锥形踏面
自由轮对蛇形运动原理
轮对偏离轨道中心线，左右轮子踏面与钢轨顶面接触点的 滚动圆半径将产Th差异，在纯滚动条件下，大半径一侧轮 子将绕小半径一侧轮子作水平转动，使轮对返回到线路中 心线，表明锥型踏面的轮对具备横向偏移后的复原能力， 然而复原运动又会使轮对随着车辆前行时产Th左右摆动和 水平转动，形成周期性蛇行运动
轮轨接触区主要位于轨头顶部与踏面±4mm处。当车轮横移量由 6mm变至8mm时，轮缘开始与钢轨侧面接触，接触点位置由踏面跳 跃至轮缘 由于材料的弹性变形，当车轮横移量在7~8mm间存在所谓的“两点接 触”，两点接触会产Th两接触点在滚动半径上的差异，从而造成两接 触点中接触压力较小的轮缘处会发Th相对滑动而导致轮缘磨耗，过量 的轮缘磨耗会使两接触点逐渐接近从而形成凹形踏面
轮轨接触几何关系
作业1
完成CRH动车组LMA型踏面与CHN60kg/m钢轨的轮轨接触几何 关系（平面）分析，分析不同游间与轨底坡的影响 可小组完成，每组不超过3人
打印上交，同时电邮：przhao@
时间截止于第四周三上课前
轮轨接触力学关系
轮轨接触力学：研究轮轨应力 、蠕滑率和几何形状之间的关 系 车轮和钢轨具有相同弹性的物 体的滚动接触问题可以独立地 分解为法向和切向问题
高速列车车轮与轨道的接触力分析
高速列车车轮与轨道的接触力分析一、引言高速列车是现代交通运输的重要组成部分之一，其安全性和稳定性对于乘客的出行至关重要。
而车轮与轨道的接触力是决定高速列车在运行过程中的重要参数之一。
本文将对高速列车车轮与轨道的接触力进行分析与探讨。
二、接触力的影响因素1.车轮和轨道的几何形状：车轮和轨道的几何形状直接影响着接触力的大小和方向。
车轮和轨道表面的曲率半径、横向和纵向净空以及轮缘倾斜角度等几何参数都会对接触力产生影响。
2.轮轨之间的材料特性：车轮和轨道的材料特性也会对接触力产生影响。
材料的硬度、弹性模量以及表面的摩擦系数等特性会改变接触力的大小和分布。
3.列车运行速度：高速列车的运行速度对接触力的大小有着显著的影响。
随着列车速度的增加，接触力也会相应增加。
三、接触力的计算方法1.简化模型：接触力的计算可以使用一些简化的模型，例如Hertz 接触理论。
该理论假设车轮和轨道间的接触面是局部的球面接触，通过计算接触面的形状和弹性形变，进而得到接触力的大小。
2.有限元模拟：有限元模拟是一种更加精确和复杂的计算方法。
该方法通过将车轮和轨道抽象成有限元模型，并考虑材料的非线性、接触面的非球面特性等，来计算接触力的分布情况。
四、接触力的影响与优化1.影响因素的优化：通过优化车轮和轨道的几何形状，可以减小接触力的大小和不均匀分布。
例如，通过增加轮缘倾斜角度、改变曲率半径等方式，可以减小接触力的大小。
2.材料的选择与涂层：选择合适的材料和涂层也会对接触力产生影响。
例如，使用更具弹性的材料可以减小接触力的大小，而在轮轨接触面涂覆摩擦系数较低的涂层可以减小摩擦力。
3.轮轨维护与检测：定期对轮轨进行维护和检测也是保证接触力稳定性的重要措施。
通过检测轮轨的几何形状和材料状况，及时发现和修复存在的问题，以确保接触力的稳定性和可靠性。
五、总结高速列车车轮与轨道的接触力是确保列车安全稳定运行的重要参数。
通过合理优化轮轨几何形状、材料的选择与涂层、定期维护和检测等措施，可以减小接触力的大小和不均匀分布，提高列车运行的稳定性和乘客的安全感。
高速列车轮轨交互动力学分析
高速列车轮轨交互动力学分析一、引言高速列车的发展已经带来了世界上最快的铁路交通工具之一，其行驶速度不仅远高于传统铁路，而且具有较高的安全性、运行效率和减少运输成本的优势。
但是，高速铁路运行的高速度和高载荷给轮轨系统带来了诸多挑战，其中一个重要的问题就是轮轨交互动力学。
因此，对高速列车轮轨交互动力学进行研究，具有重要的理论和实践意义。
二、轮轨系统的结构特点高速列车轮轨系统是由车轮和轨道两个力学系统构成的复杂互动系统。
在运行过程中，轮轨系统承受着重力、向心力、摩擦力、弹性力和振动力等多种力的作用。
其中，轮轨系统的结构特点包括：轮子的空气弹性、刚性与滚动特性；轨道的几何形状、钢轨材料和固定方式等。
三、高速列车的轮轨交互动力学分析（一）轮轨接触力学分析轮轨接触力学是轮轨系统中最基本的问题之一，对整个系统的运行稳定性和安全性起着决定性作用。
主要包括对车轮和轨道的几何尺寸、材料性能、运动状态和接触条件等因素的分析，以及轮轨间接触区域的接触力和接触应力的确定。
（二）轮轨系统的动力学分析轮轨系统的动力学分析主要是研究车轮和轨道之间的相互作用和反应。
这包括车轮在轨道上的运动学、动力学、振动学分析等，以及轨道的弯曲、竖曲、梁曲和失稳等动态问题。
通过模拟分析，能够研究车辆在运行过程中发生的各种动态特性，以及解决高速列车的噪声和振动等问题。
（三）轮轨系统的稳定性分析轮轨系统的稳定性分析是指对轮轨系统的运动稳定性进行研究，主要是分析车辆运行过程中的动态响应和振动特性。
这包括车体、车架和车轮等结构部件的运动，以及采用各种减震降噪措施进行车体稳定性优化的方法。
四、轮轨系统模型的建立轮轨系统模型的建立是对轮轨系统的各种因素进行综合考虑的过程。
因此，在建立此类模型时，需要考虑多个因素的影响，例如车轮的几何参数、轨道的几何形状、耦合效应和各种外部因素的影响等。
通常，轮轨系统的建模包括常微分方程、有限元方法、多体模型和试验模拟方法等。
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轮轨接触动力学报告—关于轮轨接触动力学的思考年级：2013级专业：载运工具应用工程：新龙学号：13217021关于轮轨接触动力学的思考提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路发展的趋势,而达到这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究,改善机车的粘着利用水平。
轮轨关系则是机车车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。
接触理论始于1882年, 由H. Hertz发表的经典论文《论弹性固体的接触》。
他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。
Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的基础, 但Hertz理论仅局限于无摩擦表面及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。
近几十年来,国外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展,但随着铁路技术的不断提高,使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。
在高速和重载的要求下,轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重,而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。
因此,在现有轮轨滚动接触理论的基础上,使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系,将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。
不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证安全的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。
因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。
而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。
可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。
机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统, 在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。
因此在研究机车车辆动力学性能时, 不能简单地视线路为外激干扰。
换言之, 线路也并不存在独立于列车的激扰特性。
引起系统产生振动和其它动力作用的是钢轨和车轮的滚动面上实际存在的不平顺和其它几何技术特性,当然还有列车中车辆与车辆之间, 机车与车辆之间的相互作用。
在轮轨滚动接触力学研究方面作出重大贡献的是荷兰学者Kalker教授,他的一系列研究成果是当今各国铁路公认的权威之作。
1967年Kalker在吸取了众多学者理论的基础上, 在其博士论文中用多项式级数表达了具有椭圆接触斑的滚动接触问题的解,从而把二维理论发展成为三维理论。
从60年代到80年代他不断地对其理论进行发展, 并且先后研制出了DUVO ROL程序和CON T AC T 程序, 可以对Hertz非Hertz的三维弹性体滚动接触问题进行求解。
Kalker的三维非Hertz滚动接触理论在其数值实现过程中,引入了弹性力学中的弹性半空间假设,即将轮轨视为两个无限弹性半空间,因而根本无法精确模拟车轮踏面与钢轨的几何形状,而当列车轮缘与钢轨贴靠，形成拱形接触或两点接触时,计算模型与实际情况将相差甚远。
另外,基于这种假设的计算对轮轨接触塑性分析更是无能为力。
弹塑性问题和接触问题都是边界待定问题,在物体受力后,在部既产生了弹性区又可能产生塑性区,弹性和塑性区域的交界面是待定的; 在接触交界面处,两个物体的实际接触区也是待定的。
但这两个边界待定问题的特点都是: 待定的边界总是由总体平衡和受物体各部分刚度比制约的部变形决定的,也就是说需要通过变分才能弄清边界面在何处。
弹塑性问题和接触问题都是边界待定问题,在物体受力后,在部既产生了弹性区又可能产生塑性区,弹性和塑性区域的交界面是待定的; 在接触交界面处,个物体的实际接触区也是待定的。
但这两个边界待定问题的特点都是: 待定的边界总是由总体平衡和受物体各部分刚度比制约的部变形决定的,也就是说需要通过变分才能弄清边界面在何处。
我国铁路正线通过总重增长迅速。
货运密度在世界铁路中占第二位。
因此钢轨的重型化应当是发展方向。
重型轨道的成套技术将是重点研究任务之一。
根据前节的叙述, 和国外的经验, 重轨线路比轻轨线路有着很大的技术经济效果, 但重轨线路虽然抵抗垂直和水平力的能力增加, 轨道残余变形积累减少, 但可预见, 轨头接触区接触应力和轨头最大剪应力将增大。
为了减少重轨的接触应力, 应考虑增大重轨顶面的半径, 提高钢轨的强度, 特别是提高。
使钢轨材质具有抗接触疲劳损伤、抗剥离、抗冷脆耐磨和可焊性好的综合耐用能力, 这就是强韧化。
因此强韧化也应当是我国钢轨的发展方向。
重型化和强韧化的结合, 才能适应我国铁道繁忙干线和重载线路的发展。
各国铁路普遍关心的机车车辆的动力学性能是以安全为中心的各项响应数值。
它们包括脱轨安全性、曲线通过性能(动态, 稳态和通过缓和曲线的性能) 、直线运行稳定性、对轨道的破坏作用以及其运行品质(平稳性) 。
近20 年来, 随着计算技术的发展, 车辆动力学及安全评价的分析技术有了长足的进展, 开发了很多应用软件, 有人甚至提出了分析手段会替代试验的预言和观点。
但是至今对安全性的最终评定仍离不开在线路上的试验。
各国情况不同,所采用的方法也不尽一致, 作为其中几种典型的北美铁路、英国铁路和欧洲大陆各国铁路在几项重要动力学性能评价上存在较大差别。
从发表的研究论文中还可看到若干活跃的领域和令人关注的课题, 如在摸拟分析领域中的非线性稳定性研究, 非线性问题的数值解法, 独立轮对车辆动力学以及自导向转向架动力学及参数研究。
在试验研究和模拟试验领域的车辆振动、滚动试验台模拟试验, 高速、重载铁路的轮轨接触损伤试验研究及动态接触摸拟试验研究等, 虽然课题众多, 但从学者们广泛注视的问题和车辆动力学研究的发展趋势看, 笔者认为有以下结论:1.轮/轨相互作用研究的发展和实际问题的需要, 研究高频动力学是必然趋势。
2.车辆/线路是不可分的整体系统, 其中线路模型的研究尚欠完善, 特别是模型参数的测量和试验识别技术更待发展。
3.动力学性能和安全评价的试验技术和评定标准仍需发展, 有关的分析软件的可靠性和适用围有待进一步验证。
4.新结构和主动控制技术是有发展前景和实用潜力的研究方向。
笔者认为：将车辆与线路综合为一个整体系统正逐步成为轮/轨相互作用的研究方向。
车辆/线路系统的各子系统已有众多各具特色的模型, 重要的不是模型的型式而在于符合具体问题的需要和恰当的参数。
特别是线路模型, 我国实际线路的路基、道床及轨道结构与国外情况不同,不能直接沿用国外的试验数据和模型参数。
因此, 应用系统识别理论, 通过试验, 确定我国线路系统模型中的各项参数, 是一项重要而有意义的课题。
铁道部科学研究院的轨道动力学试验室, 环行试验铁道及专用试验车为开展此课题研究提供了极好的条件。
近20 年来, 世界各国针对各类专题编制了近300个车辆及轨道动力学计算程序。
我国也曾组织开发过一套机车车辆动力学分析软件包, 最近又引进了NUCARS 、MEDNA等。
通用软件, 今后的任务应该是, 一方面对国的软件在验证的基础上进行规化、实用化、商品化改造, 使之成为功能强、便于工程使用的通用软件; 另一方面对引进的软件, 在消化吸的基础上, 在中国铁路条件下确认它们的实用围。
随着高速铁路的发展, 主动控制技术、磁轨制动技术等新技术的应用不可避免。
那时,机车车辆系统将不再是单一能量畴, 而是机械、电、液压、热以至磁和流体等多种能量藕合系统。
系统的性能也会受多种基本物理过程的影响。
有效应用于系统动力学研究的键合图方法(Method of Bond Graph) 提供了一种统一处理多种能量畴的工程系统的动态分析方法。
它把多种物理参量统一地归纳成四种状态变量势、流、变位和动量变量, 同时采用了n 种“元件”表征基本物理性能和描述功率变换及守恒的基本连接方式。
然后可以根据系统中功率流方向, 按照规定的步骤制定系统键合图模型, 并列出由状态变量所描述的系统的状态方程。
有了图形和数学描述的统一格式, 只要制定一个完全增广定向的键合图模型输入计算机, 利用计算机技术的功能, 即能得出仿真结果。
与用微分方程、差分方程描述系统的数学模型不同, 键合图方法是以状态方程为数学模型的状态空间法进行系统分析。
它是在研究对象日趋复杂, 计算技术日益提高的背景下产生发展的。
它不仅适用于线性系统和定参数系统, 而且适用于非线性系统和时变参量系统, 特别对于多输入多输出和随机输入的情况更有其优越性。
车辆动力学的模拟分析技术至今不能代替运行去评定车辆的性能, 其重要原因之一是我们对某些基本物理现象的机理认识浅陋, 如轮轨粘着、磨耗、脱轨机理是在静态或准静态模型上得出的理论；碰撞、冲击作用也都简化为静力载荷等等, 另一方面, 这些静态理论得出的近似公式已成为各国制定设计规和评定标准的依据。
因此要解决分析与试验的差异, 使规和标准不致制约铁路技术的发展, 车辆动力学的另一个任务应该在动态轮轨粘着机理、动态脱轨机理、冲击载荷对结构的动态效应及机制等课题上有所进展。
研究的目的在于应用。
并非理论模型越复杂结果越精确, 相反, 应针对研究对象和研究目的, 采用尽量简单合理的模型及解法, 重要的是预测的性能必须与试验和观察现象的一致性。
因此,试验技术无论是对分析结果的验证, 或者是直接用以评价车辆动力学性能都是不可缺少的条件。
所以我们不能忽视试验技术以及对试验数据的分析技术的发展与提高, 要研究测试方法、提高测量精度, 并且从测量数据中获取更多的信息。
主动悬挂与控制技术固然能有效地改善车辆动力学性能, 但它毕竟技术复杂, 增加车辆的故障率而且耗费能源。
借鉴国外常常出现简化或创新机构的新思路的情况, 说明创造发明新型车辆走行部结构的道路并未穷尽。
因此, 在我国新型机车车辆的设计研制中, 结合我国的条件, 创造性地开展新结构研究, 也是车辆动力学工作者的任务。