高速列車輪軌型面設(shè)計(jì)及優(yōu)化

余娟娟 潘茂華

【摘?要】輪和軌是鐵路機(jī)車車輛的關(guān)鍵部件，合理的軌道幾何型面匹配關(guān)系對列車的運(yùn)輸性能和安全性至關(guān)重要。本文以60E1輪軌型面為基礎(chǔ)，使用商用有限元軟件ABAQUS為工具，通過對輪軌型面進(jìn)行優(yōu)化來提高輪軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】輪軌關(guān)系;優(yōu)化;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;

由于鐵路運(yùn)輸速度快，運(yùn)量大，安全性高，耗能少，占地少，投資低，在運(yùn)輸業(yè)內(nèi)具有重要的不可替代的作用，世界各國都在積極發(fā)展鐵路交通，解決鐵路技術(shù)上的難題，輪軌匹配問題一直是鐵路研究的重要課題[1-3]，輪軌外形不匹配將導(dǎo)致列車運(yùn)行上的許多問題的產(chǎn)生，如運(yùn)行失穩(wěn)，接觸應(yīng)力高而導(dǎo)致輪軌表面磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，利用有限元仿真技術(shù)，通過對輪軌的型面進(jìn)行優(yōu)化，可提高輪軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而提高輪軌的性能[4-9]。

1.幾何模型

車輪選用60E1輪軌型面，接觸形面形面參數(shù)如圖1所示，法蘭高度為28mm，型面繪制依據(jù)所提供的公式（圖2）參數(shù)化建模而成。軌道型面示意圖如圖3所示。裝配好的三維圖示意如圖4所示。

2.有限元模型

本次計(jì)算中，采用大型通用有限元軟件abaqus。，單位系統(tǒng)采用mm-t-s。為提高計(jì)算精度，模型采用六面體實(shí)體單元網(wǎng)格。共224385個單元，168318萬個節(jié)點(diǎn)如圖4所示。為了簡化計(jì)算，取單個輪子和軌道進(jìn)行有限元分析。采用線性靜力分析來求解。

3.結(jié)構(gòu)材料及許用應(yīng)力

輪子所用材料為Q235，屈服強(qiáng)度為235Mpa，安全系數(shù)數(shù)1.5，許用應(yīng)力為156.7Mpa，該材料的彈性模量為2E5Mpa，泊松比為0.3。

4.邊界條件

約束軌道底面，車輪與軌道為接觸分析，車速為120km/h，換算角速度為79rad/s，單個車輪承受6.9t載荷，有限元模型邊界條件示意圖如圖6所示。

5.初始模型計(jì)算結(jié)果

從圖7的輪軌應(yīng)力云圖可以看出，輪軌接觸時(shí)最大應(yīng)力值為223Mpa，并且產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明接觸區(qū)域較小，且超出了材料的許用應(yīng)力，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

6 輪軌優(yōu)化

將軌道型面作為輪子優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考量，為了減小接觸區(qū)域的應(yīng)力，可通過改變輪面型面曲線參數(shù)，由于和輪子接觸的軌道的接觸區(qū)域型面曲線較為平滑，為了增大輪軌的接觸面，且使輪軌在運(yùn)行中更平穩(wěn)，可使輪子型面曲率變化的更平滑，且平滑的過度到曲率為0，不出現(xiàn)曲率方向反向的突變點(diǎn)。

圖9為優(yōu)化后的輪軌應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，輪軌接觸時(shí)最大應(yīng)力值為110.6Mpa，優(yōu)化后輪面最大應(yīng)力約降低了50%，強(qiáng)度滿足要求。

7結(jié)論

本文通過對60E1輪軌型面的優(yōu)化分析，提高了輪軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使輪軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。同時(shí)通過采用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算和分析，為以后輪軌的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。

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（作者單位：中航工程集成設(shè)備有限公司）