货车车轮与重载道岔曲尖轨的接触分析

江荷燕，张 军，张 铁

( 1. 大连交通大学交通运输工程学院，辽宁 大连，116028；2. 沈阳地铁集团有限公司，辽宁 沈阳，110300 )

货车车轮与重载道岔曲尖轨的接触分析

江荷燕1，张 军1，张 铁2

( 1. 大连交通大学交通运输工程学院，辽宁 大连，116028；2. 沈阳地铁集团有限公司，辽宁 沈阳，110300 )

针对大秦线重载道岔曲尖轨严重磨耗的情况，通过实测货车车轮型面与不同磨耗阶段尖轨型面，建立道岔区轮轨接触三维弹塑性有限元模型，分析货车车轮与尖轨不同位置的接触情况。结果表明，从距离尖轨尖端1 m到3 m内，接触斑在尖轨上的位置、尖轨上多点接触的区段以及尖轨上的等效应力大小主要受变截面尖轨的轨顶高度和宽度的影响；磨耗车轮与2 m处标准型面尖轨接触时，在尖轨轨顶形成较大的应力集中，尖轨发生塑性变形，导致2 m处尖轨顶部剥离掉块；LM型车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较好；磨耗车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较差，而与磨耗后型面尖轨接触时的匹配情况相对较好。

货车车轮；道岔；尖轨；接触；磨耗

道岔的技术水平比较集中地反映了一个国家铁路轨道的发展水平。维护好道岔，提高其运行质量，是铁路提速、创造较大社会效益和经济效益的重要保证措施[1]。尖轨是道岔的重要组成部分，且尖轨部分截面积不断变化，延伸长度较长，列车开行时对尖轨的破坏程度很大，导致尖轨磨耗，从而使道岔维修周期缩短、维护费用大幅增加。因此，如何对道岔尖轨进行加强来延长道岔设备的使用寿命是一个亟待解决的问题[2-4]。对此，国内外学者进行了大量的研究，主要集中在列车过岔动力学和道岔结构有限元分析方面。高克金等[5]在车辆道岔系统动态相互作用动力学模型基础上，分析了不同轴重货车通过道岔时系统的动力学特性。吴安伟等[6]建立变截面的道岔模型，考虑轮轨之间的多点接触关系，计算了机车侧逆向通过单开道岔的动力学响应。曹洋等[7]通过建立整车模型及道岔整体模型，计算分析了车辆作用下道岔不平顺状态的动力响应。Kassa等[8-9]建立了列车与轨道道岔作用的两种动态仿真模型，应用数值算法对道岔几何外形进行了优化。杨冠岭等[10]建立基本轨和曲尖轨的实体模型，对曲尖轨各截面应力、曲尖轨均匀加宽后各截面应力以及曲尖轨缩短后各截面应力进行了分析。王树国等[11]采用了“半直半曲型”曲线尖轨、刨切基本轨加厚尖轨等一系列延长道岔及其部件使用寿命的技术。陈嵘等[12]针对尖轨侧磨等及轨底坡设置的不同工况建立了三维弹性轮轨接触模型进行轮轨接触应力计算分析。以上都是对标准型面尖轨建立模型进行计算分析。而随着尖轨的磨耗，尖轨型面不断变化，标准型面只占其中的一小部分。本文针对大秦线重载线路道岔严重磨损问题，以其75kg/m钢轨12号单开道岔曲线尖轨为研究对象，通过实测现场不同磨耗阶段的尖轨型面及重载货车车轮型面，建立道岔区轮轨接触的三维弹塑性接触有限元模型，对尖轨与车轮接触的位置及等效应力进行模拟，分析重载线路货车车轮侧向通过道岔时对尖轨的磨耗影响，以期为单开道岔曲尖轨的优化设计提供理论依据。

1 车轮型面比较及不同尖轨型面分析

1.1 车轮型面比较

在大秦线重载线路上，选用大秦线普遍使用的C80型货车，用轮轨型面测量仪实测大量的重载货车车轮型面并从中选出磨耗中期阶段一个具有代表性的车轮型面，记作磨耗型车轮型面，与货车车轮标准型面(LM型面)进行对比，如图1所示。由图1可知，相对于LM型车轮型面，磨耗型车轮型面变化较大，其车轮踏面和轮缘根部均发生磨损。

图1 磨耗型车轮型面与LM型车轮型面比较

Fig.1 Comparison between the worn-type wheel profile and the LM-type wheel profile

1.2 尖轨型面分析

用轮轨型面测量仪实测大秦线75 kg/m钢轨12号单开道岔不同磨耗阶段的尖轨型面。根据现场观察，大秦线75 kg/m钢轨12号单开道岔尖轨在距尖轨尖端前3 m内磨耗非常严重，2 m处尖轨顶部甚至发生剥离掉块，而超过3 m后，尖轨上的磨耗多为顶部磨耗，程度较轻，故本文分别选取距离尖轨尖端1、2、3 m 三处的尖轨型面进行研究。各位置处选取3个不同磨耗阶段的尖轨型面，分别标记为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型型面。将未磨耗的标准尖轨型面标记为标准型面。不同位置处各阶段的尖轨型面测量结果如图2所示。由图2中可以看出，尖轨从标准型面磨耗至Ⅲ型型面的过程中，在1m处和2m处尖轨的顶部和侧面都严重磨耗，而3m处尖轨轨顶磨耗较严重。

Fig.2 Switch rail profiles of various stages at different positions from the tip point

2 车轮与尖轨接触有限元模型的建立

图3所示为车轮对与尖轨的接触位置示意图。由于列车侧向过岔时车轮的横向力主要由车轮轮缘及根部与尖轨的相互作用产生，故建模时使车轮轮缘与尖轨侧面贴靠。基于HyperMesh建立车轮与尖轨接触的弹塑性有限元模型，并进行网格划分，接触区最小单元尺度设为1mm。车轮与尖轨接触时的局部有限元模型图如图4所示。

将三维实体模型导入大型有限元计算软件Marc，进行参数定义并计算。定义边界条件为：轴重25 t垂直加在轮轴两端，车速V=80 km/h，圆曲线半径r=350 m。由公式F=mv2/r计算出横向力的大小为35 273 N，并均匀施加在内侧轴端，基本轨和尖轨轨底施加全约束。尖轨材料为新钢种PG4[13]，经热处理后使用，材料屈服极限σs=890 MPa[14]，弹性模量E=2.05×105MPa，泊松比γ=0.3。接触类型为摩擦，摩擦系数取0.3。

3 模拟结果与分析

3.1 LM型车轮与标准型面尖轨的接触情况

LM型车轮与距离尖轨尖端1、2、3 m处标准型面尖轨接触时的接触斑如图5所示。由图5中可见，在1、2 m处，LM型车轮与标准型尖轨接触时，车轮与基本轨有接触，与尖轨的接触呈一点接触，接触斑在轨距角附近尖轨侧面，呈狭长条状；在3 m处，车轮与基本轨无接触，与尖轨呈两点接触，接触斑分布在轨距角附近尖轨的顶部和侧面，呈矩形条状，面积比1、2 m处接触斑的面积大。这主要是由于1、2 m处尖轨轨顶较窄，车轮轮缘与尖轨侧面贴靠，而随着尖轨轨顶的不断变宽，到3 m处时车轮轮缘及根部分别与尖轨侧面和轨顶接触。

LM型车轮与距离尖轨尖端1、2、3 m处标准型面尖轨接触时的等效应力如图6所示。由图6中可以看出，LM型车轮与距尖端1 m处标准型面尖轨接触时，接触的最大等效应力在基本轨上，尖轨上的等效应力相对较小；与距尖端2 m处标准型面尖轨接触时，最大等效应力已经转移到尖轨上，其值为811.6 MPa；与距尖端3 m处标准型面尖轨接触时，尖轨上的最大等效应力继续增大，为846.3 MPa。由1 m处到3 m处，最大等效应力由基本轨不断地向尖轨转移，尖轨上的最大等效应力值也逐渐增大。这主要是由于随着距尖端距离的增大，尖轨轨顶不断加宽增高，使变截面尖轨逐渐承受轴重所导致。

由图6中还可知，前3 m尖轨上的最大等效应力均未达到屈服极限。表明LM型车轮与标准型面尖轨接触时，匹配情况良好。

Fig.6 Equivalent stresses on switch rail with standard profile

3.2 磨耗型车轮与标准型面尖轨的接触

图7所示为距离尖轨尖端不同位置处磨耗型车轮与标准型面尖轨接触时的接触斑。磨耗型车轮与距离尖轨尖端1 m位置处标准型面尖轨接触时，接触斑在尖轨侧面轨距角以下，呈狭长条状；与距尖端2 m处标准型面尖轨接触时，接触斑在尖轨顶部，呈矩形状，比较图5(b)中2 m处LM型车轮与标准型尖轨接触的接触斑可知，磨耗型车轮与尖轨接触时的接触斑面积较大；与距尖端3 m处标准型面尖轨接触时，接触斑在尖轨顶部及侧面，呈矩形条状。

由等效应力图分析可知，磨耗型车轮与1、2、3 m处标准型面尖轨接触时尖轨上的最大等效应力分别为581.3、1141、1076 MPa，可见磨耗型车轮与1 m处标准型面尖轨接触时尖轨上的最大等效应力未达到屈服极限，而与2、3 m处标准型面尖轨接触时尖轨上的最大等效应力远超过屈服极限，尤其是2m处，最大等效应力高达1141MPa，并在尖轨顶部形成应力集中(见图8)。这主要是由于车轮踏面和轮缘的磨耗，使轮缘根部与尖轨顶部接触所导致。由于2m处尖轨轨顶宽度较小，容易造成尖轨顶面压溃，发生剥离、掉块等，使车轮严重受损。然而每次新换标准型尖轨都会有大量磨耗型车轮通过，所以这种不利损害是不可避免的。

图7 磨耗型面车轮与标准型面尖轨接触时尖轨上的接触斑

Fig.7 Contact spots on switch rail with standard profile when contacting with the worn-type wheel

图8 2 m处磨耗型面车轮与标准型面尖轨接触时尖轨上的等效应力图

Fig.8 Equivalent stresses on switch rail with standard profile at position 2 m when contacting with the worn-type wheel

3.3 磨耗型车轮与磨耗型面尖轨的接触

由磨耗型车轮与不同磨耗型面尖轨接触时的接触斑图可见，磨耗型车轮分别与距离尖轨尖端1、2 m处各种型面尖轨接触时，接触斑均在尖轨侧面轨距角以下，各处从Ⅰ型到Ⅲ型型面接触型呈逐渐下移的趋势，且接触斑均呈长条矩形状；与3 m处Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型型面尖轨接触时，接触斑均分布在尖轨的顶部和侧面，且都呈矩形状；1、2、3 m处从Ⅰ型到Ⅲ型型面尖轨上接触斑位置变化均不大。

磨耗型车轮与不同位置处磨耗型面尖轨接触的最大等效应力如图9所示。由图9中可知，磨耗型车轮在1、2、3 m处分别与Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型型面尖轨接触时，只有与3 m处Ⅱ型型面尖轨接触时尖轨上的最大等效应力(997.9 MPa)超过屈服极限，但比3 m处磨耗型车轮与标准型面尖轨接触时尖轨上的最大等效应力1076 MPa降低了7.26%，表明磨耗型车轮与磨耗型面尖轨接触时的匹配情况较其与标准型面尖轨接触时的匹配情况好。

图9 磨耗型车轮与不同位置处磨耗型面尖轨接触时的最大等效应力曲线

Fig.9 Maximum equivalent stress curve on switch rail with worn profile at different positions when contacting with the worn-type wheel

4 结论

(1)大秦线重载75 kg/m钢轨12号单开道岔曲尖轨从距尖轨尖端1 m到3 m处，接触斑在尖轨上所处的位置、尖轨上多点接触的区段以及尖轨上的等效应力大小主要受变截面尖轨的轨顶高度和宽度的影响。

(2)磨耗型车轮与距尖轨尖端2 m处标准型面尖轨接触时，由于车轮的磨耗及尖轨轨顶宽度较窄，在尖轨轨顶形成较大的应力集中，尖轨发生塑性变形，易压溃尖轨顶部，导致2 m处尖轨顶部剥离掉块。

(3)LM型车轮与标准型面尖轨接触时，最大等效应力均未超过材料的屈服极限，匹配情况较好；磨耗型车轮与标准型面尖轨接触时，2 m、3 m处的最大等效应力均超过材料的屈服极限，匹配情况较差；而磨耗型车轮与磨耗型面尖轨接触时的匹配情况相对较好。

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[责任编辑 郑淑芳]

Contact analysis of railway freight wheel with heavy haul switch rail

JiangHeyan1，ZhangJun1，ZhangTie2

(1. School of Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2. Shenyang Metro Co., Ltd.,Shenyang 110300, China )

In view of serious wear of heavy haul curved swith rail and based on measured profiles of railway freight wheel and worn switch rail, a three-dimensional elastic-plastic model of wheel-rail contact in turnout zones was established by the finite element method to investigate the contact between wheel and switch rail at different positions. The results show that within a distance of 1 m to 3 m from actual point of switch rail, the position of contact patch, multi-point contact zone and magnitude of equivalent stress on switch rail are mainly affected by the height and width on the top of variable section switch rail. When worn wheel contacts with switch rail with standard profile at 2 m from the top of rail, larger stress concentration on the top of switch rail and plastic deformation for the rail occur, thus leading to wear and spalling at contact position with the rail.Better matching is found between LM wheel and swith rail with standard profile and the matching between worn wheel and swith rail with standard profile is less effective while the matching between worn wheel and worn swith rail is better.

freight wheel;turnout; switch rail; contact;wear

2014-06-25

教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20112124110002); 辽宁省自然科学基金资助项目(201202023).

江荷燕(1990-)，女,大连交通大学硕士生. E-mail:jheyan1990@163.com

张 军(1972-)，男，大连交通大学教授，博士后. E-mail:zhangjun@djtu.edu.cn

U213.6+3；U272.2

A

1674-3644(2015)01-0041-05