基于蠕滑机理的车轮磨耗模型分析.pdf

第31卷,第5期?中国铁道科学Vol?31No?5?2 0 1 0 年 9 月?CHINA RAILWAY SCIENCESeptember,2010?文章编号:1001?4632(2010)05?0066?07基于蠕滑机理的车轮磨耗模型分析丁军君,李?芾,黄运华(西南交通大学 机车车辆工程系,四川 成都?610031)?摘?要:以 C80型货车为例建立车辆动力学模型,利用 FASTSIM 算法计算出接触斑内蠕滑力的大小和分布,依据 Pearce,Zobory,Jendel 和 Braghin 4 种磨耗模型计算轴重、速度、曲线半径和车轮硬度对车轮踏面磨耗的影响程度。结果表明:轴重从 21 t 提高到 25 t 时,由 Pearce 模型计算出的踏面磨耗率是 Zobory 模型的5?05 4?22倍、Jendel 模型的 3?77 1?86 倍、Braghin模型的 15?29 12?35 倍;运行速度从 60 km?h-1提高到120 km?h-1时,由 Pearce 模型计算出的踏面磨耗率是 Zobory 模型的 5?13 4?5 倍、Jendel 模型的 3?46 1?4倍、Braghin 模型的 12?48 16?96 倍;曲线半径从 5 000 m 减小到 300 m 时,由 Pearce 模型计算出的磨耗率是Zobory 模型的 6?06 4?2 倍、Jendel模型的 1?82 0?91 倍、Braghin 模型的 23?97 13?0 倍;直线上车轮磨耗主要发生在踏面接触区,焊接构架式转向架的最大磨耗深度是三大件式的 6?4 倍、径向式的 14 倍;曲线上车轮磨耗主要发生在轮缘接触区,焊接构架式转向架最大磨耗深度是三大件式的 4?4 1?25 倍、径向式的 1 126 47?7倍。与试验结果比较表明,Jendel 模型能够真实反映车轮踏面磨耗的机理。?关键词:车轮磨耗;蠕滑;磨耗模型;轴重;速度、曲线半径;车轮硬度;货车?中图分类号:U260?11;U260?331?文献标识码:A?收稿日期:2009?10?13;修订日期:2010?04?11?基金项目:国家自然科学基金资助项目(50821063);国家科技支撑计划项目(2007BAG05B06);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJT U09ZT07)?作者简介:丁军君(1985),男,贵州贵阳人,博士研究生。?由于使用踏面磨耗预测技术可以在车辆和线路设计中通过优化达到减小车轮踏面磨耗的目的,国内外学者在现代蠕滑理论的基础上发展了各种踏面磨耗预测方法并建立了相关的计算模型,其中比较典型的有 Pearce 模型 1、Zobory 模型 2、Jendel模型 3和 Braghin 模型 4。这些模型都是以试验和经验为基础并在实际中得到较好运用 5?7,国内目前预测车轮踏面磨耗的模型大多数都是基于上述模型 8。为了使这些模型能更好地适应国内的运行环境,本文通过对上述模型进行比较分析,为建立适合我国车轮踏面磨耗的预测模型提供参考。1?磨耗预测模型1?1?Pearce 模型Pearce 于 1991 年通过试验证明了材料磨耗损失与接触区内的能量耗散 T?成正比 1,并总结出车轮踏面材料损失与能量耗散 T?的关系为?m=!?0?25T?/DT?100 N?25/D100 N#T?200 N?(1?19T?-154)/DT?%200 N(1)式中:m 为车轮单位滚动距离内车轮圆周方向的材料损失面积,mm2?km-1;T 为接触斑内总的蠕滑力,N;?为蠕滑率;D 为车轮直径,mm;!,为磨耗区序号。1?2?Zobory 模型Zobory 在 1997 年建立了基于接触斑能量耗散理论的车轮磨耗模型 2,该模型将接触斑分为滑动区 As和黏着区 Aa,并认为磨耗仅仅发生在滑动区内,如图 1 所示。该模型将接触斑内单元格(i,j)处的磨耗能量流密度描述为?Ed(i,j)=?x(i,j)vx(i,j)+?y(i,j)vy(i,j)(i,j)&As(t)0(i,j)As(t)(2)式中:?Ed为磨耗能量流密度,N?m?s-1?m-2;?x和?y分别为该单元格的纵向和横向剪切应力,N?m-2;vx和 vy分别为纵向和横向滑动速度,m?s-1;i=1,2,nx;j=1,2,ny;nx和ny分别为接触斑纵向和横向单元格份数。图 1?接触斑内黏滑区的分布?则磨耗质量流密度为?md(i,j)=kZ(i,j)?Ed(i,j)(3)式中:?md为单位面积内质量磨耗损失速度,kg?s-1?m-2;kZ为磨耗系数,kg?(N?m)-1。磨耗系数 kZ值的大小与磨耗能量流密度有关,如图 2 所示。图 2?Zobory 磨耗系数与磨耗能量流密度关系1?3?Jendel 模型在 Archard 滚动接触磨耗理论 9的基础上,Jendel 于 2002 年建立了车轮踏面磨耗模型 3。同Zobory 模型一样,Jendel 模型假定黏着区内无磨耗存在,将滑动区内单元格(i,j)处的材料磨耗损失体积描述为?Vw(i,j)=?kJ(i,j)Ss(i,j)N(i,j)H(i,j)&As(t)0(i,j)As(t)(4)式中:Vw为磨耗体积,m3;Ss为滑动距离,m;N 为法向压力,N;H 为材料硬度,N?m-2;kJ为磨耗系数。Jendel 模型中的磨耗系数 kJ与滑动速度和接触应力有关,如图 3所示。图 3?磨耗系数与接触应力、滑动速度的关系1?4?Braghin 模型Braghin 于 2006年在 1(1 试验的基础上提出了快速计算踏面磨耗深度的模型 4。该模型将接触斑内单元格(i,j)处的磨耗深度描述为?h(i,j)=kB(i,j)vv t(i,j)!(5)式中:h 为磨耗深度,mm;vv为车辆运行速度,m?s-1;t 为车轮通过该单元格的时间,s;!为材料密度,kg?m-3;kB为磨耗率,g?m-1?mm-2。Braghin 模型中的磨耗率 kB与 Ti,j?i,j/Ai,j的值有关(Aij为单元格面积),见表 1。表 1?Braghin 模型磨耗区分布与磨耗率磨耗区(Ti,j?i,j/Ai,j)/(N?mm-2)kB/(g?m-1?mm-2)!10?45?3Ti,j?i,j/Ai,j10?4#Ti,j?i,j/Ai,j QL(x,y)时,车轮处于滑动区,修正后的切向力 Q)(x,y)为?Q)(x,y)=QL(x,y)Q(x,y)|Q(x,y)|(10)?由式(6)到式(10)可计算出上述 4 种模型中所需的参数,其中包括黏滑区的分布和蠕滑力,如图 5 和图 6所示。由于接触斑内刚性滑动量远大于弹性变形量,因此滑动速度中忽略了 u 产生的影响 3。于是接触斑内滑动速度可写为?vx=vv(?x-#y)vy=vv(?y+#x)(11)图 5?接触斑内黏滑区分布图 6?接触斑内纵向蠕滑力分布3?车轮磨耗计算分析3?1?轴重对车轮踏面磨耗率的影响利用车辆动力学模型和 FAST SIM 算法,按照以上述 4 种模型计算车轮踏面磨耗率,分析轴重对磨耗率的影响,结果如图 7 所示,4 种模型计算出的磨耗率比值见表 2。可见,车轮磨耗率随着轴重的增加而增大,当轴重从 21 t 提高到 30 t 时,Pearce,Zobory,Jendel 和 Braghin 模型计算出的磨耗 率 分别 增 加了 14?7%,37?3%,133%和41?7%;Pearce模型计算出的磨耗率大于其余 3 种图 7?轴重对车轮踏面磨耗率的影响68中?国?铁?道?科?学?第 31 卷模型,Braghin 模型计算出的磨耗率偏小,Jendel模型和 Zobory 模型计算出的结果较为接近;当轴重从 21 t 增大到 25 t 时,Jendel 模型计算出的磨耗率增大 55%,与文献 13 的试验结果较为接近。3?2?运行速度对车轮踏面磨耗率的影响速度对磨耗率的影响如图 8 所示,不同速度条件下 4 种模型计算出的磨耗率比值见表 3。可见:当运行速度从 60 km?h-1提高到 120 km?h-1时,由 Pearce,Zobory,Jendel 和 Braghin 模型计算出的磨耗率分别增大了 2?7,2?9,6?6 和 1?98 倍;在速度较低时 Jendel 模型与 Zobory 模型计算出的结果 相差 不大;当速 度较 高时 Jendel 模 型 与Pearce 模型的计算结果较为接近;与其他模型相比Braghin 模型的计算结果偏差较大。表 2?不同轴重下 4 种模型计算出的磨耗率比值轴重/t磨耗率比值Pearce/ZoboryPearce/JendelPearce/Braghin215?053?7715?29234?873?1814?54254?652?5713?79274?452?3113?10304?221?8612?35图 8?运行速度对车轮踏面磨耗率的影响表 3?不同速度下 4 种模型计算出的磨耗率比值运行速度/(km?h-1)磨耗率比值Pearce/ZoboryPearce/Jendel Pearce/Braghin605?133?4612?48804?602?9213?671004?541?6715?221204?501?4016?963?3?曲线半径对车轮踏面磨耗率的影响曲线半径对磨耗率的影响如图 9 所示,不同曲线半径下 4 种模型计算出的磨耗率比值见表 4。可见,曲线半径越小,磨耗率越大,当曲线半径从5 000 m 减小到 300 m 时,Pearce,Zobory,Jen?del 和Braghin 模型计算出的磨耗率分别增大了 34,23?7,68?5 和 18?6 倍。因此增大曲线半径是减小磨耗的主要措施。在曲线上,Pearce 模型与 Jendel模型计算出的磨耗率比较接近,且大于 Zobory 模型计算出的结果,Braghin 模型的计算结果则出现较大偏差。图 9?曲线半径对磨耗率的影响表 4?不同曲线半径下 4 种模型计算出的磨耗率比值曲线半径/m磨耗率比值Pearce/ZoboryPearce/JendelPearce/Braghin?3006?060?9123?97?6004?490?5717?41?9004?530?8718?151 8004?041?1014?403 0004?151?5013?405 0004?201?8213?003?4?车轮材料硬度对踏面磨耗率的影响在上述 4 种模型中,只有 Jendel 模型考虑了材料硬度对磨耗的影响,其余模型均未作考虑。由Jendel 模型计算出的 2 种轴重下车轮硬度对磨耗率的影响如图 10 所示。图 10?Jendel 模型中硬度对磨耗率的影响?可见,磨耗率随着车轮硬度的增大而减小,当车轮硬度为 243 HB 时,磨耗率随硬度的变化较大,30 t 轴重下的磨耗率为 25 t 轴重的 1?53 倍;69第 5 期?基于蠕滑机理的车轮磨耗模型分析当车轮硬度达到 362 HB 时,磨耗率变化缓慢,30t 轴重下的磨耗率为 25 t 轴重的 1?27 倍。因此,在发展大轴重货车时,适当增加车轮硬度有利于减小磨耗。由 Jendel 模型计算出的结果与文献 14和文献 15 的试验结果较为接近,说明 Jendel模型能够真实反映车轮踏面磨耗的机理。4?Jendel 模型在车轮踏面磨耗模拟分析中的运用?Jendel 模型能有效计算各种工况下车轮磨耗率的大小,特别是能够真实反映材料硬度对磨耗的影响。在 SIMPACK 软件中建立的车辆动力学模型(如图 4 所示),分别采用三大件式、构架式和副构架式自导向径向转向架,以 Jendel 模型计算磨耗深度在轴 1 车轮踏面上的分布,结果如图 11、图12 和图 13所示。图 11?直线上车轮踏面磨耗深度分布图 12?曲线上(R=600 m)车轮踏面磨耗深度分布?可见:直线上运行时车轮磨耗主要发生在踏面接触区(-30 20 mm),焊接构架式转向架的最大磨耗深度是三大件式的 6?4 倍、径向式的 14 倍;在曲线上运行时,磨耗主要发生在轮缘接触区(-40 0 mm),半径为 1 800 m 时,焊接构架式转向架的最大磨耗深度是三大件式的 4?4 倍、径向式的1 126倍;半径为 600 m 时,焊接构架式转向架的最大磨耗深度是三大件式的 1?25 倍、径向式的 47?7 倍。构架式转向架由于一系悬挂采用了单侧利诺尔减振器,导致轮对的一侧被刚性约束在导框中,纵向定位刚度较大,因此在直线和曲线上模拟计算得出的磨耗深度均大于三大件式和径向式转向架,而径向式转向架在直线和曲线上均能有效的减小车轮磨耗。图 13?曲线上(R=1 800 m)车轮踏面磨耗深度分布5?结?语(1)利用 FAST SIM 算法得到接触斑内蠕滑力的大小和分布,依据 Pearce,Zobory,Jendel 和Braghin 4种模型计算了轴重、速度、曲线半径和车轮硬度对车轮踏面磨耗的影响程度。分析计算结果可知:当轴重从 21 t 提高到 30 t 时,Pearce,Zobory,Jendel 和 Braghin 模型计算出的车轮踏面磨耗 率 分别 增 加了 14?7%,37?3%,133%和41?7%;当运行速度从 60 km?h-1提高到 120 km?h-1时,Pearce,Zobory,Jendel 和 Braghin 模型计算出的车轮踏面磨耗率分别增大了 2?7,2?9,6?6和 1?98 倍;当曲线半径从 5 000 m 减小到 300m 时,Pearce,Zobory,Jendel 和 Braghin 模型计算出的车轮踏面磨耗率分别增大了 34,23?7,68?5 和 18?6倍。(2)Jendel 模型计算出的结果表明:车轮踏面磨耗率随着车轮硬度的增大而减小,当车轮硬度为243 HB 时,30 t 轴重下的磨耗率为 25 t 轴重的1?53 倍;当车轮硬度达到 362 HB 时,30 t 轴重下的磨耗率为 25 t 轴重的 1?27 倍。因此,发展大轴重货车时,适当增加车轮硬度有利于减小磨耗。(3)Jendel 模型能有效计算各种工况下车轮磨耗率的大小,将 Jendel 模型应用于车轮磨耗的模拟分析,得出:车轮在直线上的磨耗主要发生在踏70中?国?铁?道?科?学?第 31 卷面接触区(-30 20 mm),焊接构架式转向架的最大磨耗深度是三大件式的 6?4 倍、径向式的 14倍;车轮在曲线上的磨耗主要发生在轮缘接触区(-40 0 mm),焊接构架式转向架的最大磨耗深度是三大件式的 4?4 1?25 倍、径向式的 1 12647?7 倍。因此径向转向架在直线和曲线上均能有效的减小车轮磨耗。参考文献?1?PEARCE T G,SHERRATT N D.Prediction of Wheel Profile Wear J.Wear,1991,144:343?351.?2?ZOBORY I.Prediction of Wheel/Rail Profile Wear J.Vehicle System Dynamics,1997,28(2):221?259.?3?JENDEL T.Prediction of Wheel Profile Wear?Comparisons with Field Measurements J.Wear,2002,253:89?99.?4?BRAGHIN F,Lewis R,Dwyer R S.A Mathematical Model to Predict Railway Wheel Profile Evolution Due to WearJ.Wear,2006,261:1253?1264.?5?ENBLOM R,BERG M.Simulation of Railway Wheel Profile Development Due to Wear?Influence of Disc Braking andContact Environment J.Wear,2005,258:1055?1063.?6?MAGEL E,KALOUSEK J,CALDWELL R.A Numerical Simulation of Wheel Wear J.Wear,2005,258:1245?1254.?7?ASADI A,BROWN M.Rail Vehicle Wheel Wear Prediction:A Comparison between Analytical and ExperimentalApproaches J.Vehicle System Dynamics,2008,46(6):541?549.?8?常崇义,王成国,金?鹰.基于三维动态有限元模型的轮轨磨耗数值分析 J.中国铁道科学,2008,29(4):89?95.(CHANG Chongyi,WANG Chengguo,JIN Ying.Numerical Analysis of Wheel/Rail Wear Based on 3D Dynamic Fi?nite Element Model J.China Railway Science,2008,29(4):89?95.in Chinese)?9?ARCHARD J F.Contact and Rubbing of Flat Surface J.Journal of Applied Physics,1953,24(8):918?988.?10?KALKER J J.T hree Dimensional Elastic Bodies in Rolling Contact M.Dordrecht:Kluwer Academic Publisher,1990.?11?KALKER J J.A Fast Algorithm for the Simplified Theory of Rolling Contact J.Vehicle System Dynamics,1982,11(1):1?13.?12?金学松,刘启跃.轮轨摩擦学 M.北京:中国铁道出版社,2004.(JIN Xuesong,LIU Qiyue.Tribology of Wheel and Rail M.Beijing:China Railway Publishing House,2004.inChinese)?13?金雪岩,王夏秋.直线工况轴重对轮轨磨损影响的试验研究 J.西南交通大学学报,2001,36(3):264?267.(JIN Xueyan,WANG Xiaqiu.A Laboratory Study on the Effect of Axle?Load on the Wear of Wheel and Rail on Tan?gent Track J.Journal of Southwest Jiaotong University,2001,36(3):264?267.in Chinese)?14?陈扬枝,杨东亮,马?骥,等.轮轨滚滑磨损试验研究 J.大连铁道学院学报,1995,16(1):47?51.(CHEN Yangzhi,YANG Dongliang,MA Ji,et al.A Test Study of Wheel?Rail Rolling?Slipping Wear J.Journalof Dalian Railway Institute,1995,16(1):47?51.in Chinese)?15?张?斌,张?弘,付秀琴.新材质重载货车车轮性能研究 J.中国铁道科学,2009,30(5):65?70.(ZHANG Bin,ZHANG Hong,FU Xiuqin.Performance Study on the Wheels of New Material for Heavy HaulFreight T rains J.China Rail Science,2009,30(5):65?70.in Chinese)?16?DEARIZON J,VERLINDEN O.Prediction of Wheel Wear in Urban Railway Transport:Comparison of ExistingModels J.Vehicle System Dynamics,2007,45(9):849?874.71第 5 期?基于蠕滑机理的车轮磨耗模型分析Analysis of the Wheel Wear Model Based on the Creep MechanismDING Junjun,LI Fu,HUANG Yunhua(Department of Railway Vehicle Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan?610031,China)Abstract:Vehicle dynamic model of C80wagon was built and the FASTSIM algorithm was used to calcu?late the size and the distribution of the creep force in the contact patch.T he effects of the axle load,thevelocity,the curve radius and the wheel hardness on the wear of the wheel tread were analyzed based onfour wear models:Pearce,Zobory,Jendel and Braghin.T he results indicate that the wear rate of thewheel tread calculated by Pearce model is 5?05 4?22,3?77 1?86,15?29 12?35 times of that by Zobo?ry,Jendel and Braghin model respectively when the axle load is increased from 21 t to 25 t.The wear rateof the wheel tread calculated by Pearce model is 5?13 4?5,3?46 1?4,12?48 16?96 times of that byZobory,Jendel and Braghin model respectively when the running speed is accelerated from 60 to 120 km?h-1.The wear rate of the wheel tread calculated by Pearce model is 6?06 4?2,1?82 0?91,23?97 13?0times of that by Zobory,Jendel and Braghin model respectively when the curve radius is decreased from 5000 to 300 m.When the vehicle running on the straight line,the wheel wear mainly occurs on the wheeltread,and the max wheel wear depth of the welded?frame bogie is 6?4 times of 3?piece bogie)s and 14 timesof the radial bogie)s.On the curve line,the wheel wear mainly occurs on the wheel flange,and the maxwheel wear depth of the welded?frame bogie is 4?4 1?25 times of 3?piece bogie)s and 1 126 47?7 times ofthe radial bogie)s.Compared with the test results,it shows that Jendel model can truly reflect the wearmechanism of the wheel tread.Key words:Wheel wear;Creep;Wear model;Axle load;Velocity;Curve radius;Wheel hardness;Wag?on(责任编辑?杨宁清)(上接第 65 页)16?激光长弦轨道检查仪技术及装置的研制通过激光发射小车和激光接收小车之间建立的 激光基准弦+检测轨道线路的几何形位,实现对轨道线路轨向、高低、水平、轨距、扭曲、轨距变化率与里程等内部几何参数的测量。该检测仪采用激光准直技术和高速二维 CCD 图像传感器进行偏移量的测量,可以直接进行长距离的测量,并能直接检测线路的长波不平顺,且测量速度快、重复性好、达到了国外相关检测设备的同等检测精度。自动对光系统显著提高了工作效率。数据采集单元采用多线程技术,数据动态显示直观、快捷,系统运行速度快,其核心技术 两维激光测量系统+取得国家实用新型专利;数据处理采用了极大值法和灰度值加权平均算法,提高了抗干扰能力。研究成果在京津、石太客专及其他高等级线路的精调与养护维修中发挥了重要的作用,2009 年 11 月通过了铁道部科技司组织的技术评审。17?交叉支撑装置用材质的力学性能、组织特性和金相图谱的研究首次对铁路货车用交叉支撑装置各主要压窝及焊接部位的组织变化规律进行研究。调研交叉支撑装置的生产及运用现状,针对杆体、端头、扣板各厂家供货材质进行力学性能测试和金相分析,确认其力学性能范围,判断其组织特征。研究不同压窝工艺下,杆体材料组织特征的变化情况,得出压窝后的组织形态。研究不同焊接工艺对杆体与端头、杆体与扣板2 种焊接接头组织的影响,得出各区域对应的组织形态。编制的,交叉支撑装置用材质金相图谱 可有效指导交叉支撑装置生产工艺的制定及改进。2009 年 3 月通过了铁道部科技司组织的技术评审。18?京沪高速铁路灰渣 秸秆混凝土材料试验研究针对高速铁路混凝土用原材料资源短缺以及工业固体废弃物 灰渣与农业固体废弃物 秸秆大量堆存的问题,通(下转第 83 页)72中?国?铁?道?科?学?第 31 卷