水介质条件下轮轨粘着特性研究

论文摘要

世界各国积极发展高速重载铁路和城市轨道交通。列车的牵引、加速和制动是靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的,这种轮轨间的相互作用特性称为粘着特性,可以将轮轨粘着力理解为轮轨滚动过程中所产生的滚动摩擦力。对轮轨粘着问题的研究目的是掌握轮轨滚动过程中的受力状态随车轮运动状态的变化规律,得出轮轨粘着力随蠕滑率和运行速度的变化规律,即轮轨粘着-蠕滑特性曲线（简称粘滑特性曲线）,并寻找出最佳粘着点,以便进行粘着控制,充分发挥机车的牵引功率和制动功率。本文主要以Carter二维滚滚接触理论和粗糙面间的稳态部分弹流理论为基础,应用数值方法对水介质条件下轮轨粘着特性进行了研究,研究了滚动速度、轴重对粘着的影响；并在JD-1轮轨模拟试验机上研究了水介质条件下轮轨粘着特性的研究,得到了一定的规律。通过以上数值分析和试验研究,得到了以下结论：1.以Carter二维滚滚接触理论和粗糙面间的部分稳态弹流理论为基础采用Patir和Cheng的平均流量模型建立起水介质条件下二维粘着数值模型,在对数值模型求解过程中,采用多重网格法进行求解。通过输入不同的参数,研究了滚动速度、轴重对粘着的影响。研究发现：相同轴重下,滚动速度越大,粗糙峰接触压力与总压力的比值越小,导致轮轨之间的粘着系数下降；相同速度下,轴重较大,粗糙峰接触压力占总压力的比值也越大,此时粘着系数也较大。2.在JD-1轮轨模拟试验机上进行轮轨在于态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明：在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的粘着系数较干态时的粘着系数将低了50%～60%；在水介质条件下,不论是最大粘着值还是稳定黏着值（机车实际运行黏着区）,受车轮速度影响较大,粘着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对粘着系数的影响较小：粘着系数在达到最大值（饱和值）之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大粘着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。

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Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文主要工作

第2章水介质条件下轮轨粘着数值分析模型

2.1 基于Carter的二维滚动接触理论

2.2 直线轨道上轮轨滚动接触蠕滑率

2.3 轮轨粘着-蠕滑特性

2.4 粗糙面间的稳态弹流问题

2.4.1 粗糙面间弹流的概念

2.4.2 表面粗糙度的表征方法

2.5 粗糙面间弹流问题的基本方程

2.5.1 流体动力润滑方程（Reynolds方程）

2.5.2 膜厚方程（弹性方程）

2.5.3 平均总压力和平均的微凸体接触压力

2.5.4 粘度-压力关系

2.5.5 接触表面平均摩擦力

2.6 水介质条件下轮轨粘着数值模型

2.6.1 轨线接触流体动力润滑方程（Reynolds方程）

2.6.2 水膜厚度方程

2.6.3 粘压方程

2.6.4 载荷方程

2.7 本章小结

第3章水介质条件下轮轨粘着数值计算

3.1 基本方程无量纲处理

3.1.1 Reynolds方程

3.1.2 水膜厚度方程

3.1.3 粘压方程

3.1.4 载荷方程

3.2 基本方程的离散

3.2.1 Reynolds方程的离散

3.2.2 水膜厚度方程的离散

3.2.3 载荷方程的离散

3.3 方程组的多重网格解法

3.3.1 多重网格法的基本原理

3.3.2 非线性问题的完全近似格式FAS

3.3.3 V循环和W循环

3.4 方程组的缺陷方程

3.4.1 无量纲Reynolds方程的缺陷方程

3.4.2 无量纲膜厚方程的缺陷方程

3.4.3 载荷方程的缺陷方程

3.5 流体动压力的松弛迭代

3.5.1 Gauss-Seidel松弛

3.5.2 载荷方程的应用

3.5.3 数值计算过程

3.6 结果讨论

3.7 本章小结

第4章水介质条件下轮轨粘着特性试验研究

4.1 模拟试验简介

4.1.1 JD-1轮轨模拟试验机简介

4.1.2 模拟准则

4.1.3 垂向载荷的标定

4.1.4 切向载荷的标定

4.1.5 试验材料

4.2 试验参数的确定

4.2.1 模拟轮对转动速度的确定

4.2.2 模拟试验载荷的确定

4.2.3 试验方法

4.3 试验结果

4.3.1 干态下加水对粘着的影响

4.3.2 速度对粘着的影响

4.3.3 轴重对粘着的影响

4.3.4 蠕滑率对粘着的影响

4.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

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