机械工程学报

作者：张鹏, 赵鑫, 凌亮, 陶功权, 温泽峰

单位：西南交通大学牵引动力国家重点实验室 成都 610031

关键词：轮轨高频动力作用,显式有限元法,面-面接触算法,多体动力学,Hertz弹簧,钢轨波磨；

基金：国家自然科学基金（51675444，51775455）和四川省国际科技合作与交流研发（2017HH0038）资助项目。

轮轨高频动力分析模型目前多沿用了传统的赫兹接触模型，其在高速轮轨系统上的适用性尚未得到验证。针对赫兹接触工况，建立基于多体动力学的车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型，其中轮轨法向接触由赫兹弹簧表征，作为对比也建立基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型，采用可考虑三维接触几何的"面-面"接触算法精确求解轮轨接触。对比150~500 km/h速度范围内典型钢轨短波波磨（波长20~140 mm、波深0.01~0.20 mm）激励下的高频轮轨力结果，发现三种模型预测的幅值存在显著差异，但未发生轮轨脱离时（波磨尚浅），三种模型预测的幅值均与波深线性正相关。具体而言，相较于瞬态滚动接触模型，车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型预测的垂向轮轨力更大，其特征幅值的最大差值分别为静轮重的39.2%和88.4%，三种模型预测波长30 mm波磨的临界波深（恰好发生轮轨脱离）相应地高于0.2 mm、0.14 mm和0.05 mm。开展高速、高频轮轨动力分析时，传统的赫兹接触弹簧会带来不可忽略的计算误差。

来源：2020年第12期

《机械工程学报》期刊编辑部

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