不同車輪型面對(duì)地鐵道岔區(qū)輪軌靜態(tài)接觸行為的影響

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610031)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮以及城市化進(jìn)程的加快，城市人口數(shù)量劇增，近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路與城市軌道交通得到了較快的發(fā)展，并受到人們的持續(xù)關(guān)注，合理的輪軌型面匹配對(duì)保證行車安全、改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、降低輪軌接觸應(yīng)力和輪軌磨耗、提高輪軌疲勞壽命等具有重要意義。張劍等[1]分析地鐵車輛常用的LM 型踏面、輪背距為1 358 mm 和1 360 mm 的S1002 型車輪踏面與60 kg/m 鋼軌的匹配特性，進(jìn)行了輪軌接觸幾何、非赫茲滾動(dòng)接觸計(jì)算等方面的研究。陶功權(quán)等[2]研究了我國(guó)地鐵車輛常用車輪型面與CHN60 鋼軌在不同軌底坡下的輪軌匹配關(guān)系，從靜力學(xué)分析的角度提出地鐵車輪型面的最優(yōu)軌底坡匹配。干鋒等[3]針對(duì)國(guó)內(nèi)客運(yùn)車輛的4 種典型踏面，計(jì)算并給出4 種踏面與CHN60 的輪軌接觸特征，為實(shí)際線路車輪磨耗跟蹤試驗(yàn)和磨耗行為研究提供了參考。邢璐璐等[4]分析對(duì)比了LM，LMA，S1002CN，LMB，LMD，XP55 車輪踏面與TB60，60D，60N鋼軌廓型匹配的接觸幾何關(guān)系，采用CONTACT方法計(jì)算輪軌接觸幾何特性。王健等[5-7]研究了高速鐵路線路中不同鋼軌與不同車輪踏面的匹配性能，包括輪軌靜態(tài)接觸特性和車輛動(dòng)力學(xué)性能。吳娜等[8]將我國(guó)高速鐵路常用車輪的原始型面及與磨耗型面分別與CHN60 鋼軌匹配，分析輪背距和搖頭角的變化對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系的影響規(guī)律。目前關(guān)于輪軌型面匹配的研究或是修改軌底坡、輪背距、搖頭角等參數(shù)，且多以區(qū)間線路為主，對(duì)道岔區(qū)輪軌接觸行為的探討較少。地鐵道岔尖軌等薄弱部件使用壽命短，正常使用半年至一年就需更換，鋼軌磨耗和表面滾動(dòng)接觸疲勞等傷損問(wèn)題嚴(yán)重，相關(guān)研究亟待開(kāi)展。基于歷史原因，我國(guó)地鐵車輛車輪踏面除大部分采用LM 型磨耗踏面外，也有不少采用歐洲S1002踏面和德國(guó)DIN5573踏面的情況，例如：孫君玉[9]報(bào)道了上海地鐵一號(hào)線采用輪背距為1 358 mm 的S1002 踏面；黃運(yùn)華等[10-11]報(bào)道了廣州地鐵三號(hào)線有采用輪背距為1 353 mm 的DIN5573 踏面的情況。輪背距的改變實(shí)質(zhì)上改變了輪軌名義間隙，也改變了輪軌型面的匹配關(guān)系。本文作者研究我國(guó)地鐵常用的車輪型面LM，S1002，DIN5573對(duì)地鐵9號(hào)單開(kāi)道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌靜態(tài)接觸行為的影響。通過(guò)評(píng)估、比選最優(yōu)的岔區(qū)輪軌型面匹配組合，可為后期的車輪型面設(shè)計(jì)及璇修、鋼軌廓形優(yōu)化等提供依據(jù)。其中LM 和DIN5573 型面輪背距為1 353 mm，S1002 型面輪背距為1 358 mm，共3 種匹配關(guān)系(以下簡(jiǎn)記為L(zhǎng)M，DIN5573，S1002)；9 號(hào)道岔全長(zhǎng)28.3 m，其中前長(zhǎng)12.57 m，后長(zhǎng)15.73 m，曲線型尖軌轉(zhuǎn)轍器基本軌為國(guó)產(chǎn)CHN60 鋼軌，采用10.68 m的60AT彈性可彎尖軌，曲線尖軌線型為相離半切線型，尖軌尖端為藏尖式，導(dǎo)曲線半徑為200 m。

1 道岔轉(zhuǎn)轍器廓形

通過(guò)等距離散提取地鐵9號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器特征斷面廓形，獲得各離散點(diǎn)坐標(biāo)；結(jié)合道岔鋼軌頂寬及降低值變化規(guī)律，沿縱向線性插值可獲得任意位置的道岔廓形。本文所取曲尖軌和直尖軌的軌頂廓形相同，尖軌頂面降低值與頂寬變化規(guī)律相同，只是距尖軌尖端距離不同。圖1所示為按尖軌頂面寬度給出在典型斷面處道岔尖軌與基本軌的組合廓形圖。

2 輪軌接觸幾何分析

輪軌接觸幾何關(guān)系是分析輪軌相互作用、輪軌磨耗、車輛動(dòng)力學(xué)、輪軌滾動(dòng)接觸疲勞等研究的基礎(chǔ)。輪軌接觸幾何分析時(shí)，車輪名義滾動(dòng)圓半徑為420 mm，軌距為1 435 mm，未設(shè)軌底坡。

2.1 輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布

基于經(jīng)典跡線法[12-13]的基本原理，圖2所示為在頂寬20，35和50 mm這3個(gè)典型斷面處3種車輪型面在道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布。考慮輪對(duì)橫移量為-12～12 mm，其中橫移量為正表示向尖基軌組合廓形側(cè)移動(dòng)。不考慮搖頭角。

輪軌接觸點(diǎn)對(duì)的分布對(duì)車輪過(guò)岔的靜態(tài)性能具有重要的影響，接觸點(diǎn)過(guò)于集中會(huì)使車輪、鋼軌磨耗集中，對(duì)車輪、鋼軌的使用壽命不利；接觸點(diǎn)位置分布過(guò)于分散則會(huì)降低車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性[14]。

車輪進(jìn)入道岔轉(zhuǎn)轍器時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)隨尖軌頂寬的增加逐步由基本軌過(guò)渡到尖軌上。輪對(duì)橫移較小時(shí)，尖基軌側(cè)發(fā)生踏面接觸，輪對(duì)橫移增加到8～10 mm 后發(fā)生輪緣接觸，發(fā)生踏面接觸的橫移范圍以DIN5573 最大，為-12～10 mm，LM 次之，為-12～9.5 mm，S1002 最小，為-12～7.5 mm。同一車輪在不同尖軌斷面處，尖基軌側(cè)發(fā)生輪緣接觸的輪對(duì)橫移范圍基本不變。

圖2 道岔尖軌典型斷面處輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布圖Fig.2 Distribution of position of wheel-rail contact point at typical sections of switch rails in turnout

DIN5573 和S1002 車輪接觸點(diǎn)對(duì)分布較集中，車輛過(guò)岔穩(wěn)定性較好，LM車輪過(guò)岔接觸點(diǎn)對(duì)分布較分散，分布寬度較大，鋼軌磨耗較均勻，利于道岔區(qū)鋼軌的長(zhǎng)期服役。

2.2 道岔轉(zhuǎn)轍器的結(jié)構(gòu)不平順

道岔的頂寬和降低值隨縱向里程的變化為道岔區(qū)固有結(jié)構(gòu)不平順。輪對(duì)以零橫移量及零搖頭角通過(guò)道岔變截面鋼軌時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)橫向和豎向位置的變化分別稱為道岔橫向不平順和豎向不平順。計(jì)算時(shí)大致按頂寬間隔3 mm 選取特征斷面，圖3所示為不同車輪過(guò)岔時(shí)鋼軌上的橫向不平順和豎向不平順。

圖3 鋼軌接觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不平順Fig.3 Structural irregularity at contact point of rail

輪載過(guò)渡前，鋼軌上橫向不平順隨著輪對(duì)向尖基軌側(cè)橫移呈線性增加的趨勢(shì)，最大值可達(dá)34～40 mm，在輪載過(guò)渡時(shí)迅速降低然后波動(dòng)放緩?？蓳?jù)此判斷，對(duì)中狀態(tài)下過(guò)岔時(shí)，LM 在尖軌頂寬35 mm附近實(shí)現(xiàn)輪載過(guò)渡，DIN5573及S1002分別在尖軌頂寬39 mm 和41 mm 附近實(shí)現(xiàn)輪載過(guò)渡，比LM 延后了4～6 mm 的尖軌頂寬。在尖軌頂寬40 mm 以后，3 種車輪不平順趨于穩(wěn)定，由于CHN60 鋼軌與60AT 軌廓形的微小差異，3 種車輪的不平順均未能達(dá)到0 mm 附近，其中LM 橫向不平順?lè)递^小，在3～6 mm 之間波動(dòng)，DIN5573 及S1002 橫向不平順?lè)謩e在12 mm 和15 mm 附近波動(dòng)。

在輪載過(guò)渡前，鋼軌上的接觸點(diǎn)豎向變化不大；輪載過(guò)渡時(shí)鋼軌上的接觸點(diǎn)迅速降低，其中LM 跳躍最大，約為1.4 mm，DIN5573 和S1002 跳躍幅度較小，分別為0.7 mm和0.5 mm。

較大的不平順會(huì)加劇輪軌振動(dòng)，降低過(guò)岔平穩(wěn)性。結(jié)合鋼軌上的橫向不平順和豎向不平順?lè)治隹芍?，DIN5573車輪結(jié)構(gòu)不平順?lè)岛筒▌?dòng)速率較小，過(guò)岔穩(wěn)定性較優(yōu)。

2.3 輪軌接觸幾何參數(shù)

2.3.1 輪軌接觸角差

輪軌接觸角為過(guò)輪軌接觸點(diǎn)的公切線與車軸中心線的夾角。輪軌接觸角影響輪軌蠕滑力的分配、輪軌疲勞損傷和磨耗等。輪對(duì)通過(guò)尖軌頂寬35 mm處輪軌接觸角差的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 接觸角差隨輪對(duì)橫移量的變化Fig.4 Variation of wheel-rail contact angle difference with lateral displacement of wheel

踏面接觸時(shí)，隨著輪對(duì)向尖基軌側(cè)橫移，接觸角差變化很小，輪對(duì)較平穩(wěn)；輪緣貼靠后接觸角差可迅速增加60°～69°，然后接觸角差隨輪對(duì)橫移量繼續(xù)增大而降低10°～25°。接觸角差的突變表明踏面接觸轉(zhuǎn)為輪緣接觸，與上述分析輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布所得規(guī)律相同。

2.3.2 踏面等效錐度

等效錐度是反映輪對(duì)恢復(fù)對(duì)中性能、曲線通過(guò)能力和蛇行失穩(wěn)的關(guān)鍵參數(shù)之一，被廣泛用于表征輪軌接觸幾何特征。文獻(xiàn)[15]推導(dǎo)出直、側(cè)股過(guò)岔時(shí)車輪踏面等效錐度與輪對(duì)橫移及尖軌頂寬之間的關(guān)系：

式中：λw為車輪踏面等效錐度；下標(biāo)L和R分別表示左、右輪軌接觸；rL和rR為瞬時(shí)滾動(dòng)圓半徑；yw為輪對(duì)橫移量；dR為轉(zhuǎn)轍器不同斷面處尖軌的頂面寬度。

尖軌頂寬較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的等效錐度甚至無(wú)法計(jì)算。圖5所示為在尖軌頂寬35 mm和50 mm處等效錐度隨輪對(duì)橫移量的變化曲線。

當(dāng)輪對(duì)橫移量為0～7 mm時(shí)，等效錐度幾乎為0。隨著輪對(duì)向尖基軌側(cè)橫移增加，等效錐度不斷增加，輪緣接觸后迅速增加。同一斷面處在橫移量較小(0～4 mm)或大(7～12 mm)時(shí)，S1002 過(guò)岔踏面等效錐度較大，LM次之，DIN5573最小。同一車輪踏面在不同尖軌斷面處的等效錐度差異主要由尖軌頂寬決定。以等效錐度評(píng)價(jià)，DIN5573車輪直向過(guò)岔時(shí)輪對(duì)的穩(wěn)定性較好，更有利于提高其車輛過(guò)岔臨界速度，S1002車輪側(cè)向過(guò)岔時(shí)通過(guò)能力較強(qiáng)。

2.3.3 輪軌接觸蠕滑率

文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)了輪軌之間的蠕滑率計(jì)算公式，在略去高階微量后為：

式中：ξxL,R，ξyL,R和ξnL,R分別為輪軌的縱向、橫向和自旋蠕滑率；δL,R，φ和ψ分別為輪對(duì)接觸角、側(cè)滾角和搖頭角；和分別為輪對(duì)橫移速度、側(cè)滾速度和搖頭速度；w0為名義轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，w0=v0/r0；v0為車輪的名義速度；r0為輪軌接觸名義滾動(dòng)圓半徑；l0為輪對(duì)處于軌道中央位置初始滾動(dòng)圓至輪心的距離；ΔL,R為接觸點(diǎn)在車輪踏面上的橫移量。

本文中輪對(duì)搖頭角、搖頭角速度、輪對(duì)橫移速度均為0。因在不同斷面處求得的規(guī)律較一致，圖6所示為在尖軌頂寬35 mm時(shí)尖基軌側(cè)的縱向蠕滑率和自旋蠕滑率隨輪對(duì)橫移量的變化曲線圖。

輪軌縱向蠕滑率決定了輪對(duì)曲線通過(guò)能力，主要受踏面接觸點(diǎn)滾動(dòng)圓半徑影響。踏面接觸時(shí)，隨著車輪向尖基軌側(cè)橫移，DIN5573和S1002過(guò)岔時(shí)的縱向蠕滑率基本不變，穩(wěn)定在0.001 0～0.001 6之間；LM在橫移量較小(0～6 mm)時(shí)，縱向蠕滑率較小，穩(wěn)定在-0.001；輪對(duì)繼續(xù)向尖基軌側(cè)橫移時(shí)，縱向蠕滑率的絕對(duì)值開(kāi)始不斷增加，至踏面接觸前可增加至-0.011。輪緣接觸后，尖基軌側(cè)車輪滾動(dòng)圓半徑迅速增大，3種車輪縱向蠕滑率的絕對(duì)值急劇增加，最后增加至0.047～0.055，輪緣和鋼軌的側(cè)磨加劇。

自旋蠕滑率主要影響輪軌縱向力和橫向力。自旋蠕滑率的變化規(guī)律與輪軌接觸角的相同。踏面接觸時(shí)，3種車輪過(guò)岔時(shí)自旋蠕滑率的變化規(guī)律與縱向蠕滑率的相似。輪緣接觸后，接觸角差迅速增大，導(dǎo)致縱向蠕滑率的絕對(duì)值迅速增大，最大可達(dá)2.19～2.24；隨著橫移量的繼續(xù)增加，自旋蠕滑率的絕對(duì)值小幅度減小。

圖6 蠕滑率隨輪對(duì)橫移量的變化Fig.6 Variation of creep rate with lateral displacement of wheel

3 三維非赫茲滾動(dòng)接觸

KALKER[17-19]推導(dǎo)并提出了三維彈性體非赫茲滾動(dòng)接觸理論，在這一理論的基礎(chǔ)上，編制數(shù)值程序CONTACT，這一理論能夠在滿足假設(shè)條件下，計(jì)算任意輪軌廓形接觸條件下的滾動(dòng)接觸信息。

本文利用KALKER[3]的三維非赫茲滾動(dòng)接觸理論，對(duì)比分析3種地鐵車輪型面匹配通過(guò)道岔時(shí)的輪軌滾動(dòng)接觸時(shí)接觸斑形狀、面積和法向接觸應(yīng)力。輪軌滾動(dòng)接觸模型中的關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)如下：輪對(duì)軸質(zhì)量為12.6 t，輪軌材料的剪切彈性模量為82 GPa，材料泊松比為0.28，輪軌靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.30 和0.29，車輪滾動(dòng)速度為120 km/h。

3.1 輪載過(guò)渡接觸斑分布

為詳細(xì)描述輪載過(guò)渡時(shí)的接觸斑形狀、位置、面積及法向接觸應(yīng)力變化，以橫移量6 mm 為例，圖7所示為3種車輪型面在不同尖軌斷面處尖基軌側(cè)的接觸斑形狀、位置及法向接觸應(yīng)力分布圖。圖7中，X為尖軌斷面頂寬，Y為距軌道中心線的距離，接觸斑下數(shù)值表示最大法向接觸應(yīng)力(單位為MPa)。

輪載過(guò)渡前，3種車輪在尖基軌上的接觸斑形狀相似，都為橢圓形，形狀穩(wěn)定，法向接觸應(yīng)力分布較均勻，最大法向接觸應(yīng)力隨尖軌頂寬增加而增大。在輪載過(guò)渡斷面附近，LM 及S1002 出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸，接觸斑同時(shí)分布于基本軌和尖軌上。輪載過(guò)渡后，接觸斑面積突然增大，最大法向接觸應(yīng)力降低，然后隨尖軌頂寬增加而波動(dòng)，LM及DIN5573最大法向接觸應(yīng)力的位置靠近尖軌的非工作邊而S1002靠近尖軌的工作邊。

3 種車輪過(guò)岔時(shí)，LM 最早實(shí)現(xiàn)輪載過(guò)渡，DIN5573和S1002大約同時(shí)過(guò)渡，輪載過(guò)渡位置延后，與上述對(duì)中狀態(tài)下探尋的規(guī)律一致。輪載過(guò)渡前后，與LM 相比，S1002 接觸斑形狀較穩(wěn)定，受力較均勻，但LM 過(guò)岔最大法向接觸應(yīng)力較小。DIN5573接觸斑形狀改變較大，最大法向接觸應(yīng)力較大，是其余2 種車輪過(guò)岔時(shí)的2.4～2.5 倍，且輪載過(guò)渡時(shí)接觸斑面積較小，不利于車輪過(guò)岔。

3.2 接觸斑面積及最大法向接觸應(yīng)力

輪軌型面的不同會(huì)引起輪軌滾動(dòng)接觸時(shí)接觸面積和接觸應(yīng)力的變化。圖8和圖9所示分別為在不同斷面處，尖基軌側(cè)的接觸斑面積和最大法向接觸應(yīng)力隨輪對(duì)橫移量的變化規(guī)律。

圖7 尖基軌側(cè)接觸斑形狀、位置及接觸應(yīng)力分布圖Fig.7 Shape and position of contact spot and distribution of contact stress on combined side of switch rail and stock rail

圖8 接觸斑面積隨輪對(duì)橫移量的變化Fig.8 Variation of contact spot area with lateral displacement of wheel

圖9 最大法向接觸應(yīng)力隨輪對(duì)橫移量的變化Fig.9 Variation of maximum normal contact stress with lateral displacement of wheel

從圖8可知：踏面接觸時(shí)，在尖軌頂寬20 mm截面處，3 種車輪過(guò)岔接觸斑面積在60～85 mm2之間波動(dòng)，受橫移量的影響最小。在尖軌頂寬35 mm處，3種車輪過(guò)岔接觸斑面積最小，在輪對(duì)橫移較小(0～6 mm)時(shí)，與其余2種車輪相比，DIN5573接觸斑面積最小，最小時(shí)僅有33 mm2，較小的接觸斑面積會(huì)導(dǎo)致較大的接觸應(yīng)力，表明DIN5573 直向過(guò)岔力學(xué)性能較差。LM車輪在尖軌頂寬35 mm斷面處橫移為4.5 mm 時(shí)和S1002 車輪在頂寬50 mm 斷面處橫移為7.0 mm 時(shí)，輪軌兩點(diǎn)接觸，接觸斑面積發(fā)生突變。

輪緣接觸時(shí)，接觸斑面積突然下降，至30 mm2左右，趨于穩(wěn)定。這也是導(dǎo)致最大法向接觸應(yīng)力急劇增大的主要原因。

最大法向接觸應(yīng)力的變化規(guī)律大致與接觸斑面積的變化相反。

從圖9可知：踏面接觸時(shí)，3 種車輪過(guò)岔時(shí)在尖軌頂寬20 mm斷面處最大法向接觸應(yīng)力最穩(wěn)定，在1 000～1 600 MPa 之間；在尖軌頂寬35 mm 斷面處，DIN5573最大法向接觸應(yīng)力較大，在橫移量為0～5 mm 時(shí)達(dá)到在其余2 個(gè)斷面處的2～4 倍。結(jié)合其接觸斑形狀可知：DIN5573過(guò)岔時(shí)在不同斷面處受力不穩(wěn)定、在同一尖軌斷面處法向接觸應(yīng)力分布不均勻，其接觸力學(xué)性能較差。

由踏面接觸轉(zhuǎn)為輪緣接觸時(shí)，3種車輪的最大法向接觸應(yīng)力均發(fā)生3～5 倍的突變，峰值可達(dá)5 400～5 600 MPa，此時(shí)，3種車輪的最大法向接觸應(yīng)力相差不大。

LM 及S1002 過(guò)岔時(shí)在不同斷面受力情形相似，最大法向接觸應(yīng)力一般不超過(guò)2 400 MPa，輪對(duì)橫移較小(0～5 mm)時(shí)，S1002的最大法向接觸應(yīng)力相對(duì)較小，但在橫移量適中(5.5～9.5 mm)時(shí)，S1002的最大法向接觸應(yīng)力相對(duì)較大且較早出現(xiàn)輪緣接觸，表明S1002 車輪直向過(guò)岔時(shí)力學(xué)性能較好，LM車輪側(cè)向過(guò)岔時(shí)力學(xué)性能更優(yōu)。

3.3 滾動(dòng)接觸疲勞因子

輪軌滾動(dòng)接觸疲勞是造成輪軌傷損的主要原因之一，直接影響輪軌的使用壽命。文獻(xiàn)[20]基于安定理論提出一個(gè)預(yù)測(cè)鐵路輪軌表面滾動(dòng)接觸疲勞的模型，認(rèn)為滾動(dòng)接觸疲勞的發(fā)生發(fā)展依賴于接觸斑上的壓力和蠕滑力，若應(yīng)力超過(guò)材料的安定極限，輪軌表面便會(huì)有塑性變形累積，最終形成裂紋。輪軌表面滾動(dòng)接觸疲勞主要通過(guò)損傷指數(shù)(FIsurf)來(lái)評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為:

式中：Fx，F(xiàn)y和Fz分別為橫向、縱向蠕滑力及法向力，kN；A為接觸斑面積，mm2；k為輪軌材料的剪切屈服強(qiáng)度，本文取值為300 MPa。

表面疲勞因子大于0，說(shuō)明進(jìn)入了材料滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)，易在輪軌表面形成疲勞裂紋。在不同斷面處，尖基軌側(cè)表面滾動(dòng)接觸疲勞因子的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

3種車輪過(guò)岔時(shí)，若為踏面接觸，輪軌表面疲勞因子均未達(dá)到材料的滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)，DIN5573車輪在尖軌頂寬35 mm 位置，即輪載過(guò)渡至尖軌前，比其他車輪更容易發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞傷損。當(dāng)由踏面接觸轉(zhuǎn)為輪緣接觸后，3種車輪過(guò)岔時(shí)均進(jìn)入了材料的滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)?；诒砻嫫谝蜃又笜?biāo)，S1002 車輪表面疲勞傷損的可能性最高，尤其在側(cè)向過(guò)岔時(shí)，塑性變形積累較大，易發(fā)生疲勞破壞。同時(shí)，應(yīng)避免輪緣接觸的發(fā)生，降低表面疲勞傷損的可能。

圖10 表面滾動(dòng)疲勞因子隨輪對(duì)橫移量的變化Fig.10 Variation of surface rolling fatigue factor with lateral displacement of wheel

4 結(jié)論

1)3種車輪過(guò)岔時(shí)，DIN5573車輪接觸點(diǎn)對(duì)分布最為集中，結(jié)構(gòu)不平順?lè)递^小，直向過(guò)岔穩(wěn)定性較好；LM車輪接觸點(diǎn)對(duì)分布較分散，分布寬度較大，鋼軌磨耗較均勻，利于道岔區(qū)鋼軌的長(zhǎng)期服役；S1002車輪側(cè)向過(guò)岔通過(guò)能力較強(qiáng)。

2)對(duì)中狀態(tài)下，LM 車輪在尖軌頂寬34～36 mm 處實(shí)現(xiàn)輪載過(guò)渡，過(guò)渡最早；DIN5573 及S1002分別在尖軌頂寬38～40 mm和40～42 mm處實(shí)現(xiàn)輪載過(guò)渡，較之LM 車輪尖軌頂寬延后了4～6 mm。

3)踏面接觸時(shí)3種車輪過(guò)岔力學(xué)特性較好；輪緣接觸后，接觸斑面積和最大法向接觸應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變，力學(xué)特性顯著惡化。DIN5573車輪過(guò)岔時(shí)接觸力學(xué)特性最差，S1002車輪直向過(guò)岔力學(xué)特性較好，LM車輪側(cè)向過(guò)岔力學(xué)特性更優(yōu)。

4)避免輪緣貼靠可有效降低表面接觸疲勞傷損的可能性。S1002車輪過(guò)岔時(shí)表面疲勞傷損的可能性最高，塑性變形積累較大，易發(fā)生疲勞破壞。DIN5573 車輪在尖軌頂寬35 mm 位置，即輪載過(guò)渡至尖軌前，比其他車輪更容易發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞傷損。

5)不同車輪型面通過(guò)地鐵9號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器時(shí)對(duì)輪軌靜態(tài)接觸行為有較明顯的影響。LM車輪踏面與CHN60 鋼軌匹配通過(guò)道岔轉(zhuǎn)轍器時(shí)靜態(tài)接觸性能最優(yōu)；S1002車輪側(cè)向過(guò)岔時(shí)通過(guò)能力較強(qiáng)，接觸力學(xué)特性較好；DIN5573車輪直向過(guò)岔時(shí)輪對(duì)的穩(wěn)定性較好但其左右車輪接觸應(yīng)力差別很大，且最大法向接觸應(yīng)力太大，對(duì)道岔區(qū)鋼軌磨耗、疲勞均會(huì)產(chǎn)生不利影響，綜合匹配性能最差。