机车车轮与75 kg/m钢轨12号辙叉的接触分析

石玉，张军，李霞，孙传喜，徐永绥

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028;2.北京建筑大学 机电与车辆工程学院,北京 100044)*



机车车轮与75 kg/m钢轨12号辙叉的接触分析

石玉1，张军2，李霞1，孙传喜1，徐永绥1

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028;2.北京建筑大学 机电与车辆工程学院,北京 100044)*

针对大秦线重载铁路固定辙叉磨耗问题，基于实测轮/叉型面，建立了标准JM3车轮型面和磨耗车轮型面与标准辙叉和磨耗辙叉接触模型.详细分析了每种轮/叉的接触情况，如接触斑面积、等效应力等的变化规律.研究发现标准轮/叉接触时，其接触表面发生塑性变形的范围最大.磨耗轮与标准辙叉接触时，最大等效应力最大.磨耗轮/叉接触时，轮/叉型面匹配性能最好.综上轮/叉间存在少量磨耗时型面匹配性能较好，因而在使用过程中尽可能控制轮/叉间的磨耗，以延长辙叉的使用寿命，降低铁路运营成本.

道岔辙叉;机车车轮;有限元;轮轨接触;磨耗

0 引言

道岔是实现列车转线运行的铁路轨道主要的结构，也是铁路轨道的薄弱环节.由于道岔具有数量多、结构复杂、主要部件使用寿命短[1-3]、行车安全性低、养护维修投入大等特点[4]，且轮轨间的接触关系非常复杂，道岔内轮轨磨损更加严重[5-7].因此，道岔成为控制铁路速度的关键设备.它与动车组、列车控制并列为我国高速铁路三大核心技术[8-9].随着列车速度的不断提高，轮/岔间的接触作用变得更加复杂.这对道岔的作用提出了更高的要求.因此精确地对车轮与道岔间接触作用进行分析已成为当务之急[10].

本文针对大秦线12号道岔辙叉的磨耗情况，通过实际测量得到的轮/叉型面，建立了标准JM3型机车车轮和磨耗后的机车车轮分别与标准辙叉和磨耗后的辙叉不同位置的接触模型，详细分析

了机车车轮与辙叉接触时的接触斑，等效应力等的变化规律，总结出车轮和辙叉的磨耗对列车过叉时的影响.

1 标准和磨耗后的轮/叉型面选取

利用钢轨型面测量仪测量得到大量大秦线标准和磨耗后的轮/叉型面数据.从中选取不同位置的标准辙叉型面和磨耗后的辙叉型面作为轮/叉接触模型的辙叉型面.以辙叉心轨理论尖端(00截面)为基准，沿着车辆逆向进岔方向先选出三个截面，分别距辙叉心轨理论尖端144.3 mm，360mm和480.8 mm，分别称作01截面，02截面和03截面.通过01截面和02截面插值得到距辙叉心轨理论尖端247.0 mm的04截面，通过02截面和03截面插值得到距辙叉心轨理论尖端420.0mm的05截面，如表1所示.

表1 辙叉区特殊截面

由于实际辙叉的型面形状是不断变化的，因此要建立变截面的辙叉模型以使计算模型更加接近真实情况，将01截面，04截面，02截面和05截面作为轮/叉接触时与车轮型面接触对中的辙叉截面，各个接触对中截面在辙叉上的分布如图1所示.建立以00截面、01截面、04截面和02截面为辙叉模型的起始截面，01截面、04截面、02截面和05截面为辙叉模型的对中截面，04截面、02截面、05截面和03截面为辙叉模型的终止截面，分别称四个轮/叉接触模型为00-01-04模型、01-04-02模型、04-02-05模型和02-05-03模型.辙叉理论尖端只有翼轨没有心轨，为方便00-01-04辙叉有限元模型的建立， 通过01截面心轨型面和04截面心轨型面插值得到00截面的心轨型面，修改后的辙叉心轨理论尖端截面以及四个接触截面如图2所示.

图1 修改后的辙叉理论尖端和轮/叉接触的四个辙叉截面位置

图2 通过各个辙叉截面建立辙叉模型

从钢轨型面测量仪测得的大量的辙叉型面中选出磨耗中期的具有代表性的辙叉型面，作为计算模型的磨耗后辙叉型面.由于列车正向行驶，车轮在过辙叉时先与辙叉翼轨接触，然后逐渐过渡到心轨上，最后完全与心轨接触.因此，在车轮刚进入辙叉区时可以不考虑车轮与辙叉心轨的接触，本文假设在距辙叉心轨理论尖端144mm和247mm的01和04截面处不发生车轮与辙叉心轨的接触.每个轮/叉对中接触截面位置的标准辙叉型面和磨耗后的辙叉型面如图3所示.

图3 不同位置的标准辙叉和磨耗后辙叉型面

利用车轮型面测量仪对大秦线上的机车车轮踏面进行测量，从得到的大量重载机车车轮型面中选出磨耗中期的一个具有代表性的车轮型面，作为计算模型的磨耗后机车车轮踏面.标准JM3型机车车轮踏面和选出的磨耗后的机车车轮踏面，如图4所示.

图4 标准和磨耗机车车轮踏面

2 轮/叉的三维有限元模型的建立

利用HyperMesh分别建立JM3机车车轮与标准辙叉的接触有限元模型、磨耗后的机车车轮与标准辙叉的接触有限元模型、磨耗后的机车车轮与磨耗后的辙叉接触有限元模型.由于车轮与辙叉的接触区远小于非接触区，而本文主要研究的部分是轮/叉接触区上的应力以及接触斑的大小，因而为了在保证计算精度的情况下减小计算量，将接触区划分成较密的网格，本文最小单元边长划分为1 mm，而将非接触区的网格划分得较疏.机车车轮与辙叉接触的三维HyperMesh有限元模型如图5所示.计算模型中车轮与辙叉在对中位置接触，轨距为1 435 mm，轮缘内侧距为1353mm，机车车轮直径为1250 mm，机车轴重为25 t，钢轨底面施加固定约束，在车轴两端节点施加横向、纵向固定约束，释放垂向约束.泊松比取0.3，弹性模量205 GPa，轮/叉间摩擦系数为0.3.

图5 机车车轮与辙叉接触的三维有限元模型

3 计算结果分析

3.1 三类轮/叉接触的接触斑对比分析

为便于分析，将标准轮/叉接触、磨耗后车轮/标准辙叉接触和磨耗后轮/叉接触时的接触斑面积变化和接触斑中心距心轨中心的距离分别绘制在两个表中，如表2、表3所示.

表2 三类轮/叉接触接触斑面积比较

由表2可以得出磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的接触斑面积为三类轮/叉接触中最大的，比磨耗后车轮/标准辙叉接触的接触斑面积大54.7%～72.7%，比JM3车轮/标准辙叉接触的接触斑面积大2.1%～180%.除了距辙叉心轨理论尖端144 mm处的01截面外，JM3车轮/标准辙叉接触的接触斑面积比磨耗后车轮/标准辙叉接触的接触斑面积大3.3%～51.6%.即磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的接触斑面积最大，磨耗后车轮/标准辙叉接触的接触斑面积最小.

表3 三类轮/叉接触接触斑中心距心轨中心距离 mm

从表3可以得出在距离辙叉心轨理论尖端144 mm的01截面到距离辙叉心轨理论尖端420mm的05截面，JM3车轮/标准辙叉接触和磨耗后车轮/标准辙叉接触的接触斑距心轨中心距离都由68 mm减小为66 mm，即由辙叉翼轨向心轨移动了2 mm，磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的接触斑距心轨中心距离都由75 mm减小为68mm，即由辙叉翼轨向心轨移动了7 mm.

3.2 三类轮/叉接触的等效应力对比分析

本文中的等效应力的作用范围是通过将其近似为椭圆，测量得到其长轴和短轴，运用椭圆面积公式得到的.为便于分析，将标准轮/叉接触、磨耗后车轮/标准辙叉接触和磨耗后轮/叉接触时的最大等效应力变化、超过屈服极限的表面等效应力的作用范围和超过屈服极限的内部等效应力的作用范围分别绘制在三个图中，如图6～图8所示.

图6 三类接触最大等效应力比较

从图6可以得出磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的最大等效应力是最小的，比磨耗后车轮/标准辙叉接触的最大等效应力小13.2%～20.1%，比JM3车轮/标准辙叉接触的最大等效应力小11.6%～29.4%.除了距离辙叉心轨理论尖端144 mm处的01截面外，JM3车轮/标准辙叉接触的最大等效应力比磨耗后车轮/标准辙叉接触的最大等效应力小1.8%～7.2%.即三类轮/叉接触中，磨耗后车轮/标准辙叉接触的最大等效应力最大，磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的最大等效应力最小.

图7 三类接触超过屈服极限表面等效应力作用范围比较

图8 三类接触超过屈服极限内部等效应力作用范围比较

通过图7、图8可以得出，综合考虑参与计算的01截面、04截面、02截面和05截面四个截面，JM3车轮/标准辙叉接触的超过屈服极限的表面等效应力和内部等效应力的作用范围最大，磨耗后车轮/磨耗后的辙叉接触的超过屈服极限的表面等效应力和内部等效应力的作用范围最小.

4 结论

本文基于有限元法，建立了标准JM3机车车轮/标准辙叉接触、磨耗后的机车车轮/标准辙叉接触和磨耗后的机车车轮/磨耗后的辙叉接触的三维有限元模型，求解了轮/叉间弹塑性接触问题.通过大量计算得出了车轮与辙叉接触的接触斑面积大小和位置、等效应力的大小和超过屈服极限的等效应力的作用范围等的变化规律，对这些计算结果分析比较后得到以下结论：

(1)轮/叉接触的接触斑都位于辙叉翼轨边缘靠近心轨侧，且三类轮/叉接触的接触斑都逐渐向心轨靠近，随着辙叉在使用过程中磨耗量的加大，轮/叉接触的接触斑由翼轨向心轨移动的距离更大.

(2)综合考虑每类接触的超过屈服极限的表面等效应力的作用范围和内部等效应力的作用范围，JM3车轮/标准辙叉接触的两个作用范围均为最大，而磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的两个作用范围最小.即随着轮/叉的运用，轮/叉间的磨耗率逐渐减小.

(3)综合考虑每类接触的四个接触截面，JM3车轮/标准辙叉接触的塑性变形范围最大，磨耗后车轮/标准辙叉接触的最大等效应力最大，只有磨耗后车轮/磨耗后辙叉接触的轮/叉型面匹配性能最好.但是轮/叉的过度磨耗降低了机车的高度，若超过限界会带来安全隐患.因此相比于没有磨耗的轮/叉接触和过度磨耗的轮/叉接触，控制轮/叉间存在少量的磨耗更利于延长辙叉的使用寿命，降低运营维护成本.

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SHI Yu1，ZHANG Jun2，LI Xia1，SUN Chuanxi1，XU Yongsui1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2.School of Mechanical-electronic and Automobile Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture , Beijing 100044, China)

Based on the situation of the attrition to the heavy haul railway fixed frog used in Da-Qin line, several contact models are built between the profile of standard JM3 wheel/worn wheel and the standard/worn turnout, which are all practically measured. The contact condition of each wheel/turnout is analyzed, such as the variation of the contact patch area and equivalent stress, and is found out the largest range of plastic deformation occurred when the standard wheel/turnout contact and the maximal von mises equivalent stress occurred when the worn wheel/standard turnout contact. In addition, the contact profile matching of the worn wheel/turnout contact is the best. In summary, a little abrasion between the wheel/turnout contact is good to the contact profile matching of them. Therefore, wear control in the wheel/turnout contact can prolong the life of frog and decrease the operating cost.

frog; locomotive; finite element method (FEM); wheel-rail contact; wear

1673-9590(2016)04-0038-05

2015-12-03

国家自然科学基金资助项目(51405055,51305054);国家自然科学基金-煤炭联合基金资助项目(U1361117);牵引动力国家重点实验室开放课题资助项目(TPL1406); 辽宁省自然科学基金资助项目(2015020116)

石玉(1991-),男，硕士研究生;李霞(1986-)，女，讲师，博士，主要从事轮轨关系的研究E-mail:Xiali20034164@126.com.

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