轮轨接触力学
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。
轮轨接触实验研究背景和意义
轮轨接触实验研究背景和意义轮轨接触实验是一种重要的实验方法，它可以研究轮轨接触的力学特性，进而优化轨道设计和列车运行。
在铁路运输领域，轮轨接触是列车行驶中的重要因素，直接关系到列车行驶的平稳性、安全性和舒适性。
因此，研究轮轨接触的力学特性对于提高铁路系统的运行效率和安全性具有重要意义。
轮轨接触实验旨在通过测量轮轨接触点的力学特性来研究轮轨接触的力学行为。
该实验通常使用测力计和应变仪等工具来记录轮轨接触点的力学特性，进而得出轮轨接触的摩擦系数、接触面压力分布等数据。
通过研究这些数据，可以深入了解轮轨接触点的力学行为，进而优化轨道设计和列车运行。
同时，轮轨接触实验也可以验证轮轨接触理论模型的准确性，增加对铁路系统运行的掌控。
轮轨接触实验的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 优化轨道设计轮轨接触实验可以得出轮轨接触的摩擦系数和接触面压力分布等数据，这些数据对于优化轨道设计具有重要意义。
例如，通过研究接触面压力分布，可以确定轨道的几何形状和轨道横向力的作用方向，从而避免铁路车辆的偏移和侧滑。
此外，轮轨接触实验还可以研究轮轨接触点的耗能特性和减震效果，进而改善铁路车辆的稳定性和乘客的舒适性。
2. 提高列车运行速度通过研究轮轨接触的力学特性，可以优化轨道设计和列车运行，提高列车运行速度。
例如，通过研究摩擦系数和接触面压力分布等数据，可以设计出更加合理的轮轨匹配，降低列车的运行阻力和能耗。
同时，轮轨接触实验还可以研究列车的动力学特性和阻尼效果，进一步减少列车的能耗和环境污染。
3. 提高铁路安全性轮轨接触实验可以研究轮轨接触点的力学行为，进而评估轮轨接触的稳定性和安全性。
通过评估轮轨接触的稳定性和安全性，可以发现轨道安全隐患并及时排除，提高铁路系统的运行安全性。
此外，轮轨接触实验还可以研究列车运行中的动态稳定性和侧翻稳定性等因素，进一步提高铁路运输的安全性。
总之，轮轨接触实验是一种重要的实验方法，它可以研究轮轨接触的力学特性，优化轨道设计和列车运行，并提高铁路运输的安全性和环保性。
轮轨接触力学PPT精选文档
21
不同滚动半径导致纵向蠕滑
FS
滑动
FJ
实际最终状态
滑动
FJ
理想状态
v
FS
y
初始状态
两轮发生反向蠕动
22
4.2 纵向蠕滑与速度、驱动/制动载荷关系
Δv =v-ωR : the relative speed of body 1 with respect to body 2 at o ξ= Δv/v
轮轨接触力学
温泽峰，赵鑫 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室
1
内容
一 轮轨接触动力力学的研究内容与对象 二 轮轨接触几何关系和滚动接触蠕滑率 三 Hertz接触理论（法向解开创工作） 四 Carter二维滚动接触理论（切向解开创工作） 五 Vermeulen-Johnson无自旋三维滚动接触理论 六 Kalker线性蠕滑理论 七 Kalker简化理论 八 沈氏理论 九 Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论 十 轮轨黏着问题研究简介
轮轨接触是工业中使用的典型滚动接触副之一； 齿轮、轴承、汽车等相关文献亦可用。
3
2、轮轨接触——低阻力
1) Why and how？
◦ 2001年6月澳大利亚重载世 界记录，列车长7353m，总 重99734t，682车辆，8台 机车。
◦ 坚硬的钢—钢接触。
2) 滚动Vs滑动摩擦
◦ 滚动摩擦系数<10-4。 ◦ 滑动摩擦系数0.3-0.6。
28
b) 横向蠕化率
sin r(sin) r
c o s y& v
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。
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。
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。
高速列车轮轨接触力研究
高速列车轮轨接触力研究在现代交通运输领域，高速列车技术一直是备受关注的研究领域。
而在高速列车技术中，轮轨接触力的研究是一个至关重要的方面。
轮轨接触力的研究涉及列车运行的稳定性、行驶速度的提升以及轨道设备的使用寿命等诸多方面。
本文将以高速列车轮轨接触力的研究为主题，探讨该领域的一些关键问题和研究成果。
在高速列车行驶过程中，轮轨接触力是指列车轮轨之间发生的力的交互作用。
它既受到列车自身重力的影响，也受到列车加速度、速度等因素的影响。
研究轮轨接触力首先需要了解这种力的产生机制。
传统的轮轨接触力研究主要基于力矩平衡原理，即轮胎力矩平衡方程。
该方程考虑了轮轨垂向力、侧向力和纵向力之间的平衡关系，通过求解该方程可以获得轮轨接触力的大小和方向。
然而，由于高速列车运行过程中各种因素的复杂性，传统的轮轨接触力研究方法已经不能满足实际需求，因此需要进一步深入研究。
近年来，随着各类高速列车的研发和投入使用，轮轨接触力的研究逐渐得到了加强。
研究者们通过建立更精确的数学模型，结合实际的运行数据，对列车轮轨接触力进行了深入的分析。
据研究者的观察和实验结果表明，轮轨接触力的大小和方向与列车运行速度、轮胎和轨道的材料特性有关。
其中，轮胎的摩擦系数和轮胎与轨道之间的摩擦特性是影响轮轨接触力的重要因素。
目前，研究者们主要通过仿真计算和实验方法来研究高速列车轮轨接触力。
其中，仿真计算方法主要基于有限元分析和多体动力学模拟等技术，可以模拟列车在不同运行状态下的轮轨接触力变化规律。
而实验方法则通过实际的列车试验和采集数据，对轮轨接触力进行测量和分析。
这两种方法各具优势，在综合应用中可以更准确地研究轮轨接触力的特性和变化规律。
除了轮轨接触力的研究方法，高速列车轮轨接触力的研究还需要关注其对列车行驶安全和轨道设备寿命的影响。
轮轨接触力过大或不稳定会导致列车不稳定、脱轨等安全问题，而过大的接触力也会加速轨道的磨损和疲劳，缩短轨道使用寿命。
因此，研究者们还需要探索轮轨接触力与列车运行速度、加速度等因素之间的关系，以及在不同轨道条件下接触力的变化规律。
高速列车轮轨接触力与动力学特性研究
高速列车轮轨接触力与动力学特性研究随着科技的不断进步，高速列车成为现代交通领域的重要组成部分。
而高速列车的运行状态必须符合严格的安全要求，其中轮轨接触力与动力学特性是一个十分关键的研究领域。
本文将对高速列车轮轨接触力与动力学特性进行深入研究。
一、引言高速列车的发展给人们的出行方式带来了革命性的变化，然而高速列车的安全性与运行效率也成为了人们关注的焦点。
在高速列车的运行中，轮轨接触力与动力学特性是影响列车稳定性和安全性的重要因素。
二、轮轨接触力的影响因素与特性1. 轮轨接触力的定义与分类轮轨接触力是指列车车轮与轨道之间的力，可根据作用方向和性质的不同进行分类。
其中横向接触力、纵向接触力和垂向接触力是轮轨接触力的主要分类。
2. 轮轨接触力的影响因素轮轨接触力的大小与列车的速度、曲线半径、轮轨几何参数以及轮轨材料等因素密切相关。
在研究中，需要综合考虑这些因素对接触力的影响。
3. 接触力示意图为了更好地理解轮轨接触力的性质与变化规律，我们可以通过接触力示意图来进行分析。
示意图可以清晰地展示出接触力在不同条件下的变化趋势。
三、轮轨接触力的测量与分析1. 测量方法轮轨接触力的测量可以借助现代技术手段，如力传感器、压力传感器等，对接触力进行实时监测。
此外，也可以通过模拟实验等方法进行接触力的测量。
2. 分析方法对于轮轨接触力的分析，可以采用数学模型和计算机模拟等方法。
数学模型可以简化实际情况，帮助研究者更好地理解与分析接触力的特性。
四、高速列车的动力学特性研究1. 动力学特性的定义与分类高速列车的动力学特性是指列车在运行过程中所表现出的力学性质。
根据不同的标准和需求，可以将动力学特性进行分类。
2. 高速列车的动力学分析方法高速列车的动力学分析可以从力的角度和能量的角度进行。
力的角度主要考虑列车所受的作用力，而能量的角度则关注列车的动能与势能等。
五、轮轨接触力与动力学特性的关系轮轨接触力与列车的动力学特性密切相关。
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。
第14周 轮轨接触几何关系与力学原理
当轮对中心离开对中位置向右移动横移量yw，那 么左右车轮的实际滚动圆半径分别为：
rL=r0- l yw rR=r0+ l yw
rR rL 2 yw rR rL e 2 yw
W
l -
Nr + r
Nl
W Fl tg ( l ) 2 W Fr tg ( r ) 2
车轮踏面锥度 车轮踏面等效锥度（斜度） 重力刚度 重力角刚度
Traction motor 牵引马达
Gearbox 齿轮箱
265 kW (360 Hk) max 5000 rpm
Coupling连挂
轨底坡
轨底坡
e
锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为0.l的直线段，在直线 段范围内车轮踏面斜度为常数。
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
K g Wb const
重力角刚度
有使轮对继续偏离原来角位置的作用
合理的轮轨踏面外型不仅可以减缓磨耗， 延长使用寿命，而且有利于车辆曲线通过， 降低轮轨动力作用； 只要轮轨外型参数确定，利用轮轨接触几 何关系，可以确定轮对在不同横移量时车 轮踏面等效斜度、等效重力刚度和等效重 力角刚度等参数；
轮对踏面主轮廓线和轨头外形离散成有限个点
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
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。
轮轨接触力学
n1
x1 x p p 2P 2 , p1 1 , p2 2 , z0 , x2 , a b fz0 fz0 ab
a 1 a 2 , n2 , fz 0 L1 fz 0 L2
ab3 a 23 ia 1 , , w 2 i fz0 L'2 fz0 L'2 fz0v0 Li
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
L'2
a a b
4C 23 G
稳态情况下的一般性滑动方程
u uw uR diag Li p
1
u1 1 x 2 v x1 u 2 2 x1 v x1
2
p1 x2 L1v L1 L1 x1 1 2 3 p2 x1 L2v L2 L2 x1
高速列车轮轨力研究及其对轨道磨损的影响
高速列车轮轨力研究及其对轨道磨损的影响1. 引言高速列车作为现代交通工具的重要组成部分，不仅为人们提供了高效快捷的交通方式，也对轨道设施的稳定性和安全性提出了更高的要求。
其中，轮轨力是影响高速列车轨道系统性能的重要因素之一，同时也对轨道磨损产生了直接的影响。
本文将重点研究高速列车轮轨力及其对轨道磨损的影响，旨在提供相应的理论参考和技术支持。
2. 高速列车轮轨力的基本理论2.1 轮轨接触力高速列车行驶过程中，轮轨接触力是通过轮轨之间的作用力传递的，在车轮与轨道之间形成合适的接触压力分布，影响着列车的运行性能。
接触力主要包括垂向力、侧向力和纵向力三个方向的力。
2.2 车辆动力学效应车辆动力学效应是指高速列车在曲线、坡道等特殊区段上的运行特性。
由于车辆的质量和速度变化，车轮在曲线段上会产生向心力，而在上坡坡度较大的区段上会产生额外的纵向力。
这些力的变化会导致轮轨之间的作用力变化，进而影响轨道的磨损情况。
3. 轮轨力的测试与分析3.1 轮轨力测试装置为了研究高速列车轮轨力及其对轨道磨损的影响，需要使用相应的轮轨力测试装置进行力学参数的测量。
该测试装置包括传感器、数据采集系统和分析软件等组成部分，可以实时监测和记录轮轨力参数。
3.2 轮轨力分析方法基于轮轨力的测试数据，可以采用不同的分析方法对其进行处理和分析，例如统计分析、频谱分析、时频分析等，以揭示轮轨力的特征和规律。
同时，还可以通过建立相应的模型，对轮轨力的产生机理进行深入研究。
4. 轮轨力对轨道磨损的影响4.1 轨道磨耗机理轨道磨损是指高速列车轮轨接触过程中轨道表面的磨损与磨耗现象。
磨损主要包括磨耗、疲劳裂纹和塑性变形等几种不同的模式。
轮轨力作用下，会引起轨道表面的材料变形和摩擦磨损，进而导致轨道的磨耗。
4.2 轮轨力对轨道磨损的影响机理轮轨力对轨道磨损的影响包括摩擦磨损、表面劈裂和表面塑性变形等几个方面。
在高速列车行驶过程中，轮轨接触点的滑动摩擦会导致轨道表面的磨损和材料流失；轮轨力的变化还会引起轨道表面的劈裂和裂纹扩展，增加轨道的疲劳破坏风险；轮轨力的作用还会引发轨道材料的塑性变形，使轨道表面产生凹凸不平的磨损。
高铁列车轮轨接触动力学研究
高铁列车轮轨接触动力学研究《》摘要：本文主要针对高铁列车轮轨接触动力学进行深入研究，通过对高铁列车行驶过程中轮轨接触的力学特性进行分析，探讨了影响轮轨接触力的因素及其对列车运行的影响，结合实际案例，提出了改善轮轨接触力的建议，为高铁列车的安全运行提供理论支持和技术参考。
关键词：高铁列车；轮轨接触动力学；力学特性；影响因素；安全运行一、引言高铁列车是当前现代化铁路交通的主要交通工具之一，具有运行速度快、运力大、安全性高等优点。
而高铁列车运行过程中轮轨接触力的大小和均匀性对列车的安全性和运行效率起着至关重要的作用。
因此，深入研究高铁列车轮轨接触动力学，分析其力学特性和影响因素，对于提高列车的安全性和运行效率至关重要。
二、高铁列车轮轨接触力的特性1.轮轨接触力的定义轮轨接触力是指高铁列车在行驶过程中，由轮轨之间传递的力量，它决定了列车行驶的稳定性和安全性。
2.轮轨接触力的作用轮轨接触力的大小和均匀性直接影响着列车的牵引力、制动力以及转向稳定性等方面，是保证列车正常运行的关键因素。
3.轮轨接触力的计算方法轮轨接触力的计算可以通过数学模型进行仿真分析，包括考虑列车运行速度、轮轨材料、轮轨几何尺寸、轮轨磨损等多种因素。
4.轮轨接触力的测试方法轮轨接触力可以通过实际测试仪器对列车行驶时的轴重、接触面积等参数进行测量，以得出真实的轮轨接触力数据。
三、导致轮轨接触力不均匀的因素1.轮轨磨损不均匀由于轮轨之间的磨擦作用以及列车行驶过程中的振动等原因，轮轨表面会出现磨损不均匀的情况，导致轮轨接触力的不均匀性。
2.轨道几何尺寸不合理轨道的几何尺寸如果设计不合理或者维护不到位，会导致列车在行驶过程中轮轨接触力的不均匀分布。
3.列车运行速度过快当列车运行速度过快时，轮轨接触力会受到惯性力和离心力的影响，导致轮轨接触力的不均匀性增加。
四、改善轮轨接触力的建议1.做好轨道的维护工作定期检查轨道的几何尺寸和表面状态，及时修复损坏部位，保证轨道的平整度和垂直度，提高列车行驶的稳定性和平顺性。
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轮轨接触力学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,在内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内部变形决定的,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,在内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内部变形决定的,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, 和国内外的经验, 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内最大剪应力将增大。
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范围有待进一步验证。
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, 一方面对国内的软件在验证的基础上进行规范化、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范围。
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范畴, 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范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范和评定标准的依据。
因此要解决分析与试验的差异, 使规范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。