張 卓,田建輝,馬國亮,魯星星
(西安工業(yè)大學 機電工程學院,西安 710021)
城市軌道交通憑借其占用空間小、運量大、速度快、安全性高等優(yōu)點,成為人們?nèi)粘3鲂械闹匾煌üぞ遊1]。然而,軌道交通的車輪在經(jīng)歷了高周次的疲勞載荷和復雜的磨損磨耗后,往往會出現(xiàn)輞裂、踏面剝離、多邊形效應等問題,這些問題嚴重影響列車行駛的安全性[2],在設計階段對車輪靜壓和滾動過程的接觸行為進行分析與校核至關(guān)重要。
近年來,諸多學者對輪軌接觸問題進行了仿真研究,文獻[3]建立橡膠壓剪復合型結(jié)構(gòu)彈性車輪的有限元模型并完成了彈性車輪的剛度特性驗證。文獻[4]對直線和曲線工況下各特征參數(shù)對輪軌接觸的相關(guān)度進行了比較和分析。文獻[5]采用三維彈性體非Hertz滾動接觸理論及數(shù)值程序CONTACT和三維輪軌接觸有限元模型兩種應力算法對高速車輪進行了計算。文獻[6]分析了普通鐵路在曲線處的輪軌應力變化。文獻[7]利用對輪軌接觸跳躍區(qū)域的二次掃描研究輪軌兩點接觸關(guān)系。文獻[8]利用ANSYS軟件對地鐵線路曲線段磨損狀態(tài)下的滾動接觸進行了有限元分析。文獻[9]利用一種新的輪軌耦合振動模型研究了彈性車輪對城市軌道系統(tǒng)的影響。文獻[10]建立了車軌耦合動力學模型和鋼軌非均勻磨損預測模型,分析了車輪對鋼軌磨損的影響。雖然研究者對輪軌問題從不同方面進行了討論,但是有關(guān)彈性車輪滾動分析的研究較少,究其原因是材料的非線性及滾動模擬中接觸的非線性導致結(jié)果精度不高甚至引起發(fā)散。
文中建立了輪軌接觸模型,通過理論分析與仿真結(jié)果對比,考慮非線性因素,研究了彈性車輪在靜壓和滾動狀態(tài)下的輪軌接觸特性,為進一步研究輪軌磨損、振動和多邊形效應等問題提供了參考。
輪軌接觸中,車輪和鋼軌的滾動接觸問題為典型的彈性接觸,其法向接觸壓力[11-14]為
(1)
式中:x,y為接觸位置坐標;P0為法向最大接觸壓力;a為橢圓接觸斑長半軸;b為橢圓接觸斑短半軸。由式(1)可知
(2)
其中P為軸重。輪軌在運行過程中經(jīng)過一段時間磨損,接觸斑由初始的橢圓形變?yōu)榧氶L形,此時b遠遠大于a。因此,輪軌接觸壓力為
(3)
法向最大接觸壓力為
(4)
(5)
式中:Pz為z方向單位長度的載荷;R為車輪半徑;G為當量彈性模量,且
(6)
式中:E1和E2分別為車輪和鋼軌的彈性模量;v1和v2分別為車輪和鋼軌的泊松比。由接觸斑形狀的變化可以確定a、b值,進而求出輪軌接觸壓力。
壓剪復合型彈性車輪能夠承受壓力和剪切載荷作用,是目前應用最為廣泛的彈性車輪。采用此車輪進行計算分析,車輪主要由輪輞、輪芯、固定圈和減振橡膠塊組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。保證準確反映結(jié)構(gòu)特性的前提下,清理不影響計算的小倒角等幾何特征,采用有限元軟件建立彈性車輪模型。車輪輪輞、輪芯等部件采用六面體縮減積分將單元離散,橡膠塊采用混合單元。輪軌耦合接觸的有限元模型總計328 286個節(jié)點和301 337個單元,有限元離散的模型如圖1所示。
為減小有限元計算量,對系統(tǒng)網(wǎng)格模型進行優(yōu)化,對接觸部分和彈性橡膠塊部分進行加密處理。建模過程中還考慮減振橡膠塊與輪芯、輪輞之間的接觸關(guān)系,車輪和鋼軌間采用面-面接觸,并考慮摩擦系數(shù)、法向行為和切向行為等因素。采用剛性塊替換彈性塊,建立相同尺寸的剛性車輪模型作為彈性車輪滾動模擬的對比結(jié)構(gòu)。
模型采用直徑為?840 mm的軌道車輪和60 kg·m-1的鋼軌,鋼軌的軌底坡根據(jù)國家通用標準選擇為1∶40。彈性車輪的主要組成部件除減振橡膠塊外均為金屬件,鋼軌和車輪剛性層的材料屬性見表1。
圖1 彈性車輪結(jié)構(gòu)和模型
表1 鋼軌和彈性車輪金屬件材料性能
減振橡膠塊材料為專用的NR橡膠,為體現(xiàn)橡膠材料的大應變硬化特性,計算中橡膠材料采用更能反映橡膠剛度特性的Yeoh本構(gòu)模型[15-16]。根據(jù)《整體車輪技術(shù)檢驗》(UIC 510-5),對輪軌系統(tǒng)的靜壓過程和滾動過程進行分析。車輪旋轉(zhuǎn)運動采用歐拉方法描述,車輪的變形則采用拉格朗日法描述。定義滾動分析中車輪模型的角速度,即車輪的平動速度,可以得到平衡狀態(tài)時車輪的線速度和角速度,通過速度和幅值的改變模擬車輪滾動過程中車速的變化??紤]車輛輪軌系統(tǒng)受到的軸力,在軸重為13 t時,耦合車輪中心參考點和內(nèi)表面,并施加垂直向下的集中力模擬動態(tài)過程中的軸力,通過顯式算法對車輪在鋼軌上的靜壓和滾動過程進行計算。坐標軸規(guī)定如下:沿著車輪的軸線方向為x軸,沿著鋼軌底面的垂直方向為y軸,沿著車輪的滾動方向為z軸。
隨著車輪壓滾時間的增加,輪軌系統(tǒng)逐漸不滿足輪軌接觸理論的計算條件,只計算初始階段各個時刻的最大接觸壓力理論值。
當輪軌接觸壓力P=13 t,E1=E2=210 GPa,泊松比為0.3時,最大接觸壓力的理論值和實際值見表2。其中理論值根據(jù)載荷條件和接觸斑面積計算,實際值根據(jù)仿真實驗結(jié)果測試得出。
表2 最大接觸壓力
理論計算結(jié)果與仿真實驗結(jié)果對比如圖2所示,靜壓過程結(jié)束時刻為0時刻,靜壓結(jié)束時為準靜態(tài),隨著車輪的滾動,最大接觸壓力呈現(xiàn)波動趨勢,兩種車輪的理論和實際接觸壓力曲線趨勢基本吻合;前1.5 s彈性車輪的實際接觸壓力與理論接觸壓力之間的平均誤差為1.687 MPa,剛性車輪的實際接觸壓力與理論接觸壓力之間的平均誤差為3.657 MPa,符合赫茲接觸理論的允許誤差,因此計算模型有效。
輪軌系統(tǒng)的靜壓過程為車輪受到向下的壓力與鋼軌發(fā)生接觸的過程。在剛性輪軌系統(tǒng)和彈性輪軌系統(tǒng)受到相同的壓力作用時,其接觸應力具有較大的差異。圖3為剛性車輪和彈性車輪輪軌耦合系統(tǒng)靜壓0.4 s時的應力云圖和車輪接觸部位的局部應力放大圖。靜壓過程中,隨著車輪下壓,輪軌系統(tǒng)接觸應力持續(xù)增大,靜壓過程結(jié)束時,剛性車輪系統(tǒng)最大接觸應力位于輪軌接觸位置;彈性車輪系統(tǒng)最大應力集中在彈性塊表面,且彈性塊表面最大接觸應力明顯大于輪軌接觸位置。與剛性車輪相比,彈性車輪的橡膠塊吸收了大量的變形能,輪軌接觸位置的接觸應力得到了較大程度的降低,使同樣負荷的車輪磨損降到最低。
選取耦合系統(tǒng)接觸表面處的節(jié)點A和B,輪軌接觸位置的接觸應力隨時間變化曲線如圖4所示。
圖2 最大接觸壓力比較圖
圖3 輪軌耦合靜壓0.4 s時應力云圖
圖4 輪軌表面接觸應力變化
靜壓結(jié)束后,彈性車輪系統(tǒng)在輪軌接觸面的接觸應力明顯小于剛性車輪系統(tǒng),這是因為彈性車輪內(nèi)部裝有橡膠塊,系統(tǒng)的大部分變形被橡膠塊所吸收,從而降低了接觸表面應力,一定程度上減小了輪軌系統(tǒng)的振動和磨損。
靜壓過程結(jié)束后,車輪分別以30 km·h-1和60 km·h-1的速度滾動,滾動2.5 s后停止。圖5為剛性車輪滾動過程中在0.5 s、1.5 s、2.5 s時的應力云圖。t為滾動時間。由圖5可見,最大應力主要集中在輪軌接觸表面附近。在2.5 s時,車輪輪芯出現(xiàn)了明顯的應力波動現(xiàn)象,車輪輪芯部分受力明顯,這是車輪出現(xiàn)點頭現(xiàn)象造成的。剛性車輪滾動過程中,輪軌的應力集中在輪軌接觸表面,長時間的點頭磨損后,加劇了車輪和鋼軌的磨損,加快車輪多邊形效應的形成。
圖6為彈性車輪軌道耦合系統(tǒng)的不同速度滾動時的應力云圖。
由圖6可見,最大應力主要集中在輪軌接觸位置和彈性層,彈性層顯著減小了輪軌間接觸應力的集中現(xiàn)象。彈性車輪系統(tǒng)與剛性車輪系統(tǒng)相比,有效地減少了輪軌間的摩擦磨損。
圖5 剛性車輪不同速度滾動時應力變化
圖6 彈性車輪不同速度滾動時應力變化
圖7~圖8分別為剛性車輪和彈性車輪以30 km·h-1滾動時的鋼軌表面接觸斑。從圖7~圖8中可看出,兩車輪系統(tǒng)輪軌接觸壓力和接觸形狀均隨著車輪的滾動發(fā)生變化,剛性車輪接觸斑形狀多呈現(xiàn)為點、塊狀,彈性車輪接觸斑形狀多呈現(xiàn)為條狀;接觸斑面積隨著時間增加發(fā)生波動。
彈性車輪在輪芯和輪輞之間安裝了橡膠塊,在受到外力時輪輞相對輪芯發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn),且車輪踏面和軌面的不規(guī)則形狀,導致接觸點變長,接觸面積增加,接觸斑形狀為條狀。通過接觸斑云圖,計算兩系統(tǒng)滾動狀態(tài)下鋼軌表面的接觸斑面積大小。
圖7 剛性車輪鋼軌表面接觸斑
圖8 彈性車輪鋼軌表面接觸斑
圖9為兩系統(tǒng)接觸斑面積隨滾動時間的變化,從圖9可看出,隨著滾動時間增加,車輪的接觸斑面積呈波動趨勢。
剛性車輪最大接觸壓力明顯大于彈性車輪,且位置較為集中,在長時間的摩擦磨損下,剛性車輪的磨損問題導致的磨損不均勻積累問題會更加嚴重。彈性車輪由于橡膠塊的存在,有利于減小輪軌之間的磨損,降低輪軌振動,提高車輪使用壽命。
根據(jù)車輪的運行工況和載荷條件,分析了彈性車輪和剛性車輪的壓滾特性,得到結(jié)論為
1) 靜壓過程中,彈性車輪最大應力集中在橡膠塊和外輪輞配合處,剛性車輪最大應力集中在輪軌接觸處;在輪軌接觸位置,彈性車輪的最大應力小于剛性車輪的最大應力,彈性車輪的橡膠塊對輪軌接觸表面的接觸應力起到緩沖吸能的作用。
2) 滾動過程中,剛性系統(tǒng)的輪軌表面的接觸應力波動響應較大。彈性車輪接觸斑形狀多呈現(xiàn)為條狀,剛性車輪接觸斑形狀多呈現(xiàn)為點、塊狀;彈性車輪的最大接觸壓力明顯小于剛性車輪,有效地降低了輪軌之間的磨損不均勻積累。本研究為進一步分析輪軌磨損、振動和多邊形效應提供了參考。