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基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

关庆华 赵鑫 温泽峰 金学松

郭亮, 李长根, 高宏力, 董勋, 向守兵. 大数据背景下基于特征学习的机械设备剩余寿命预测[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(4): 730-735, 768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190528
引用本文: 关庆华, 赵鑫, 温泽峰, 金学松. 基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(4): 883-888. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210015
GUO Liang, LI Changgen, GAO Hongli, DONG Xun, XIANG Shoubing. Residual Life Prediction of Mechanical Equipment Based on Feature Learning in Big Data Background[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(4): 730-735, 768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190528
Citation: GUAN Qinghua, ZHAO Xin, WEN Zefeng, JIN Xuesong. Calculation Method of Hertz Normal Contact Stiffness[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(4): 883-888. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210015

基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210015
基金项目: 国家自然科学基金(51935002);四川省科技计划(2019YFH0053)
详细信息
    作者简介:

    关庆华(1981—),男,讲师,博士,研究方向为车辆轨道动力学与轮轨关系,E-mail:guan_qh@163.com

  • 中图分类号: U270.1;U211.5

Calculation Method of Hertz Normal Contact Stiffness

  • 摘要: 轮轨之间的弹性接触变形是车辆-轨道耦合动力学中计算轮轨力的核心,以基于Hertz接触理论的非线性接触刚度来描述轮轨之间的压缩量与轮轨法向力之间的关系. 目前的轮轨Hertz接触刚度计算公式为经验公式,来源于20世纪70年代英国铁路技术研究所的研究工作,分锥形踏面和磨耗型踏面两种类型,局限于特定的轮径范围和钢轨廓形. 基于三维弹性体Hertz接触理论,推导了满足Hertz接触条件的弹性体法向接触刚度通用计算公式,并结合轮轨几何外形特点,给出了轮轨接触斑大小及接触刚度参数的直接确定方法和数表,并以LM车轮踏面和CN60钢轨踏面匹配为例,对比分析了典型工况下计算结果与经验公式的差异. 分析结果表明:基于本文计算公式制定的Hertz弹性接触数表弥补了现有数表中缺乏接触刚度的不足,可直接用于弹性体接触计算;对于轮轨接触,与本文公式计算结果相比,以往经验公式中磨耗型踏面的接触常数计算结果仅在车轮名义中心圆弧与轨顶中心圆弧接触时的误差较小,约为0.40%~0.44%;其他接触位置时,经验公式计算结果与本文公式计算结果相差较大,误差范围可达 −25.97%~131.42%.

     

  • 图 1  qkθ的关系曲线

    Figure 1.  Relationship curve of qk with respect to θ

    图 2  车轮和钢轨踏面

    Figure 2.  Profiles of wheel and rail tread

    图 3  LM车轮踏面和CN60钢轨匹配下的接触常数

    Figure 3.  Contact constants for LM wheel profile and CN60 rail profile

    图 4  名义滚动位置的接触常数

    Figure 4.  Contact constants for nominal contact position

    图 5  轮缘角位置的接触常数

    Figure 5.  Contact constants for flange corner position

  • ZHAI Wanming. Vehicle-track coupled dynamics: theory and application[M]. Singapore: Science Press and Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2020.
    金学松, 刘启跃. 轮轨摩擦学[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2004: 47-63.
    GOLDSMITH W. Impact: the theory and physical behavior of colliding solids[M]. New York: Dover Publications, Inc., 2001: 82-87.
    张鹏,赵鑫,凌亮,等. 轮轨高频动力作用模拟中接触模型的影响分析[J]. 机械工程学报,2020,56(12): 124-132. doi: 10.3901/JME.2020.12.124

    ZHANG Peng, ZHAO Xin, LING Liang, et al. Influence of contact modeling on numerical analyses of high frequency wheel-rail interactions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(12): 124-132. doi: 10.3901/JME.2020.12.124
    徐井芒,王凯,高原,等. 高速铁路无缝钢轨断缝瞬态冲击行为分析[J]. 西南交通大学学报,2020,55(6): 1348-1354. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190312

    XU Jingmang, WANG Kai, GAO Yuan, et al. Transient impact behavior analysis of rail broken gap on high-speed continuous welded rail[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1348-1354. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190312
    CHENG Gong, HE Yuanpeng, HAN Jian, et al. An investigation into the effects of modelling assumptions on sound power radiated from a high-speed train wheelset[J]. Journal of Sound and Vibration, 2021, 495: 115910.1-115910.20.
    JENKINS H H, STEPHENSON J E, CLAYTON G A, et al. The effect of track and vehicle parameters on wheel/rail vertical dynamic forces[J]. Railway Engineering Journal, 1974, 3(1): 2-16.
    孙翔. 确定轮轨接触椭圆的直接方法[J]. 西南交通大学学报,1985(4): 8-21.

    SUN Xiang. A direct method to determine the wheel/rail contact ellipse[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 1985(4): 8-21.
    JOHNSON K L. Contact mechanics[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1985: 119-124.
    SHABANA A A, ZAAZAA K E, ESCALONA J L, et al. Development of elastic force model for wheel/rail contact problems[J]. Journal of Sound and Vibration, 2004, 269(1/2): 295-325.
    FLORES P, AMBROSIO J, CLARO J C P, et al. Influence of the contact-impact force model on the dynamic response of multi-body systems[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering,Part K:Journal of Multi-Body Dynamics, 2006, 220(1): 21-34. doi: 10.1243/146441906X77722
    SKRINJAR L, SLAVIC J, BOLTEZAR M. A review of continuous contact-force models in multibody dynamics[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2018, 145: 171-187. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2018.07.010
    HU S, GUO X. A dissipative contact force model for impact analysis in multibody dynamics[J]. Multibody System Dynamics, 2015, 35: 131-151. doi: 10.1007/s11044-015-9453-z
    ZHANG J, LI W, ZHAO L, et al. A continuous contact force model for impact analysis in multibody dynamics[J]. Mechanism and Machine Theory, 2020, 153: 103946.1-103946.25.
    ISMAIL K A, STRONGE W J. Impact of viscoplastic bodies:dissipation and restitution[J]. Journal of Applied Mechanics, 2008, 75: 061011-1-061011-5.
    YIGIT A S, CHRISTOFOROU A P, MAJEED M A. A nonlinear visco-elastoplastic impact model and the coefficient of restitution[J]. Nonlinear Dynamics, 2011, 66: 509-521. doi: 10.1007/s11071-010-9929-6
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    1. 唐兆祥,许万涛,邓昊,卢文杰. 基于机会约束规划的含电动汽车市域铁路牵引供电系统优化运行. 储能科学与技术. 2024(02): 526-535 . 百度学术
    2. 刘明亮,田忠北,董鸿志,郑俊锋,朱东坡. 考虑节能降耗的轨道牵引供电系统优化仿真模型. 自动化与仪器仪表. 2024(02): 82-86 . 百度学术
    3. 李光耀,袁佳歆,甘栋良,杨爱民. 高铁新能源混合储能系统低碳经济优化运行研究. 电气工程学报. 2024(01): 67-78 . 百度学术
    4. 赵丽颖,张灵芝,郑焕坤,龚事引. 考虑光伏和能量调度装置的电气化铁路储能运行调度. 东北电力大学学报. 2024(02): 51-57 . 百度学术
    5. 李俊豪,涂春鸣,王鑫,郭祺,肖凡. 基于“规则+优化”的电气化铁路站点实时能量管控策略. 电工技术学报. 2024(11): 3339-3352 . 百度学术
    6. 高锋阳,宋志翔,高建宁,高翾宇,杨凯文. 计及光伏和储能接入的牵引供电系统日前调度. 上海交通大学学报. 2024(05): 760-775 . 百度学术
    7. 周萌,于龙,王子龙. “双碳”目标下电气化铁路源网车储关键技术研究. 电力电子技术. 2024(07): 80-85 . 百度学术
    8. 王飞阳,陈玉新. 多维度融合发展策略下城市轨道交通碳排放测算模型. 市政技术. 2024(08): 130-135+161 . 百度学术
    9. 康德建,胡亮,乔美林,杨步荣. 基于运行图优化的重载牵引负荷削峰策略研究. 电气化铁道. 2024(04): 82-85 . 百度学术
    10. 秦浩庭,钟帆. 光伏接入铁路牵引供电系统谐振特性分析. 铁道标准设计. 2024(12): 169-175 . 百度学术
    11. 陈冲,贾利民,赵天宇,邵晨虎,王扬慧. 光伏和储能植入铁路牵引供电系统的拓扑架构与控制策略研究综述. 电工技术学报. 2024(24): 7874-7901 . 百度学术
    12. 刘继宗,张祖涛,王浩,孔苓吉,伊敏熠,朱忠尹. 城轨交通制动能量利用技术研究现状与展望. 西南交通大学学报. 2024(06): 1322-1345 . 本站查看
    13. 陈民武,陈垠宇,徐烈,崔明建. 基于机会约束的贯通式同相牵引供电系统分布式优化运行策略. 中国电机工程学报. 2024(24): 9583-9594 . 百度学术
    14. 董文哲,杨斯泐,梁宗佑,陈垠宇. 集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行. 储能科学与技术. 2023(04): 1185-1193 . 百度学术
    15. 周桔红,刘建委,殷杰,陈朝晖,贾沛,周海琦,冯玎,林圣. 地铁交流供电系统无功平衡策略研究——以广州地铁18号线为例. 都市快轨交通. 2023(03): 160-167 . 百度学术
    16. 赵宏程,李再华,赖俊宏,陈垠宇,张波琦,龚康华,曾毅. 基于RPC的混合储能接入双流制牵引供电系统协调运行方法. 储能科学与技术. 2023(09): 2862-2870 . 百度学术
    17. 陈垠宇,陈民武,李东阳,范家彬,梁宗佑,李波. 计及牵引负荷不确定性的同相供电系统随机优化运行策略. 中国铁道科学. 2023(05): 191-200 . 百度学术
    18. 刘骆川,黄大锐. 牵引供电系统光储接入方案及其控制策略. 电工技术. 2023(18): 44-48 . 百度学术
    19. 龚志恒,张翼扬,朱楚扬,赵鼎威,刘湘. 计及新能源接入的柔性牵引供电系统区间最优潮流研究. 电工技术. 2022(24): 48-52+57 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-11
  • 修回日期:  2021-03-05
  • 网络出版日期:  2021-04-12
  • 刊出日期:  2021-08-15

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