Rail Contact

变垂直载荷和耦合作用下轮轨接触的模型.

类型: Engee1DMechanical.Vehicles.Rail.WheelContact

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/1D Mechanical/Tires & Vehicles/Rail Contact

资料描述

座 Rail Contact 在车轮与导轨和滚动阻力的接触区域中产生纵向力。

当列车移动时，力是使用取决于纵向滑动系数的公式计算的，该公式可以使用经典代数公式计算。

使用该块计算车轮和钢轨的纵向相互作用，在对一维车辆运动建模时考虑滚动阻力。

纵向和横向联轴器的连接没有考虑在内。还要注意的是，该模型没有考虑到质量传递和道路的轮廓。

纵向滑动系数

纵向滑移系数是在静止模式的假设下计算的，该模式仅在高速下有效（超过 20 公里/小时)。为了计算它，使用代数方程，其在零速度下具有奇点（发散）。为了避免这种差异，当速度下降到阈值以下时，修改纵向滑移的表达式。，由参数设置 Velocity threshold to define static damping .

当使用经典公式时，纵向滑移的值为在静止状态的假设下，它的定义如下:

哪里

-端口上车轮的纵向速度*H*;
-车轮的滚动半径，参数的值 Mean radius of wheel ;
-车轮的角速度;
-接触区的更新率，确定检查比率 :

如果 ,

如果 ,

如果 .

纵向力

纵向力的建模假设车轮与导轨的接触相当于两个垂直轴的气缸的接触。因此，有必要指定这种接触的几个特征。:

轮的平均滚动半径，参数的值 Mean radius of wheel ;
钢轨的弯曲半径，参数值 Rail bending radius ;
车轮材料的测定（杨氏模量，泊松比），参数的值 Wheel Poisson’s ratio 和 Wheel Young’s modulus ;
钢轨材料的测定（杨氏模量，泊松比），参数值 Rail Poisson’s ratio 和 Rail Young’s modulus ;
耦合特性、参数值 Adhesion characteristics .

使用[1]中描述的一组参数确定耦合。此描述适用于纵向滑移的小值和大值。这些参数必须通过测量来确定。为 Adhesion characteristics 您可以设置其中一个值:

Typical dry condtion -车轮与钢轨干接触的一般参数;
Typical wet condtion -湿轮轨接触的一般参数;
User defined -用户选择每个参数的值。

纵向力的所得公式:

哪里

-垂直负荷;
-耦合区域的减少系数;
-滑动区的减少系数;
-摩擦系数;
-在纵向方向上的切向应力的梯度。

摩擦系数定义为:

哪里

-零滑动速度下的最大摩擦系数;
-摩擦系数之比，在哪里 -无限滑动速度下的摩擦系数;
-摩擦指数减少系数;
-纵向方向上的滑动速度。

纵向的切向应力梯度定义为:

哪里

-剪切模量;
-接触椭圆的半轴;
-来自卡尔克线性理论的系数;
-在纵向方向上滑动（之间 -1 和 1).

为了近似典型的干湿条件，参数值如表所示:

参数典型的干燥条件典型的潮湿条件

参数	典型的干燥条件	典型的潮湿条件
	`1`	`0.3`
	`0.4`	`0.1`
	`0.55`	`0.3`
	`0.4`	`0.4`
	`0.6`	`0.2`

1

0.3

0.4

0.1

0.55

0.3

0.4

0.6

0.2

该图示出了纵向粘附性对纵向滑移系数的依赖性的典型曲线图。它还演示了曲线形状和系数之间的各种连接。

rail contact 1 cn

滚动阻力

滚动阻力（ )是使用简单的滚动阻力系数计算的:

哪里

-滚动阻力系数，参数的值 Rolling resistance coefficient ;
-垂直负荷;
-车轮的平均滚动半径，参数的值 Mean radius of wheel .

制动扭矩

施加的制动扭矩和滚动阻力矩它们是使用[2]中描述的方法计算的。需要对参数进行调整，以避免非物理波动，加快计算时间。:

耦合过程中的等效粘性摩擦 Equivalent viscous friction during stiction (brake) 可调节以避免非物理波动。;
偏移阈值 Stick displacement threshold (brake) 它可以调整，以反映制动动力学和加快计算时间。

从没有摩擦力矩的位置开始，当一个表面相对于另一个表面的旋转角度发生变化时，产生静摩擦力矩。它由两个部分组成:

转动角度线性变化的力矩，直至达到静摩擦力矩。当旋转角度达到阈值时会发生这种情况。
粘性摩擦的一种成分，用于防止非物理振动。

当一个表面相对于另一个表面的旋转角度超过阈值时，固体旋转（滑动），摩擦力矩等于动摩擦力矩。

静摩擦

rail contact 2

接触刚度当刚体经历静摩擦时，它被考虑在内。所述粘附刚度由所述旋转角度的阈值确定 :

哪里

-最大静摩擦力矩;

-旋转角度的阈值，参数的值 Stick displacement threshold (brake) .

rail contact 3

在低旋转角度（低于阈值角度值 )摩擦力矩是旋转角度的函数。保持零加速度并因此粘合固体所需的摩擦力的力矩等于:

哪里

-衰减系数调整，以防止固体粘在一起时振动;
-车轮的速度。

滑道

当角度为超过角度阈值体滑移，摩擦力的力矩变为与动摩擦力的力矩相等:

车轮动力学

车轮速度由旋转运动动力学方程计算:

哪里

-港口轴扭矩*SA*;
-端口上的制动扭矩*BR*
-制动扭矩;
-滚动阻力矩;
-车轮的平均滚动半径，参数的值 Mean radius of wheel .
-纵向力。

车轮状况

变量 状况 表示车轮的状况。它可以采用四个值中的一个:

0：车轮正在加速和 ;
1：车轮正在制动和 ;
2：车轮"着火" 和 ;
3：车轮停止和和 .

港口

非定向

# 某人 — 竖井,竖井
旋转力学

Details

轮轴连接的机械回转口。

程序使用名称

shaft_flange_a

# 萨 — 竖井,竖井
旋转力学

Details

轮轴连接的机械回转口。

程序使用名称

shaft_flange_b

# H — 枢纽
平移力学

Details

与轮毂连接的机械平移口。

程序使用名称

hub_flange

# Br — 制动器,制动器
旋转力学

Details

轮制动器连接的机械回转口。

程序使用名称

brake_flange

输入

# λ — 摩擦系数的比例系数
标量,标量

Details

摩擦系数的比例因子。比例因子的最小值在参数中设置 Minimum scale factor for coefficient of friction .

数据类型	`漂浮64`
复数支持	非也。

# N — 法向力，N
标量,标量

Details

与作用在车轮上的法向力相关的输入端口以H为单位。法向力的最小值设置在参数中 Engagement threshold force .

依赖关系

要使用此端口，请选中*受控垂直负载*复选框。

数据类型	`漂浮64`
复数支持	非也。

参数

Parameters

# Controlled vertical load — 法向力的设定方法

Details

选择此选项可将作用在车轮上的法向力设置为每端口*N*的标量值。在这种情况下，法向力的值将受到阈值的限制。 Engagement threshold force .

取消选中此框可在参数中设置法向力的平均值 Mean vertical load on the wheel

默认值	`false (关掉)`
程序使用名称	`controlled_vertical_load`
可计算	无

# Adhesion characteristics — 耦合特性
Typical dry condtion | Typical wet condtion | User defined

Details

耦合特性可以使用其中一个值来设置:

Typical dry condtion -车轮与钢轨干接触的一般参数;
Typical wet condtion -湿轮轨接触的一般参数;
User defined -用户选择每个参数的值。

值	`Typical dry condtion` \| `Typical wet condtion` \| `User defined`
默认值	`Typical dry condtion`
程序使用名称	`adhesion_characteristics`
可计算	无

# Mean vertical load on the wheel — 作用在车轮上的法向力的平均值
N | nN | uN | mN | kN | MN | GN | dyn | lbf | kgf

Details

作用在车轮上的法向力的平均值。

依赖关系

要使用此选项，请取消选中*受控垂直加载*复选框。

计量单位	`N` \| `nN` \| `uN` \| `mN` \| `kN` \| `MN` \| `GN` \| `dyn` \| `lbf` \| `kgf`
默认值	`110000.0 N`
程序使用名称	`F_vertical_const`
可计算	是

# Minimum scale factor for coefficient of friction — 摩擦系数的最小比例系数

Details

口上的摩擦系数的比例因子的最小值为*λ*。

默认值	`0.0001`
程序使用名称	`lambda_threshold`
可计算	是

# Engagement threshold force — 阈值耦合力
N | nN | uN | mN | kN | MN | GN | dyn | lbf | kgf

Details

单元对车轮施加法向力的阈值力。如果该值太低，车轮很快获得牵引力，并与导轨失去牵引力。如果该值太高，则块产生不切实际的低静态和动态摩擦力。参数必须大于零。

依赖关系

要使用此选项，请选中*受控垂直载荷*复选框。

计量单位	`N` \| `nN` \| `uN` \| `mN` \| `kN` \| `MN` \| `GN` \| `dyn` \| `lbf` \| `kgf`
默认值	`10.0 N`
程序使用名称	`F_vertical_threshold`
可计算	是

# Friction coefficient at zero slip velocity — 零滑动速度下的最大摩擦系数

Details

零滑动速度下的最大摩擦系数 .

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 Adhesion characteristics 意义 User defined.

默认值	`1.0`
程序使用名称	`friction_coefficient_at_w_slip_zero`
可计算	是

Wheel

Details

轮的惯性。

计量单位	`kgm^2` \| `gm^2` \| `kgcm^2` \| `gcm^2` \| `lbmin^2` \| `lbmft^2` \| `slugin^2` \| `slugft^2`
默认值	`10.0 kg*m^2`
程序使用名称	`I_wheel`
可计算	是

# Mean radius of wheel — 平均车轮半径
m | um | mm | cm | km | in | ft | yd | mi | nmi

Details

轮的平均半径。

计量单位	`m` \| `um` \| `mm` \| `cm` \| `km` \| `in` \| `ft` \| `yd` \| `mi` \| `nmi`
默认值	`0.445 m`
程序使用名称	`wheel_radius`
可计算	是

# Wheel Poisson's ratio — 车轮材料的泊松比

Details

轮材料的泊松比。

默认值	`0.3`
程序使用名称	`wheel_poisson_ratio`
可计算	是

# Wheel Young's modulus — 杨氏车轮材料模块
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg | N/m^2

Details

轮材料的杨氏模块。

计量单位	`Pa` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg` \| `N/m^2`
默认值	`2.1e11 N/m^2`
程序使用名称	`E_wheel`
可计算	是

Rail

# Rail bending radius — 钢轨的弯曲半径
m | um | mm | cm | km | in | ft | yd | mi | nmi

Details

轨的弯曲半径。

计量单位	`m` \| `um` \| `mm` \| `cm` \| `km` \| `in` \| `ft` \| `yd` \| `mi` \| `nmi`
默认值	`0.3 m`
程序使用名称	`rail_bending_radius`
可计算	是

# Rail Poisson's ratio — 轨道材料的泊松比

Details

轨材料的泊松比。

默认值	`0.3`
程序使用名称	`rail_poisson_ratio`
可计算	是

# Rail Young's modulus — 杨氏铁路材料模块
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg | N/m^2

Details

轨材料的杨氏模块。

计量单位	`Pa` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg` \| `N/m^2`
默认值	`2.1e11 N/m^2`
程序使用名称	`E_rail`
可计算	是

Longitudinal slip

# Velocity threshold to define static damping — 最小速度阈值
m/s | mm/s | cm/s | km/s | m/hr | km/hr | in/s | ft/s | mi/s | ft/min | mi/hr | kn

Details

最小速度阈值。

计量单位	`m/s` \| `mm/s` \| `cm/s` \| `km/s` \| `m/hr` \| `km/hr` \| `in/s` \| `ft/s` \| `mi/s` \| `ft/min` \| `mi/hr` \| `kn`
默认值	`0.4 m/s`
程序使用名称	`v_static_damping_threshold`
可计算	是

Resistive and braking torque

# Rolling resistance coefficient — 滚动阻力系数

Details

滚动阻力系数。

默认值	`0.05`
程序使用名称	`rolling_resistance_coefficient`
可计算	是

# Stick displacement threshold (brake) — 偏移阈值
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon

Details

用于调整制动动态的偏移阈值。

计量单位	`rad` \| `deg` \| `rev` \| `mrad` \| `arcsec` \| `arcmin` \| `gon`
默认值	`0.1 deg`
程序使用名称	`delta_phi_stick_threshold`
可计算	是

# Equivalent viscous friction during stiction (brake) — 耦合过程中的等效粘性摩擦
N*m/(rad/s) | ft*lbf/(rad/s)

Details

耦合时的等效粘性摩擦。

计量单位	`Nm/(rad/s)` \| `ftlbf/(rad/s)`
默认值	`1000.0 N*m/(rad/s)`
程序使用名称	`stiction_viscous_coefficient`
可计算	是

Initial Conditions

Details

轮的初始旋转速度。

计量单位	`rad/s` \| `deg/s` \| `rad/min` \| `deg/min` \| `rpm` \| `rps`
默认值	`0.0 rad/s`
程序使用名称	`w_wheel_start`
可计算	是

Wheel-rail adhesion

# Ratio of friction coefficients uinf/uF — 摩擦系数之比

Details

摩擦系数之比，在哪里是无限滑动速度下的摩擦系数，并且 -在零滑动速度下的最大摩擦系数。

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 Adhesion characteristics 意义 User defined.

默认值	`0.5`
程序使用名称	`coefficient_A`
可计算	是

# Coefficient of exponential friction decrease — 摩擦的指数减少系数
s/m | s/ft

Details

摩擦的指数减少系数 .

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 Adhesion characteristics 意义 User defined.

计量单位	`s/m` \| `s/ft`
默认值	`0.5 s/m`
程序使用名称	`coefficient_B`
可计算	是

# Reduction factor in the area of adhesion — 耦合面积的减少系数

Details

耦合面积的减少系数 .

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 Adhesion characteristics 意义 User defined.

默认值	`0.5`
程序使用名称	`coefficient_k_A`
可计算	是

# Reduction factor in the area of slip — 滑动区内的减少系数

Details

滑动区内的减少系数 .

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 Adhesion characteristics 意义 User defined.

默认值	`0.5`
程序使用名称	`coefficient_k_S`
可计算	是

文学作品

Polach O.,creep forms in simulation of traction vehicles running on adhesion limit,Wear258,2005
Haessig D.A.，Friedland B.，On The modeling and Simulation Of Friction，Transactions ASME，Journal Of Dynamic Systems，Measurement and Control，vol。 113，1991年9月，第354-362页。