基于Archard磨耗模型的合金钢心轨组合辙叉道岔钢轨磨耗研究

刘启宾

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

基于Archard磨耗模型的合金钢心轨组合辙叉道岔钢轨磨耗研究

刘启宾

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

基于Archard磨耗模型并结合有限元静动力分析方法，对重载铁路合金钢心轨组合辙叉道岔岔区钢轨垂直磨耗特性进行了研究，给出了一种研究钢轨磨耗的新方法。研究结果表明:受不同断面轮轨接触特性及轮轨力差异的影响，岔区各断面轮轨接触斑内磨耗量的大小及分布存在差异;辙叉轮载过渡区翼轨磨耗严重的机理是轮轨法向接触应力大于翼轨材料硬度的0.8倍导致了磨耗系数的突变，建议将此区域翼轨镶嵌合金钢材料或采用深度爆炸硬化技术处理;轮轨接触应力随行车速度的增加有所增加，随列车轴重的增加而大幅增加，建议有条件的情况下降低C80，C70列车的侧向过岔速度，以减缓道岔的磨耗速率。

道岔 Archard磨耗模型 钢轨磨耗 合金钢心轨组合辙叉 磨耗量

合金钢心轨组合辙叉道岔是一种心轨采用奥贝氏体钢材，翼轨采用普通钢轨的组合辙叉道岔，相对于高锰钢整铸道岔具有通过能力大、强度高、可焊性好、便于更换等优点，近年来在我国重载铁路及干线铁路上逐步得到推广使用。但在服役过程中，合金钢心轨组合辙叉道岔出现了严重的磨耗，造成岔区轮轨接触状态不良，大大降低了道岔及车轮的使用寿命，严重影响列车通过的安全性。研究合金钢心轨组合辙叉道岔岔区钢轨磨耗发展特性对道岔的合理养护维修及结构改良具有理论意义，对提高道岔使用寿命及降低道岔生命周期成本具有重大的实用价值。

随着我国列车速度、轴重及线路年运量的不断提升，轮轨磨耗问题日趋严峻，得到国内学者的广泛关注，在试验和理论研究方面均进行了大量的研究工作。孙宏、刘涌涛等［1-2］基于长期跟踪测试结果及动力学分析理论对磨耗成因及发展趋势进行了研究。蒋文娟、罗文俊等［3-4］基于磨耗试验分别研究了不同轴重下钢轨硬度对轮轨磨耗量的影响和钢轨焊接接头磨耗发展规律。戴春阳、李亨利等［5-6］基于有限元软件研究了钢轨磨耗的影响因素。刘学毅等［7］以磨耗功为参量对重载线路钢轨波磨进行了系统的研究。

结合现场调研情况，本文主要基于Archard磨耗模型对曲尖轨、长心轨顶宽20～50 mm轮载过渡区及曲导轨等磨耗严重的三个典型断面钢轨的垂直磨耗进行研究。

1 Archard磨耗模型

Archard磨耗模型的数值表达式为

式中:Vw为磨耗消耗材料的体积;N为法向接触力; L为相对滑动距离;H为材料硬度;kw为磨耗系数。

在有限元模拟的基础上利用Archard磨耗模型进行轮轨磨耗数值分析时，作出假定:①基于赫兹接触理论假定轮轨接触斑为一个纵向、横向半轴长分别为a，b的椭圆;②假定因弹性形变产生的车轮速度分量为0;③假定车轮在接触斑内的滑动为局部轻微滑动，即车轮的滚动速度与车轮速度相等。

根据上述假设条件及文献［8-9］，式(1)可简化为

式中:Δz(x，y)为接触斑内坐标点(x，y)所对应的磨耗深度;Δx为所划分单元的边长;ξ，φ，η分别为车轮在接触斑内的纵向、横向和自旋蠕滑率。

2 磨耗参数取值

由式(2)可知，计算轮轨接触斑内钢轨磨耗量需要的参数有轮轨法向接触力、磨耗系数、接触斑的纵横向半轴长度、材料硬度、有限单元边长、列车过岔时车轮的纵横向蠕滑率及自旋蠕滑率。

已知PD3钢轨硬度为310 HV1.0(3.1×109N/m2)、合金钢硬度为440 HV1.0(4.4×109N/m2)，有限单元边长为1 mm。

轮轨法向接触力、磨耗系数、接触斑的纵横向半轴长度通过静力轮轨接触模型研究，蠕滑率通过动力分析模型研究。

磨耗系数通过静力轮轨接触模型及动力分析模型的研究结果，结合Jendel［9］基于试验给出的磨耗系数与接触压应力和滑动速度之间的关系(图1)确定。

图1 磨耗系数与接触压应力和滑动速度的关系

2.1 动力分析模型

2.1.1 分析模型的建立

本文采用SIMPACK多体动力学软件建立车辆—道岔空间耦合模型。

2.1.2 模型参数

车辆为25 t轴重货车，相关参数参考文献［10］附表7中取值，钢轨采用75 kg/m，轨枕采用Ⅲ型岔枕，扣件采用弹条Ⅱ型扣件，其余参数参考文献［11］取值。轮轨接触采用赫兹接触。车辆的侧向最高过岔速度按规范［12］取60 km/h。

2.1.3 模拟结果

列车侧向以60 km/h速度过岔时轮轨垂向力及纵向、横向、自旋蠕滑率如图2所示。由图2可知，列车侧向过岔时，各典型断面的轮轨垂向力及纵向、横向、自旋蠕滑率，见表1。

2.2 静力轮轨接触模型

2.2.1 静力轮轨接触模型的建立

为了研究轮轨法向接触力、磨耗系数、接触斑的纵横向半轴长度等磨耗参数，本节采用ANSYS有限元软件建立了车轮—道岔模型，并基于赫兹接触理论定义了轮轨接触关系。

在确定轮轨相对位置时假设轮对不存在横移量，即轮轨间接触处于理想状态，其确定方式如图3所示。各断面轮轨接触面关系如图4所示。

图2 计算的轮轨垂向力及纵向、横向、自旋蠕滑率

表1 各特征断面纵横向及自旋蠕滑率

图3 轮轨空间相对位置的确定

图4 各断面轮轨接触面关系

2.2.2 荷载及参数的确定

模拟分析时，对车轮施加纵横向约束，并按照表1中给出的各断面轮轨垂向力作为此处研究轮轨接触参数的静力荷载。

2.2.3 模拟结果及分析

基于上述理论及模型对3个典型断面进行了模拟分析，得出磨耗量计算参数。

根据各工况下的接触应力可知:断面3翼轨的接触应力＞0.8H，磨耗系数落在图1中的D区，表明该部位在车轮与钢轨以理想方式接触时，磨耗速率相对于其他工况而言极快，磨耗系数取为300×10-4，与现场翼轨磨耗严重情况相符;其他部位轮轨接触应力均＜0.8H，且列车过岔时轮对的滑动速率水平较低，磨耗系数落在图1中的A区，磨耗系数取为1×10-4。

2.3 磨耗参数汇总

综合以上分析可知，各特征断面的磨耗参数汇总见表2(近似认为车轮在同一断面相对于不同钢轨件的纵横向及自旋蠕滑率相等)。

表2 磨耗量计算参数汇总

3 磨耗量计算

由式(2)及表2给出的磨耗参数，可以计算出钢轨各特征断面经历一次轮载作用后接触斑内不同区域的磨耗量，如图5所示。各特征断面不同钢轨的最大磨耗量见表3。

图5 典型断面经历一次轮载作用后接触斑内不同区域磨耗量分布

表3 各特征断面经历一次轮载作用后的最大磨耗量×10-10m

由上述分析可以看出:磨耗系数对最大磨耗量的影响很大;相同磨耗系数时，受不同断面轮轨接触特性及轮轨力的差异，其磨耗量也存在一定的差异。不同断面轮轨接触斑内磨耗量值的分布规律差别较大，主要是由于车轮在不同断面的纵横向及自旋蠕滑率不同所致。

4 行车参数对磨耗量的影响

由上述计算结果及分析可知:25 t轴重车辆以60 km/h的速度侧向通过道岔时，断面3轮轨接触应力为2.72×109N/m2，略大于0.8H(2.48×109N/m2)的限值。若轮轨接触应力降低到0.8H以下，磨耗系数会突变为原有的1/300。磨耗系数主要由轮轨接触应力和材料硬度决定，列车轴重、侧向过岔速度对轮轨接触应力均有一定的影响。重载铁路线上存在20，21，23及25 t等不同轴重的货车，且其过岔速度各不相同。对以上4种轴重的货车以30，40，50，60 km/h的速度侧向通过道岔时的动力特性进行动力分析，得出不同轴重货车以不同速度通过道岔时断面3的最大轮轨垂向力，见表4。

表4 不同轴重、速度货车侧向过岔时断面3轮轨垂向力kN

依据表4可计算出不同轴重货车以不同速度侧向通过道岔时断面3翼轨的接触应力，见表5。

表5 不同轴重、速度货车侧向过岔时断面3翼轨接触应力×109Pa

根据表5可得出不同轴重轮轨接触应力与侧向过岔速度之间的关系，如图6所示。

图6 不同轴重下轮轨接触应力与侧向过岔速度关系

由图6可以看出:

1)轮轨接触应力随行车速度的增加有所增加，但增幅不大。车速由30 km/h提高到60 km/h时，轮轨接触应力的最大增幅仅为5.6%。轴重对轮轨接触应力的影响较大，轴重由21 t增加至25 t，轮轨接触应力的最大增幅约25%。

2)25 t轴重重载列车侧向过岔时，当车速＞30 km/h时，断面3翼轨轮轨接触斑内的磨耗系数均落在图1的D区，为300×10-4，磨耗发展速度极快。

3)23 t轴重列车侧向过岔时，磨耗系数突变的临界速度约为35 km/h。当车速大于临界速度时，断面3翼轨轮轨接触斑内的磨耗系数落在图1的D区，为300×10-4，磨耗发展速率极快;当车速低于临界速度时，断面3翼轨接触斑内的磨耗系数落在图1的A区，磨耗系数为1×10-4，磨耗发展较慢。

4)如列车轴重低于21 t，侧向过岔时断面3翼轨轮轨接触斑内的磨耗系数均落在A区，磨耗系数为1×10-4，磨耗发展速率较慢。

5 结论

本文基于Archard磨耗模型并结合有限元静动力分析方法，研究了重载铁路合金钢心轨组合辙叉道岔岔区三个典型断面经历一次轮载作用后的磨耗量及其分布，给出了一种研究钢轨磨耗的新方法。根据重载线路的实际运营情况探讨了行车参数对轮轨磨耗的影响规律。主要得出如下结论:

1)受不同断面轮轨接触特性及轮轨力差异的影响，各断面的磨耗量存在一定的差异。

2)不同断面轮轨接触斑内磨耗量值的分布规律差别较大，主要是由于车轮在不同断面时的纵横向及自旋蠕滑率不同所致。

3)长心轨顶宽20～50 mm范围轮载过渡区及翼轨的磨耗速率极快，主要是由于轮轨法向接触应力大于翼轨材料硬度的0.8倍引起磨耗系数突变所致。建议将此区域翼轨镶嵌合金钢材料或采用深度爆炸硬化技术，以提高翼轨材料的硬度，降低磨耗系数。

4)轮轨接触应力随行车速度的增加而增加，随列车轴重的增加而大幅增加。建议有条件的情况下降低C80，C70列车的侧向过岔速度，以减缓道岔的磨耗速率。

［1］孙宏，杜新民.提速200 km/h线路曲线病害及钢轨磨耗发展规律研究［J］.铁道建筑，2007(11):84-86.

［2］刘涌涛，刘文涛.广州地铁道岔群磨耗的成因研究及治理措施［J］.都市快轨交通，2004，17(4):40-43.

［3］蒋文娟，钟雯，张向龙，等.不同轴重下钢轨硬度对轮轨磨损量的影响［J］.机械工程材料，2011，35(6):80-82.

［4］罗文俊，练松良，龚佩毅，等.钢轨焊接接头磨耗的试验研究［J］.铁道建筑，2008(11):86-89.

［5］戴春阳，胡华锋，高亮，等.地铁运营条件与线路参数对曲线钢轨磨耗的影响［J］.都市快轨交通，2011，24(5):6-10.

［6］李亨利，潘树平，王爱民，等.轮轨润滑降低重载货车轮轨磨耗作用的研究［J］.铁道机车车辆，2012，32(2):39-41.

［7］刘学毅，王平，万复光.重载线路钢轨波形磨耗成因研究［J］.铁道学报，2000，22(1):98-103.

［8］王伟，罗仁，曾京.车轮型面磨耗预测模型及仿真分析［J］.铁道车辆，2009，47(9):1-5.

［9］JENDEL T，BERG M.Prediction of Wheel profile Wearmethodology and Verification［J］.Wear，2005，258:1055-1063.

［10］翟婉明.车辆—轨道耦合动力学［M］.3版.北京:科学出版社，2007.

［11］高亮.轨道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

［12］国家标准局.GB 5599—1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.北京:中国标准出版社，2002.

Research on turnout rail wearing of assembled frog with alloy steel point rail based on Archard wear model

LIU Qibin
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Based on Archard wear model and static and dynamic finite element analysis method，the vertical turnout rail wear characteristics of assembled frog with alloy steel point rail in heavy haul railway was studied and a new method for rail wear research was introduced.T he results showed that the wear amount and distribution of each section in turnout wheel-rail interaction zone are different due to the variance of wheel-rail contact characteristics and wheel-rail interaction force，the mechanism of wing rail severe wear in frog wheel load transition region is that the wheel-rail contact stress is greater than 0.8 times the wing rail material hardness causing mutation of wear coefficient，which could be avoided by setting alloy steel material for wing rail and using the deep explosion hardening technology in this region，wheel-rail contact stress increases with the increasing of vehicle axle load and vehicle velocity，which means lowing the lateral speed of passing railroad switch for C80 and C70 trains in order to reduce the turnout wear rate.

T urnout;Archard wear model;Rail wear;Assembled frog with alloy steel point rail;Amount of wear

U211.5;U213.4;U213.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.30

1003-1995(2015)02-0107-05

(责任审编李付军)

2014-06-05;

2014-08-13

刘启宾(1987—)，男，河南新乡人，助理工程师，硕士。