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高速轮轨水介质存在下的黏着特性数值研究论文轮轨黏着是关系高速铁路行车安全和正常运营的关键问题在铁路运输的研究中,轮轨黏着是指车轮和钢轨在滚动接触时的摩擦力在列车运行过程中牵引力和制动力的实现都依赖于轮轨黏着一般来说,轮轨表面处于干燥状态时,黏着系数没有太大变化但是,当遇到雨天或下雪等天气,钢轨表面湿滑,黏着系数变化很大尤其在高速时,黏着系数会变得很低由于低黏着造成的列车牵引能力不足而引起的最常见的结果是列车误点,直接影响铁路的正常运营而低黏着造成的制动力不足则导致制动距离变长,从而引起安全问题,甚至造成列车冒进___、冲出站台或者列车相撞等严重的行车安全事故此外低黏着还会引起的车轮在钢轨上空转或滑行,造成车轮踏面或钢轨轨头擦伤因此,不管是从经济效益还是从列车运行安全方面来讲,对钢轨表面存在水介质情况下的黏着机理的研究显得尤为重要本文以部分弹流理论及弹性微观固体接触模型为基础建立了三维高速轮轨间存在水介质时的黏着数值模型由于水的低粘度特性以及轮轨间高接触应力,水膜厚度在求解过程中会变为负值,从而引起数值震荡影响数值收敛采用传统的数值方法基本无法达到收敛精度,本文应用多重网格算法及多重网格积分法来克服以上困难通过数值计算讨论了速度、轴重以及表面粗糙度对轮轨黏着特性的影响,并利用数值模拟的结果解释了其影响黏着系数的原因轮轨接触实际为三维问题,其接触斑形状近似椭圆轮轨表面并非绝对光滑的,都会存在很多微小的凸起这些微小凸起具有三个典型的纹理方向,可用表面纹理参数加以判别
2.1平均Reynolds方程文献
[16]的线接触模型计算表明轮轨间存在水介质时是处于部分膜润滑状态,粗糙度对两表面润滑起着很重要的作用这时流体方程中必须包含粗糙度参数,为此本文采用Patir和Cheng提出的等温可压缩运动沿钢轨纵向的点接触稳态部分膜弹流问题的平均Reynolds方程
2.2粘度方程从化学角度来看水是一种很不寻常的液体描述水的粘度的最好方法就是通过试验方法进行拟合Bett和Cappi通过大量的试验获得的不同温度下,粘度随压力变化的特性曲线根据___经验四次多项式可以很好地模拟此变化规律
3.1方程的求解传统的在固定网格下的求解方法比如直接迭代法、逆解法和Newton-Raphson法很难得到收敛解多重网格法充分利用了迭代误差的收敛特性,避免了传统的固定网格上迭代的不足它是把在细网格上松弛是误差光滑与在粗网格上低频误差容易收敛的优点相结合,使求解稳定、收敛快根据___的经验唯一的.解决方法是应用多重网格算法选取比较理想的初值在比较稠密的数值网格上进行初始迭代,为此本文选取全膜计算的压力和膜厚作为初值,采用5层网格,最高层网格取为256×256,为了保证数值的稳定性本文选取W循环通过多重网格法联立求解方程式11~式13,压力迭代采用Gauss-Seidel迭代方法,膜厚方程的计算采用多重网格积分法,获得液体和固体的承载,继而得到衡量轮轨间黏着特性最重要的参数轮轨间的黏着系数根据现有文献发现从试验研究角度无法完全揭示轮轨间存在水介质的接触机理,而且由试验结果分析的速度和接触压力等因素对黏着特性的影响都是定性的因此借助于数值手段进行定量分析能很好地解释试验中的现象本文选取基于CRH2实际轮轨尺寸和载荷,主要参数假设轮轨接触表面的粗糙度参数相同,表面的不平度都复合Gaussian分布并且所取得的相同目前高速铁路追求轻量化设计给出了轴重对轮轨黏着特性的影响从大致趋势来看,轴重的越轻黏着系数越大这种变化趋势和目前很多相关文献的试验结果是吻合的以CRH2为例,轴重减少
26.7%所引起的黏着系数的增大大约为4%因此,至少从目前的研究来看,轮轨间存在水介质的情况下,减少轴重对轮轨的黏着系数的影响不是很大通过本文建立的三维黏着计算模型,从数值角度研究了轮轨间存在水介质时的黏着特性并讨论了各因素对黏着系数的影响主要可得到以下结论1轮轨间存在水介质时,黏着系数随着列车速度的增加而显著降低,尤其是速度超过300km/h后黏着系数已低于
0.05极易发生空转因此,列车在高速运行时,遇到雨天必要时应考虑使用增黏技术,以确保列车高速正常安全运行2轴重的减小引起的黏着系数的增大不明显适当地增加轮轨表面粗糙度可以较好地提高轮轨黏着特性模板内容仅供参考。