轮轨接触关系仿真计算

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

姓名：温朋哲

学号：12

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

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。

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

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）。

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+，其他保持不变，点击OK。

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。

创建轮对

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。

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。

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。

创建轮轨接触

设置初始轨道

设置车辆总体参数

车辆总体参数设置如图所示。

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

轮轨接触点位置变化如图4-1（phi=0 deg，psi=0 deg）、图4-2（phi= deg，psi=0 deg）所示

图4-1（phi=0deg，psi=0deg）

图4-2（phi=2deg，psi=0deg）

滚动圆半径变化如图4-4（phi=0 deg，psi=0 deg）、图4-5（phi= 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.