英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
干湿环境下转速对轮轨横向附着力的影响
摘 要
滚动式双盘试验台是一种适用于测量干湿情况下轮轨横向附着力的试验台，其结果显示在湿润环境下横向附着力降低。这种情况在低速大接触角的条件下尤为明显，下降率高达50%。相反，在高速情况下湿润环境对轮轨横向附着力的影响微不足道。本文主要研究干湿情况下轮轨间速度对轮轨横向附着力的影响，发现在干燥情况下，横向附着力随转速下降而减少，然而在湿润情况下，测量结果呈反向趋势。根据之前的模型和实验数据，建立本次实验的轮轨接触模型。此模型中，摩擦蠕变的模拟曲线随转速提升而下降。相较于之前的数学模型，该理论模型在不同的转速下与实际横向粘附率的相关性更高。
关键词：横向附着率；转速；干燥情况；湿润情况；摩擦蠕变曲线
第1章 绪论
目前，由于轮轨间横向附着力不足以保持车辆从弯道进入直线段的惯性，越来越多的脱轨事故出现在轨道曲线段。因此，调查轮轨在弯道上的接触机理成为必然。轮轨的横向附着力不仅影响轨道车辆的稳定性和安全性，还对钢轨波磨有影响。在铁路行业中，碎土、铁锈、树叶和水等称为第三方物体的，均有可能出现在轮轨接触点上。不同于理想状态下测量的摩擦，轮轨间的测量量通常称为粘附率。通常情况下轮轨间的粘附率十分稳定，但在湿润情况下有时下降。粘附率在混合了碎土或铁锈的湿润环境下明显大量下降，严重影响车辆操作【1】。实验环境下测量发现，黏附系数在干燥情况下为0.45左右，湿润情况下为0.2左右【2】。其他测量发现轮轨间边界摩擦系数在湿润情况下为0.2-0.45左右【3】。根据资料【2】显示，这些测量量都高于0.2，所以不属于低摩擦现象。现场测试得出纵向粘附率随转速下降而下降【4】。在双盘试验台上完成的实验室实验也显示纵向粘附率随转速下降而下降【5】。在湿润环境下，有人发现轮轨间粘附率随转速提升而下降【5】。后来，在另外一台双盘试验台上进行的类似实验支持了纵向粘附率随转速下降而下降的结论【6】。有人用转动钢球和转动钢盘进行干湿环境下转速对粘附率影响的实验【7】，发现不论干湿情况，纵向粘附率随转速下降而下降。然而，在干湿情况下，横向粘附率与转速的关系仍未被研究。
针对曲线情况下接触力学的研究相对集中，因为这跟曲线尖叫磨损，钢轨波磨有关。相关理论发展了数十年去描述滚动接触的受力和蠕变情况。早期，Kalker系统描述 了滚动接触中的接触力【8】。Johnson【9】和Kalker【10,11】从三维的角度完善了接触理论。除了以上的 模型，Polach根据Kalker的理论，建立非线性蠕滑力模型，能够进行不同情况下轮轨接触的纵向仿真【12】。最近，根据Polach的模型，人们建立一种含水的低附着力低蠕滑力的模型，用于干湿情况下轮轨附着力的实验【13】。实际上，Kraft认为摩擦系数与速度有关【14】。为了描述转速对粘附率的影响，De Beer et al. 【15】综合了上述的模型和Shen et al. 【16】的模型，提出了一种跟精细的模型。人们广泛认同轮轨间摩擦与蠕变有关这一说法，其中的关系可以通过图一的曲线表示。在斜率为正的弯道区域的滚动接触中，牵引力与蠕变大致呈正比关系，当蠕变达到临界值zeta;c时，牵引力最大。当蠕变超过临界值时，轮轨间的主要动作是纯滑动，随着蠕变增加，摩擦蠕变曲线呈现负斜率。
通过测量纵向粘附率，发现随着接触压力增加，最大牵引系数保持不变【17】。最近有关的研究发现，在表面粗糙度大的轮轨接触上，随着高速运转下轴负载的下降，黏附系数呈现上升趋势。然而，在轮轨间表面粗糙度较小的情况下，黏附系数呈现下降趋势【18】。对于横向的黏附系数的测量和建模，没有考虑粗糙度和正常负载【15】。为了确保两轮间的接触情况与正常运转情况下的滚动接触理论假设，横向粘附率的测量和建模均忽略了粗糙度的影响【19】。最近这个模型也被运用在车轮尖叫成因的研究【20】。这个模型至今还未被仔细研究能否用于描述转速对粘附率的影响。
为了完成上述两个研究，要测量不同转速的干湿横向黏附率。然后，运用通过现有的轮轨接触模型模拟的横向摩擦蠕变曲线与实验数据对比。下面的章节会描述现有的技术。
图1 轮轨接触的摩擦蠕滑曲线（P是正斜率区，N是负斜率区）
第2章 研究方法
本研究应用实验分析法和数据分析法，如下文所示。
2.1 实验方法
本研究通过滚动式双盘试验台试验湿润情况下滚动接触的摩擦特性。滚动式双盘试验台的主要实验零件如图2（a）。上下轮的接触角theta;如图2（b）所示，通过调整能模拟车辆的滚动方向和轨道的正切方向间的误差。
图2（a） 滚动式双盘试验台正视图
图2（b） 接触角及滴水位置模拟图
如图2（b）所示，水从下轮左侧上方滴落，在实验过程中，每秒两滴滴落，流量大致为0.1ml/s，喷嘴安装在两轮间接触点后，能有效保持轮面湿润。如果喷嘴放在接触点前，实验会收到液体的流体力学因素干扰，影响实验。为了保证实验是在湿润情况下进行，喷嘴应当安装在接触点后。实验盘上按照全桥方式安装应变片，有四片应变片，其中两片安装在弹簧片弯曲处的顶部，另外两片装在另一侧。这种布置方法能保证最大的弯曲应变输出，无视轴向应变和弹簧片的扭矩，这样能最大程度减少测量的噪声和补偿传感器热效应的影响。同时利用有限元法为接触力的测量提供可行性【21】。从有限元分析的结果看，垂向力W使外侧弹簧片和内侧弹簧片变形，作用在上轮的边缘的横向力Q增大外侧弹簧片的变形，同时减少内侧弹簧片的变形，垂向力W和横向力Q都能通过电桥的S1, S2, S3和S4应变片测出，如图2（b）所示。车轮的直径和其他相关的数据均列在表1，而其他数据的测量方法均在参考文献【22】中有介绍。在实验过程中，实验台接触角如表1所示。通过测量不同接触角的数据，可以绘制摩擦蠕变曲线。同时分别测量在低速（200RPM）、中速（400RPM）和高速（600RPM）情况下，不同接触角的接触力。通过测量不同转速下的横向力和通常载荷，可以得出粘附率。首先测量三次干燥情况下不同转速的横向粘附率，然后开始滴水到下轮，测量三次湿润情况下不同转速的横向粘率。
由于实验持续时间不长，温湿度变化不大，温湿度的影响在本次研究中可以忽略不计，不用控制环境温度和湿度，所以实验的温湿度均采用室温和室内湿度。本次实验同样不考虑粗糙度的影响，实际上，由于两轮间持续的滑动，两轮的接触点十分光滑，且其速度等于转速与接触角的乘积。当转速为600RPM时，横向滑动速度高达0.3m/s，从两轮的横向滑动可以看出接触点十分光滑。因此，在此前的研究中，粗糙度的影响可以不予以考虑【15,19】。
表1 摩擦式双盘试验台参数
|
参数 |
数值 |
|
下轮纵向和切向曲率半径（，） |
0.213 m，0.300 m |
|
下轮厚度（外圈，内圈） |
0.026 m，0.015 m |
|
密度（rho;） |
7800 kg/msup3; |
|
下轮内径（） |
0.0325 m |
|
上下轮杨氏模量（E） |
175 GPa |
|
上轮纵向和切向曲率半径（，） |
0.085 m，0.040 m |
|
上轮厚度 |
0.080 |
|
接触速度范围 |
0-17.84 m/s |
|
下轮转速 |
200、400和800 RPM |
|
上下轮接触角 |
0、2、4、8、12、16和20 mrad |
|
泊松比（upsilon;） |
0.28 |
|
蠕滑系数（） |
3.14 |
|
正常载荷（W） |
1000 N |
|
模态质量（m） |
3.1 kg |
|
模态阻尼（c） |
42 Ns/m |
|
模态刚度（k） |
1.6E8 N/m |
|
温度 |
室温 |
|
湿度 |
室内湿度 |
2.2理论方法
本研究基于Johnson和Kalker的模型，加入接触角、转速和接触情况，建立横向接触力学的模型。基于滚动接触下横向粘附率的蠕变mu;(zeta;)被定义为正常载荷下横向力的比值，可以表示为，
（1）
（2）
式中横向蠕变zeta;等于轮轨的横向相对速度除以转速【23】，
（3）
横向相对速度等于横向爬行速度与振动速度之和【24】，
（4）
式中为车轮振动速度；横向速度与接触角theta;和转速有关，由于接触角theta;基本小于3°，所以横向爬行速度可以表示为【25】，
（5）
在式（1）中，是Kraft提出的实际摩擦特性【14】，
（6）
根据式（3），上面的公式可以表示为，
（7）
在式（1）中，是Vermeulen和Johnson【26】提出的，Kalker完善的正态蠕变【8】，表示为，
（8）
式中),其中车轮的弹性模量E为175Gpa，泊松比为0.28；是Kalker列出的常数【10】，本次实验取3.14；W是正常载荷；a和b是由Hertz的通常接触理论决定的椭圆接触片尺寸【9】；是非滚动接触的静止摩擦系数，可以表示为，
（9）
式中，是车轮和轨道的材料剪切系数。
如果上下轮有滚动方向的曲率半径和，横截方向的曲率半径和，则滚动方向的半轴椭圆接触面积a为，
（10）
横截方向的半轴椭圆接触面积b为，
（11）
式中和为有效半径，分别为，
（12）
（13）
式中和分别为下轮和上轮的纵向半径，和分别为下轮和上轮的横向半径，参数c为
（14）
当上下轮的材料相同时，为
（15）
同时，
（16）
式中E(e)和K(e)是自然常数e的完全椭圆积分，可以表示为，
（17）
从公式（6）可以得出，在相同的转速和接触条件下，滚动接触的横向粘附率由横向蠕变决定。综合公式（2）—（4），可以得出横向蠕变与横向振动有关，表示为，
可以视为横向蠕变的瞬态表达式，同时是与接触角有关的准静态值表达式。
第3章 结果
本部分将展示通过前文提及的模型得到的模拟结果和实验的结果。
通过前文提及的模型，可以得到的在200RPM，400RPM和600RPM转速下的摩擦蠕变曲线，如图3所示。
图3 干燥环境下不同转速的摩擦蠕滑模拟曲线
图中的横向蠕变是横向滑动速度和转速的比值；平均横向蠕变由轮轨间偏角决定，其偏角等于上下轮间的接触
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[237454]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
