不同磨耗階段貨車(chē)車(chē)輪與固定轍叉的接觸分析

馬 賀，李 霞，張 軍

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028;3.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，北京 100044)*

0 前言

道岔是列車(chē)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)線(xiàn)運(yùn)行的必備設(shè)備，在鐵路軌道中占有重要地位，而轍叉是道岔的重要組成部分，其按構(gòu)造類(lèi)型可分為固定轍叉與可動(dòng)心軌轍叉，由于可動(dòng)心軌轍叉不適應(yīng)重載鐵路大軸重、高密度、大運(yùn)量的運(yùn)輸模式，除在必要地段鋪設(shè)可動(dòng)心軌轍叉之外，其余均鋪設(shè)固定轍叉，因此固定轍叉在重載運(yùn)輸中占絕大多數(shù).

目前廣泛應(yīng)用的固定式轍叉直接影響道岔的容許通過(guò)速度，又是道岔使用壽命最短的部件.固定轍叉破損多發(fā)生在從咽喉到心軌頂寬50 mm區(qū)段的心軌和翼軌部件(占84%)，傷損情況如圖1所示，圖中為現(xiàn)場(chǎng)拍攝的心軌傷損情況，具體位置為距離理論尖端360～480 mm之間.

圖1 固定轍叉心軌剝離掉塊現(xiàn)象

針對(duì)重載鐵路固定轍叉磨耗嚴(yán)重問(wèn)題國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家與學(xué)者不僅從道岔線(xiàn)型［1］、鑄造工藝［2］、轍叉材料［3］以及考慮對(duì)轍叉進(jìn)行打磨［4］等方面進(jìn)行研究從而延長(zhǎng)其使用壽命，并且應(yīng)用有限元與動(dòng)力學(xué)對(duì)固定轍叉進(jìn)行了大量的研究.陳嶸、王平等人通過(guò)建立三維有限元模型，在疲勞荷載與極限荷載作用下對(duì)75 kg/m鋼軌12號(hào)固定轍叉薄弱部位進(jìn)行強(qiáng)度檢算，并提出改進(jìn)建議［5-6］.重載線(xiàn)路小范圍內(nèi)試用嵌入式組合高錳鋼轍叉，董彥錄根據(jù)實(shí)體有限元方法，運(yùn)用ANSYS建立三維實(shí)體計(jì)算模型，計(jì)算分析嵌入式組合高錳鋼轍叉的受力性能，提出在所選的薄弱位置鋼軌件(翼軌和心軌)均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求［7］.

當(dāng)車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)，輪軌接觸應(yīng)力位置不斷變化［8］，道岔的幾何外形對(duì)于輪岔的動(dòng)力學(xué)影響較大，而車(chē)輪型面對(duì)其影響較?。?］.運(yùn)行方向?qū)Φ啦砩献畲髾M向接觸力的影響較大，而對(duì)垂向接觸力的影響小，線(xiàn)路對(duì)垂向接觸力的影響顯著;提高列車(chē)速度導(dǎo)致列車(chē)在通過(guò)道岔時(shí)接觸力變大［10-11］.上述專(zhuān)家與學(xué)者的研究均是以標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輪型面為基礎(chǔ)，但是實(shí)際運(yùn)用中的車(chē)輪型面很快磨耗成為非標(biāo)準(zhǔn)的型面，因此研究不同磨耗階段車(chē)輪型面與轍叉的接觸分析尤為重要.

1 數(shù)據(jù)采集與型面分析

隨著列車(chē)的不斷運(yùn)行，車(chē)輪產(chǎn)生磨耗現(xiàn)象，車(chē)輪型面隨之變化，當(dāng)車(chē)輪磨耗到一定程度要對(duì)其進(jìn)行鏇修，在車(chē)輪一個(gè)鏇修周期內(nèi)應(yīng)用車(chē)輪型面測(cè)量?jī)x對(duì)大秦線(xiàn)C80貨車(chē)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，得到上百條車(chē)輪型面，統(tǒng)計(jì)分析選出如圖2所示具有代表性的車(chē)輪型面，標(biāo)準(zhǔn)LM型為鐵標(biāo)規(guī)定的貨車(chē)所用型面，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型為磨耗到不同程度的車(chē)輪型面.

從圖2中可以看出，貨車(chē)車(chē)輪輪緣較踏面部位磨耗嚴(yán)重，輪緣均勻磨耗，踏面前期磨耗嚴(yán)重后期磨耗量較小，磨耗Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型為磨耗中期型面，其線(xiàn)型基本保持不變.固定轍叉包括翼軌與心軌，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明更換轍叉的原因多為心軌剝離掉塊嚴(yán)重.

圖2 五種不同磨耗階段車(chē)輪型面

由于固定轍叉心軌距離理論尖端在360～480 mm之間磨耗嚴(yán)重，因此應(yīng)用上述車(chē)輪型面與75 kg/m鋼軌12號(hào)道岔固定轍叉距離理論尖端360與480 mm這兩個(gè)截面建立彈塑性接觸模型，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，分析不同磨耗階段車(chē)輪與轍叉的接觸情況，兩位置處的轍叉型面如圖3所示.

圖3 轍叉型面

在距離理論尖端360與480 mm兩個(gè)位置處車(chē)輪與固定轍叉可能產(chǎn)生的接觸位置為踏面外部與翼軌接觸、踏面中部與心軌接觸兩部分，不同輪叉之間的接觸位置與接觸狀態(tài)不同，需對(duì)其進(jìn)行具體分析.

2 彈塑性有限元模型的建立

應(yīng)用上述五種不同磨耗階段貨車(chē)車(chē)輪與距離理論尖端360與480 mm位置處的標(biāo)準(zhǔn)轍叉型面建立輪叉彈塑性接觸有限元模型，其本構(gòu)關(guān)系采用雙線(xiàn)性模型，材料的屈服極限為689.6 MPa，楊氏模量為 2.05 GPa.

車(chē)輪與轍叉之間的約束與載荷施加情況如圖4所示，轍叉底部全約束，限制轍叉的剛體位移;車(chē)輪兩端約束橫向與縱向位移;半軸重125 kN垂直施加在軸箱所在車(chē)軸位置處.

圖4 約束與載荷

3 計(jì)算結(jié)果分析

固定轍叉包括翼軌與心軌兩部分，從其結(jié)構(gòu)來(lái)看，車(chē)輛逆向通過(guò)固定轍叉的過(guò)程必然是先與翼軌接觸，最后完全過(guò)渡到心軌上，過(guò)渡過(guò)程一定包括單點(diǎn)接觸與兩點(diǎn)接觸，不同車(chē)輪通過(guò)轍叉的位置不同，對(duì)轍叉產(chǎn)生不同的影響.通過(guò)對(duì)不同磨耗階段車(chē)輪與固定轍叉兩截面的彈塑性接觸計(jì)算，分析其接觸斑與等效應(yīng)力情況.

3.1 接觸斑分析

不同磨耗階段車(chē)輪與固定轍叉兩位置處截面接觸時(shí)心軌接觸斑與翼軌接觸斑形狀均呈近似矩形，如圖5所示，其接觸斑長(zhǎng)度范圍為21～28 mm，寬度范圍為2～5 mm，接觸斑狹長(zhǎng)，接觸面積小.

圖5 接觸斑形狀

將不同磨耗階段車(chē)輪與固定轍叉距離理論尖端360與480 mm位置處的接觸斑位置統(tǒng)計(jì)如表1所示.

表1 不同接觸狀況下的接觸斑位置

標(biāo)準(zhǔn)75 kg/m鋼軌12號(hào)道岔固定轍叉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是翼軌逐漸降低，心軌逐漸上升.從表1中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)LM車(chē)輪在距離理論尖端360 mm處時(shí)與翼軌和心軌同時(shí)接觸，說(shuō)明此時(shí)車(chē)輪正在從翼軌向心軌過(guò)渡，在距離理論尖端480 mm處完全過(guò)渡到心軌上;磨耗III型與磨耗IV型車(chē)輪在距離理論尖端480 mm位置處還只與翼軌接觸，其通過(guò)固定轍叉時(shí)的過(guò)渡位置在距離理論尖端480 mm以后;而磨耗II型與磨耗V型車(chē)輪在距離理論尖端360 mm處時(shí)還只與翼軌接觸，在480 mm處與翼軌和心軌同時(shí)接觸，說(shuō)明車(chē)輪通過(guò)轍叉的過(guò)渡位置位于480 mm之前，即此兩種車(chē)輪型面在距離理論尖端360～480 mm之間開(kāi)始與心軌接觸，逐漸過(guò)渡到心軌上，車(chē)輪與翼軌和心軌同時(shí)接觸的接觸斑如圖6所示.心軌接觸斑位于心軌中心線(xiàn)附近，而翼軌接觸斑位于翼軌邊緣.

圖6 翼軌與心軌接觸斑

3.2 等效應(yīng)力分析

針對(duì)輪叉的彈塑性接觸計(jì)算所得的等效應(yīng)力為Von Mises應(yīng)力，其作為衡量應(yīng)力水平的主要指標(biāo)，是正應(yīng)力與剪切應(yīng)力的組合，常用來(lái)描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài).圖7為車(chē)輪與轍叉翼軌和心軌同時(shí)接觸時(shí)的內(nèi)部等效應(yīng)力圖，從圖中可以看出，其最大等效應(yīng)力為1 296 MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，位于距離輪叉表面2～3 mm之間.

圖7 輪叉內(nèi)部等效應(yīng)力

圖8為不同車(chē)輪型面與固定轍叉距離理論尖端360與480 mm之間的最大等效應(yīng)力.從圖中可以看出，隨著車(chē)輪的磨耗，車(chē)輪與轍叉之間的最大等效應(yīng)力逐漸增大，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)轍叉之間的等效應(yīng)力最小，輪叉匹配情況良好.由于車(chē)輪與轍叉之間的接觸面積小，其等效應(yīng)力均超過(guò)了材料的屈服極限，車(chē)輪與轍叉均進(jìn)入塑性變形階段.

圖8 不同車(chē)輪型面與轍叉之間的等效應(yīng)力

當(dāng)同一車(chē)輪分別與距離理論尖端360與480mm位置的固定轍叉接觸時(shí)其最大等效應(yīng)力在480 mm位置處比在360 mm位置處高出36.2% ～74.5%，這也是此位置處嚴(yán)重傷損的原因之一.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同磨耗階段車(chē)輪與固定轍叉距離理論尖端360與480 mm兩位置處的彈塑性接觸計(jì)算分析，得到以下結(jié)論:

(1)不同車(chē)輪通過(guò)固定轍叉的過(guò)渡位置不同，對(duì)心軌與翼軌產(chǎn)生的影響有所差異;

(2)輪叉之間的等效應(yīng)力均超過(guò)了材料的屈服極限，車(chē)輪與轍叉進(jìn)入塑性變形階段.在距離理論尖端480 mm位置處的輪叉等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于360 mm位置處的等效應(yīng)力，這也是心軌此位置處磨耗嚴(yán)重的原因之一;

(3)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)轍叉之間的等效應(yīng)力最小，輪叉匹配情況良好.隨著車(chē)輪的磨耗，輪叉之間的等效應(yīng)力逐漸增大.

由于車(chē)輪通過(guò)固定轍叉是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，同時(shí)固定轍叉存在軌線(xiàn)不連續(xù)問(wèn)題，車(chē)輪與轍叉心軌接觸的瞬間會(huì)對(duì)心軌產(chǎn)生沖擊，因此不同車(chē)輪與轍叉之間的作用情況還需進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.

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