某型高鐵踏面廓形輪軌接觸特性的對(duì)比分析

王興遠(yuǎn),沈 鋼,董強(qiáng)強(qiáng),毛 鑫

(1.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804;2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動(dòng)車(chē)段,上海 201812)

輪軌系統(tǒng)是鐵路交通運(yùn)輸?shù)暮诵?列車(chē)的啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)都需要依靠輪軌力實(shí)現(xiàn)[1],因此輪軌的接觸特性會(huì)影響列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能、安全性能及經(jīng)濟(jì)效益[2]。車(chē)輪踏面出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致輪軌接觸特性惡化,主要解決方案為鏇輪或換輪。在輪對(duì)日常維護(hù)中,車(chē)輪踏面探傷設(shè)備一旦探測(cè)到有裂紋存在便需要進(jìn)行鏇輪。我國(guó)某型高速動(dòng)車(chē)組在實(shí)際運(yùn)用中,車(chē)輛運(yùn)行20～25萬(wàn)km時(shí)就需要鏇輪,部分車(chē)輪踏面甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的內(nèi)部裂紋擴(kuò)展,深度一般為8～10 mm。為消除疲勞裂紋,鏇輪深度高達(dá)10 mm,因?yàn)樘っ娴淖畲箧涊喠績(jī)H30 mm左右,新輪鏇修2～3次就需要更換。因此每年對(duì)于輪對(duì)踏面維護(hù)的投入很多,大大增加了高速鐵路的運(yùn)營(yíng)成本。為了解決這一問(wèn)題,必須對(duì)該型動(dòng)車(chē)組踏面[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“現(xiàn)用踏面”)的輪軌接觸特性進(jìn)行深入研究。

1 計(jì)算現(xiàn)用踏面輪軌接觸點(diǎn)

輪軌接觸點(diǎn)的位置對(duì)于車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能及車(chē)輪的使用壽命具有重要影響,若輪軌接觸點(diǎn)分布位置過(guò)于集中,車(chē)輪磨耗趨于集中,會(huì)加快其滾動(dòng)接觸疲勞;若輪軌接觸點(diǎn)分布位置過(guò)于分散,又會(huì)影響車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能,甚至影響車(chē)輛運(yùn)行安全[4]。因此首先計(jì)算現(xiàn)用踏面與我國(guó)高速鐵路主要使用的60軌和60N軌[5]的幾何接觸分布特性。

計(jì)算結(jié)果如圖1所示,現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的零位接觸點(diǎn)偏向鋼軌內(nèi)側(cè)約6～7 mm,輪對(duì)橫移量±4 mm范圍內(nèi)的軌面接觸點(diǎn)偏移僅2～3 mm,按接觸斑半軸7.5～10 mm計(jì)算,光帶的寬度為17～23 mm。

圖1 現(xiàn)用踏面與60軌、60N軌的接觸點(diǎn)

2 計(jì)算現(xiàn)用踏面輪軌接觸應(yīng)力

輪軌滾動(dòng)接觸應(yīng)力是輪軌接觸破壞的主要原因,而最大接觸應(yīng)力是輪軌破壞的決定性因素[6]。為進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的接觸是否存在應(yīng)力集中,采用有限元軟件Abaqus建立輪軌接觸模型[7],如圖2所示。

圖2 輪軌接觸模型

考慮實(shí)際輪軌接觸區(qū)域僅存在于接觸斑處,且輪對(duì)僅有車(chē)體載荷垂向向下,因此建立半輪對(duì)模型,半徑為460 mm。三維鋼軌實(shí)體由其二維廓形拉伸而成,同樣考慮輪軌接觸斑,建立鋼軌長(zhǎng)度為80 mm,鋼軌底面全約束,鋼軌縱向兩端面自由度被約束。在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)輪對(duì)中部接觸扇形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,輪對(duì)的載荷及約束通過(guò)耦合輪對(duì)中心點(diǎn)的方式施加,考慮該型動(dòng)車(chē)組的軸重為17 t,因此施加的載荷為85 000 N。

首先,對(duì)現(xiàn)用踏面分別與2種鋼軌在零位時(shí)的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 零位時(shí)現(xiàn)用踏面輪軌接觸應(yīng)力云圖

由圖3可知,當(dāng)處于零位時(shí),現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的最大接觸應(yīng)力在1 000 MPa左右,且最大應(yīng)力區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)狀,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

隨后對(duì)輪對(duì)在-10～10 mm橫移量下,分別對(duì)踏面與60軌、60N鋼軌的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,整理數(shù)據(jù)繪制最大輪軌接觸應(yīng)力與橫移量關(guān)系如圖4所示。

圖4 現(xiàn)用踏面與60軌、60N軌在不同橫移量下的最大輪軌接觸應(yīng)力

由圖4可知,現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的最大輪軌接觸應(yīng)力一般在1 000 MPa左右,特別是在滾動(dòng)圓附近,最大輪軌接觸應(yīng)力一般高于1 000 MPa。如此高的接觸應(yīng)力且滾動(dòng)圓附近存在應(yīng)力集中,極易出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 W01GT3型踏面廓形介紹

針對(duì)某型動(dòng)車(chē)組現(xiàn)用踏面輪軌接觸出現(xiàn)的問(wèn)題,本文介紹了一種W01GT3型踏面,此踏面廓形由同濟(jì)大學(xué)沈鋼等根據(jù)實(shí)測(cè)鋼軌平均典型廓形的高鐵踏面設(shè)計(jì)而來(lái)[8]。圖5為W01GT3型踏面與現(xiàn)用踏面的外形對(duì)比圖,以踏面名義滾動(dòng)圓處為共同原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,可見(jiàn)2種廓形由輪緣頂至橫坐標(biāo)為-54.2～+4.6 mm區(qū)段幾乎一樣。如圖6所示,在-54.2～+4.6 mm區(qū)段的法向差異均值為0.042 9 mm,方差為0.127 0 mm,并可見(jiàn)是波動(dòng)的。圖7為+4.6～+64.2 mm區(qū)段的法向差異,可見(jiàn)在+4.6 mm處有一明顯的傾斜,然后是一個(gè)等高抬升,數(shù)值在0.9 mm左右。

圖5 W01GT3型踏面與現(xiàn)用踏面廓形對(duì)比

圖6 -54.2～+4.6 mm區(qū)段的法向差異

圖7 +4.6～+64.2 mm區(qū)段的法向差異

4 W01GT3型踏面輪軌接觸點(diǎn)計(jì)算

圖8為W01GT3型踏面分別與60軌、60N軌的輪軌接觸點(diǎn)分布,軌底坡為1∶40,軌距為1 435 mm。可見(jiàn),接觸點(diǎn)零位在鋼軌軌頂中部,當(dāng)橫移量在±4 mm范圍內(nèi)時(shí),軌頂接觸點(diǎn)偏移量在10 mm左右,優(yōu)于同等橫移量下現(xiàn)用踏面的2～3 mm。仍按接觸斑半軸為7.5～10 mm計(jì)算,光帶寬度應(yīng)該為25～30 mm,同樣優(yōu)于同等橫移量下現(xiàn)用踏面的17～23 mm。

圖8 W01GT3型踏面與60軌、60N軌的輪軌接觸點(diǎn)

5 2種踏面輪軌接觸應(yīng)力對(duì)比

采用前述同樣的方法在Abaqus軟件中建立踏面為W01GT3型半輪對(duì)模型,對(duì)踏面分別與2種鋼軌在零位時(shí)的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 零位時(shí)W01GT3型踏面輪軌接觸應(yīng)力云圖

W01GT3型踏面與2種鋼軌的最大接觸應(yīng)力為500 MPa,僅為現(xiàn)用踏面最大接觸應(yīng)力的一半,最大應(yīng)力區(qū)域?yàn)闂l狀或兩點(diǎn),應(yīng)力水平較小且沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

隨后對(duì)輪對(duì)在-10～10 mm橫移量下,分別對(duì)踏面與60軌、60N軌的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,整理數(shù)據(jù)繪制最大輪軌接觸應(yīng)力與輪對(duì)橫移量關(guān)系,如圖10所示。為方便對(duì)比,圖10中同時(shí)繪制了現(xiàn)用踏面的計(jì)算結(jié)果。

圖10 最大輪軌接觸應(yīng)力與輪對(duì)橫移量的關(guān)系

由圖10可得:

(1) 當(dāng)鋼軌為60N軌時(shí),輪對(duì)橫移量由-10～10 mm變化過(guò)程中,現(xiàn)用踏面最大輪軌接觸應(yīng)力在1 000 MPa左右,變化幅度不大;W01GT3型踏面在名義滾動(dòng)圓及左側(cè)接觸時(shí),最大應(yīng)力約為500 MPa,當(dāng)輪對(duì)向兩側(cè)移動(dòng)時(shí),輪軌接觸應(yīng)力逐漸變大,且當(dāng)輪對(duì)橫移量為負(fù)即輪緣貼近鋼軌時(shí)的接觸應(yīng)力,要比輪對(duì)向右橫移即輪緣遠(yuǎn)離鋼軌時(shí)的接觸應(yīng)力大。

(2) 當(dāng)鋼軌為60軌時(shí),輪對(duì)橫移量由-10～10 mm變化過(guò)程中,現(xiàn)用踏面的最大輪軌接觸應(yīng)力總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì),W01GT3型踏面則在名義滾動(dòng)圓附近的最大接觸應(yīng)力最小,向兩端移動(dòng)后接觸應(yīng)力增大。當(dāng)輪對(duì)橫移量為負(fù)時(shí),接觸應(yīng)力變化較大,但仍低于現(xiàn)用踏面接觸應(yīng)力。

(3) 無(wú)論是60軌還是60N軌,W01GT3型踏面在輪緣貼近鋼軌時(shí)的輪軌接觸應(yīng)力大于輪緣遠(yuǎn)離鋼軌時(shí)的輪軌接觸應(yīng)力;W01GT3型踏面與鋼軌的最大接觸應(yīng)力均小于現(xiàn)用踏面,特別是在名義滾動(dòng)圓附近,W01GT3型踏面的最大接觸應(yīng)力僅為現(xiàn)用踏面的一半。分析原因認(rèn)為:W01GT3型踏面輪軌接觸面積明顯大于現(xiàn)用踏面,導(dǎo)致同樣的載荷下W01GT3型踏面的接觸應(yīng)力比現(xiàn)用踏面小。

6 基于Fatigue的疲勞裂紋萌生壽命對(duì)比

根據(jù)以上應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,將零位時(shí)有限元模型及計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入疲勞分析軟件MSC.Fatigue,計(jì)算直線工況下的疲勞裂紋萌生壽命[9]。設(shè)置載荷縮放因子為1,即保持Abaqus里的載荷設(shè)置,載荷譜時(shí)間歷程如圖11所示。設(shè)置材料屬性為楊氏模量2.07×105MPa,抗拉強(qiáng)度895 MPa,滿足鐵路車(chē)輪用鋼材料分析要求[10],分析結(jié)果如圖12所示。因W01GT3型踏面與60N軌的接觸部分云圖為細(xì)長(zhǎng)狀,為方便觀察,圖12(d)所示接觸部分云圖的縱向長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度比例為3∶1。

圖11 載荷譜時(shí)間歷程

圖12 疲勞裂紋萌生壽命云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,直線工況下,現(xiàn)用踏面與60軌匹配的疲勞裂紋萌生壽命為1.27×106次循環(huán),大約為3 671 km;與60N軌匹配時(shí)為1.76×106次循環(huán),約為5 086 km。W01GT3型踏面與60軌匹配的疲勞裂紋萌生壽命為1.10×107次循環(huán),與60N軌匹配時(shí)為1.01×107次循環(huán),約為27 000 km。可知,現(xiàn)用踏面的云圖呈塊狀,W01GT3型踏面的云圖呈長(zhǎng)條狀,分別與其應(yīng)力云圖結(jié)果一致。直線工況下,W01GT3型踏面的疲勞裂紋萌生壽命遠(yuǎn)高于現(xiàn)用踏面,具有優(yōu)良的疲勞性能。

7 總結(jié)

我國(guó)某型高速動(dòng)車(chē)組現(xiàn)用踏面與60軌、60N軌的輪軌接觸應(yīng)力較大,且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。相比于現(xiàn)用踏面,W01GT3型踏面能夠改善輪軌接觸點(diǎn)分布,降低應(yīng)力集中,提升疲勞裂紋萌生壽命。針對(duì)此型高鐵輪對(duì)踏面鏇修維護(hù)時(shí),建議改變?cè)胁呗?將廓形模板定義與W01GT3型踏面相近,以提高疲勞壽命。