機(jī)車車輪與75 kg/m鋼軌12號(hào)轍叉的接觸分析

石玉，張軍，李霞，孫傳喜，徐永綏

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

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機(jī)車車輪與75 kg/m鋼軌12號(hào)轍叉的接觸分析

石玉1，張軍2，李霞1，孫傳喜1，徐永綏1

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

針對(duì)大秦線重載鐵路固定轍叉磨耗問題，基于實(shí)測(cè)輪/叉型面，建立了標(biāo)準(zhǔn)JM3車輪型面和磨耗車輪型面與標(biāo)準(zhǔn)轍叉和磨耗轍叉接觸模型.詳細(xì)分析了每種輪/叉的接觸情況，如接觸斑面積、等效應(yīng)力等的變化規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)輪/叉接觸時(shí)，其接觸表面發(fā)生塑性變形的范圍最大.磨耗輪與標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸時(shí)，最大等效應(yīng)力最大.磨耗輪/叉接觸時(shí)，輪/叉型面匹配性能最好.綜上輪/叉間存在少量磨耗時(shí)型面匹配性能較好，因而在使用過程中盡可能控制輪/叉間的磨耗，以延長(zhǎng)轍叉的使用壽命，降低鐵路運(yùn)營(yíng)成本.

道岔轍叉;機(jī)車車輪;有限元;輪軌接觸;磨耗

0 引言

道岔是實(shí)現(xiàn)列車轉(zhuǎn)線運(yùn)行的鐵路軌道主要的結(jié)構(gòu)，也是鐵路軌道的薄弱環(huán)節(jié).由于道岔具有數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主要部件使用壽命短[1-3]、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)[4]，且輪軌間的接觸關(guān)系非常復(fù)雜，道岔內(nèi)輪軌磨損更加嚴(yán)重[5-7].因此，道岔成為控制鐵路速度的關(guān)鍵設(shè)備.它與動(dòng)車組、列車控制并列為我國(guó)高速鐵路三大核心技術(shù)[8-9].隨著列車速度的不斷提高，輪/岔間的接觸作用變得更加復(fù)雜.這對(duì)道岔的作用提出了更高的要求.因此精確地對(duì)車輪與道岔間接觸作用進(jìn)行分析已成為當(dāng)務(wù)之急[10].

本文針對(duì)大秦線12號(hào)道岔轍叉的磨耗情況，通過實(shí)際測(cè)量得到的輪/叉型面，建立了標(biāo)準(zhǔn)JM3型機(jī)車車輪和磨耗后的機(jī)車車輪分別與標(biāo)準(zhǔn)轍叉和磨耗后的轍叉不同位置的接觸模型，詳細(xì)分析

了機(jī)車車輪與轍叉接觸時(shí)的接觸斑，等效應(yīng)力等的變化規(guī)律，總結(jié)出車輪和轍叉的磨耗對(duì)列車過叉時(shí)的影響.

1 標(biāo)準(zhǔn)和磨耗后的輪/叉型面選取

利用鋼軌型面測(cè)量?jī)x測(cè)量得到大量大秦線標(biāo)準(zhǔn)和磨耗后的輪/叉型面數(shù)據(jù).從中選取不同位置的標(biāo)準(zhǔn)轍叉型面和磨耗后的轍叉型面作為輪/叉接觸模型的轍叉型面.以轍叉心軌理論尖端(00截面)為基準(zhǔn)，沿著車輛逆向進(jìn)岔方向先選出三個(gè)截面，分別距轍叉心軌理論尖端144.3 mm，360mm和480.8 mm，分別稱作01截面，02截面和03截面.通過01截面和02截面插值得到距轍叉心軌理論尖端247.0 mm的04截面，通過02截面和03截面插值得到距轍叉心軌理論尖端420.0mm的05截面，如表1所示.

表1 轍叉區(qū)特殊截面

由于實(shí)際轍叉的型面形狀是不斷變化的，因此要建立變截面的轍叉模型以使計(jì)算模型更加接近真實(shí)情況，將01截面，04截面，02截面和05截面作為輪/叉接觸時(shí)與車輪型面接觸對(duì)中的轍叉截面，各個(gè)接觸對(duì)中截面在轍叉上的分布如圖1所示.建立以00截面、01截面、04截面和02截面為轍叉模型的起始截面，01截面、04截面、02截面和05截面為轍叉模型的對(duì)中截面，04截面、02截面、05截面和03截面為轍叉模型的終止截面，分別稱四個(gè)輪/叉接觸模型為00-01-04模型、01-04-02模型、04-02-05模型和02-05-03模型.轍叉理論尖端只有翼軌沒有心軌，為方便00-01-04轍叉有限元模型的建立， 通過01截面心軌型面和04截面心軌型面插值得到00截面的心軌型面，修改后的轍叉心軌理論尖端截面以及四個(gè)接觸截面如圖2所示.

圖1 修改后的轍叉理論尖端和輪/叉接觸的四個(gè)轍叉截面位置

圖2 通過各個(gè)轍叉截面建立轍叉模型

從鋼軌型面測(cè)量?jī)x測(cè)得的大量的轍叉型面中選出磨耗中期的具有代表性的轍叉型面，作為計(jì)算模型的磨耗后轍叉型面.由于列車正向行駛，車輪在過轍叉時(shí)先與轍叉翼軌接觸，然后逐漸過渡到心軌上，最后完全與心軌接觸.因此，在車輪剛進(jìn)入轍叉區(qū)時(shí)可以不考慮車輪與轍叉心軌的接觸，本文假設(shè)在距轍叉心軌理論尖端144mm和247mm的01和04截面處不發(fā)生車輪與轍叉心軌的接觸.每個(gè)輪/叉對(duì)中接觸截面位置的標(biāo)準(zhǔn)轍叉型面和磨耗后的轍叉型面如圖3所示.

圖3 不同位置的標(biāo)準(zhǔn)轍叉和磨耗后轍叉型面

利用車輪型面測(cè)量?jī)x對(duì)大秦線上的機(jī)車車輪踏面進(jìn)行測(cè)量，從得到的大量重載機(jī)車車輪型面中選出磨耗中期的一個(gè)具有代表性的車輪型面，作為計(jì)算模型的磨耗后機(jī)車車輪踏面.標(biāo)準(zhǔn)JM3型機(jī)車車輪踏面和選出的磨耗后的機(jī)車車輪踏面，如圖4所示.

圖4 標(biāo)準(zhǔn)和磨耗機(jī)車車輪踏面

2 輪/叉的三維有限元模型的建立

利用HyperMesh分別建立JM3機(jī)車車輪與標(biāo)準(zhǔn)轍叉的接觸有限元模型、磨耗后的機(jī)車車輪與標(biāo)準(zhǔn)轍叉的接觸有限元模型、磨耗后的機(jī)車車輪與磨耗后的轍叉接觸有限元模型.由于車輪與轍叉的接觸區(qū)遠(yuǎn)小于非接觸區(qū)，而本文主要研究的部分是輪/叉接觸區(qū)上的應(yīng)力以及接觸斑的大小，因而為了在保證計(jì)算精度的情況下減小計(jì)算量，將接觸區(qū)劃分成較密的網(wǎng)格，本文最小單元邊長(zhǎng)劃分為1 mm，而將非接觸區(qū)的網(wǎng)格劃分得較疏.機(jī)車車輪與轍叉接觸的三維HyperMesh有限元模型如圖5所示.計(jì)算模型中車輪與轍叉在對(duì)中位置接觸，軌距為1 435 mm，輪緣內(nèi)側(cè)距為1353mm，機(jī)車車輪直徑為1250 mm，機(jī)車軸重為25 t，鋼軌底面施加固定約束，在車軸兩端節(jié)點(diǎn)施加橫向、縱向固定約束，釋放垂向約束.泊松比取0.3，彈性模量205 GPa，輪/叉間摩擦系數(shù)為0.3.

圖5 機(jī)車車輪與轍叉接觸的三維有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 三類輪/叉接觸的接觸斑對(duì)比分析

為便于分析，將標(biāo)準(zhǔn)輪/叉接觸、磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸和磨耗后輪/叉接觸時(shí)的接觸斑面積變化和接觸斑中心距心軌中心的距離分別繪制在兩個(gè)表中，如表2、表3所示.

表2 三類輪/叉接觸接觸斑面積比較

由表2可以得出磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的接觸斑面積為三類輪/叉接觸中最大的，比磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的接觸斑面積大54.7%～72.7%，比JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的接觸斑面積大2.1%～180%.除了距轍叉心軌理論尖端144 mm處的01截面外，JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的接觸斑面積比磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的接觸斑面積大3.3%～51.6%.即磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的接觸斑面積最大，磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的接觸斑面積最小.

表3 三類輪/叉接觸接觸斑中心距心軌中心距離 mm

從表3可以得出在距離轍叉心軌理論尖端144 mm的01截面到距離轍叉心軌理論尖端420mm的05截面，JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸和磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的接觸斑距心軌中心距離都由68 mm減小為66 mm，即由轍叉翼軌向心軌移動(dòng)了2 mm，磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的接觸斑距心軌中心距離都由75 mm減小為68mm，即由轍叉翼軌向心軌移動(dòng)了7 mm.

3.2 三類輪/叉接觸的等效應(yīng)力對(duì)比分析

本文中的等效應(yīng)力的作用范圍是通過將其近似為橢圓，測(cè)量得到其長(zhǎng)軸和短軸，運(yùn)用橢圓面積公式得到的.為便于分析，將標(biāo)準(zhǔn)輪/叉接觸、磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸和磨耗后輪/叉接觸時(shí)的最大等效應(yīng)力變化、超過屈服極限的表面等效應(yīng)力的作用范圍和超過屈服極限的內(nèi)部等效應(yīng)力的作用范圍分別繪制在三個(gè)圖中，如圖6～圖8所示.

圖6 三類接觸最大等效應(yīng)力比較

從圖6可以得出磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的最大等效應(yīng)力是最小的，比磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的最大等效應(yīng)力小13.2%～20.1%，比JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的最大等效應(yīng)力小11.6%～29.4%.除了距離轍叉心軌理論尖端144 mm處的01截面外，JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的最大等效應(yīng)力比磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的最大等效應(yīng)力小1.8%～7.2%.即三類輪/叉接觸中，磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的最大等效應(yīng)力最大，磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的最大等效應(yīng)力最小.

圖7 三類接觸超過屈服極限表面等效應(yīng)力作用范圍比較

圖8 三類接觸超過屈服極限內(nèi)部等效應(yīng)力作用范圍比較

通過圖7、圖8可以得出，綜合考慮參與計(jì)算的01截面、04截面、02截面和05截面四個(gè)截面，JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的超過屈服極限的表面等效應(yīng)力和內(nèi)部等效應(yīng)力的作用范圍最大，磨耗后車輪/磨耗后的轍叉接觸的超過屈服極限的表面等效應(yīng)力和內(nèi)部等效應(yīng)力的作用范圍最小.

4 結(jié)論

本文基于有限元法，建立了標(biāo)準(zhǔn)JM3機(jī)車車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸、磨耗后的機(jī)車車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸和磨耗后的機(jī)車車輪/磨耗后的轍叉接觸的三維有限元模型，求解了輪/叉間彈塑性接觸問題.通過大量計(jì)算得出了車輪與轍叉接觸的接觸斑面積大小和位置、等效應(yīng)力的大小和超過屈服極限的等效應(yīng)力的作用范圍等的變化規(guī)律，對(duì)這些計(jì)算結(jié)果分析比較后得到以下結(jié)論：

(1)輪/叉接觸的接觸斑都位于轍叉翼軌邊緣靠近心軌側(cè)，且三類輪/叉接觸的接觸斑都逐漸向心軌靠近，隨著轍叉在使用過程中磨耗量的加大，輪/叉接觸的接觸斑由翼軌向心軌移動(dòng)的距離更大.

(2)綜合考慮每類接觸的超過屈服極限的表面等效應(yīng)力的作用范圍和內(nèi)部等效應(yīng)力的作用范圍，JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的兩個(gè)作用范圍均為最大，而磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的兩個(gè)作用范圍最小.即隨著輪/叉的運(yùn)用，輪/叉間的磨耗率逐漸減小.

(3)綜合考慮每類接觸的四個(gè)接觸截面，JM3車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的塑性變形范圍最大，磨耗后車輪/標(biāo)準(zhǔn)轍叉接觸的最大等效應(yīng)力最大，只有磨耗后車輪/磨耗后轍叉接觸的輪/叉型面匹配性能最好.但是輪/叉的過度磨耗降低了機(jī)車的高度，若超過限界會(huì)帶來安全隱患.因此相比于沒有磨耗的輪/叉接觸和過度磨耗的輪/叉接觸，控制輪/叉間存在少量的磨耗更利于延長(zhǎng)轍叉的使用壽命，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本.

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SHI Yu1，ZHANG Jun2，LI Xia1，SUN Chuanxi1，XU Yongsui1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2.School of Mechanical-electronic and Automobile Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture , Beijing 100044, China)

Based on the situation of the attrition to the heavy haul railway fixed frog used in Da-Qin line, several contact models are built between the profile of standard JM3 wheel/worn wheel and the standard/worn turnout, which are all practically measured. The contact condition of each wheel/turnout is analyzed, such as the variation of the contact patch area and equivalent stress, and is found out the largest range of plastic deformation occurred when the standard wheel/turnout contact and the maximal von mises equivalent stress occurred when the worn wheel/standard turnout contact. In addition, the contact profile matching of the worn wheel/turnout contact is the best. In summary, a little abrasion between the wheel/turnout contact is good to the contact profile matching of them. Therefore, wear control in the wheel/turnout contact can prolong the life of frog and decrease the operating cost.

frog; locomotive; finite element method (FEM); wheel-rail contact; wear

1673-9590(2016)04-0038-05

2015-12-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405055,51305054);國(guó)家自然科學(xué)基金-煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1361117);牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(TPL1406); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015020116)

石玉(1991-),男，碩士研究生;李霞(1986-)，女，講師，博士，主要從事輪軌關(guān)系的研究E-mail:Xiali20034164@126.com.

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