鐵路貨車軸重與輪軌動態相互作用研究

田光榮,熊 芯,曲金娟,王新銳

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所,北京100081)

近年來,世界各國均將通過提高車輛軸重以增加車輛載重作為最為有效的方式之一。國內外大軸重貨車及相關項目研究表明:發展大軸重貨車是世界鐵路貨運發展的共同趨勢。美國現在所有一級鐵路的標準軸重1990年后已確定為33 t,有少量35.7 t,目前最大軸重已達到40 t;南非煤車軸重為26 t,礦石車軸重為30 t;澳大利亞軸重一般為25 t、27 t和35 t,有少量礦石車軸重為40 t。此外,加拿大、巴西和瑞典等重載運輸較為發達的國家,其軸重均達到或超過了30 t[1-2]。在中國鐵路大發展的進程中,隨著京滬、京廣等客運專線的建設和投入運用,將逐步實現客貨分線,這些繁忙干線將形成以貨運為主的運輸格局,此外,煤炭運輸通道網進一步擴充和強化后,部分區段的軸重將有很大的發展空間[3]。為了進一步完成擴能任務,中國鐵路貨車必將朝著大軸重、大的每延米重方向邁上新臺階。

大軸重鐵路貨車的投入以及重載列車的開行,對線路的破壞作用加劇。北美AAR對35 t、37 t軸重貨車所做的試驗表明,輪軌磨耗、鋼軌扣件損傷、路基下沉等方面都比現有貨車的指標惡化了許多[4,5]。車輛軸重的增加,將加劇列車運行過程中對軌道結構的破壞作用,引起軌道部件的損傷、軌道結構的失效和線路狀況的惡化。隨著軸重的增加,最大等效應力值逐步增大,鋼軌表面將更容易受到應力破壞,從而加劇輪軌接觸面的磨損狀況[6]。

1 計算模型

計算模型采用裝配轉K6型轉向架鐵路貨車,其半車拓撲關系如圖1所示。主要部件包括:車體、搖枕、側架和輪對,相互之間通過一系軸箱橡膠墊、二系搖枕彈簧、組合斜楔、心盤和旁承等連接,整車共11個剛體,53個自由度。

圖1 貨車(半車)拓撲關系圖

2 貨車軸重與輪軌磨耗關系研究

輪對相互作用如圖2所示。輪軌磨耗問題一直是鐵路工業技術中難以解決的老問題。它和很多因素有關,如輪軌之間的作用力、輪軌型面、輪軌相對運動狀態等。世界各國鐵路部門用于維修和更換磨損輪軌的費用相當巨大[7]。由于輪軌接觸斑僅有100多mm2的接觸面積,但承受數十噸交變復雜載荷,且輪軌接觸面之間存在相對的滑動和轉動而導致極限摩擦力的形成。特別是在小半徑曲線上,大軸重貨車的采用將使得輪軌磨耗急劇惡化。2007年施行的《鐵路技術管理規程》規定:“貨車車輪踏面圓周磨耗深度的允許限度為≤8 mm”。所以,輪軌磨耗問題研究對于重載貨車的運行具有相當大的意義。

圖2 輪軌相互作用模型

近年來滾動接觸力學的發展表明,輪軌接觸面之間所耗散的摩耗功,基本上能代表輪軌磨損的大小[6]。輪軌磨耗功是輪軌磨損程度的標志,用以衡量圓曲線上輪軌的橫向動力作用,定義為輪軌接觸斑內輪軌蠕滑率與蠕滑力的乘積。輪軌磨耗是機車車輛曲線通過性能的一個重要方面,為了評估車輛通過曲線時的輪軌磨耗程度,需要選定相關衡量指標,同時通過此指標的評定來優化和尋找減輕輪軌磨耗的措施。在車輛通過曲線時,影響磨耗的主要因素是輪對沖角、輪軌橫向力、蠕滑力和輪緣導向力等,目前國內外幾種典型的磨耗評定方法主要有霍依曼磨耗指數、輪軌接觸斑磨耗功、馬科特、考德維爾和李斯特磨耗指數等[8,9]。國內、外在軸重增加對動力學性能影響方面進行了相關研究[10,11]。文獻[12]給出了鋼軌滾動接觸疲勞 RCF(Rolling Contact Fatigue)相關介紹及損傷函數(見公式1)。圖3為文獻[12]給出的鋼軌RCF損傷函數,本文直接利用該函數計算鋼軌的表面損傷結果。

式中Tx為輪軌縱向切向力;γx為輪軌縱向蠕滑率;Ty為輪軌橫向切向力;γy為輪軌橫向蠕滑率。直線上的平穩性分析,由于我國還沒有系統的干線軌道不平順數據,故分析中采用與干線情況較相似的美國5級譜,同時施加4個方向的不平順。車輛前進方向為1位端,運行速度80 km/h。

圖3 RCF Tγ損傷函數

表1 軸重與直線運行平穩性的關系

從表1中可以看出,總體趨勢而言,在相同的速度級下,隨著軸重的增加,橫向Sperling平穩性指數在減小,即更加平穩;同時,車輛垂向Sperling平穩性指數也有不同程度的減小,即軸重的增大在一定程度上會提高車輛的運行平穩性。如果將整個車輛視為單自由度系統,在相同的外力(激擾)和彈簧剛度情況下,質量越大,其動撓度就越小。

不同曲線半徑情況下,軸重增加對輪軌磨耗功及鋼軌RCF損傷的關系。曲線半徑取值:400、600、800、1 200、2 000 m,所有計算均依據公式(2)進行,所以沒有欠超高和過超高的存在,考慮沒有軌道不平順的影響。

式中v為列車運行速度;R為曲線半徑。

表2 曲線參數設置

由圖4可以看出,在曲線半徑為400 m的情況下,一位輪對輪軌橫向力、脫軌系數、輪軌磨耗功和接觸斑面積均隨著軸重增加有明顯的上升趨勢,主要體現在圓曲線上,特別是緩圓點位置。總之,隨著軸重的增加,輪軌之間的動作用力增大,導致輪軌之間的磨耗嚴重,主要體現在側向磨耗方面。軸重增加所引起的輪軌磨耗加劇隨著曲線半徑的增大而趨于緩和。這一點與文獻[13]的結果較為一致。車輪的磨耗量與輪軌之間的正壓力和蠕滑力的大小成正比[14],軸重的提高將直接導致車輪垂直磨耗的增大。雖然增大軸重會使輪軌間的動態作用力增加,但其對車輛其他動力學性能參數的影響不明顯[15]。

圖5所示的值均為標準偏差的值。可以看出,對于輪軌橫向力而言,在不同的曲線半徑情況下,軸重越大,輪軌橫向力越大,曲線半徑的影響不明顯;但是對于輪軌磨耗功和脫軌系數而言,小曲線半徑情況下,軸重的影響較為明顯,隨著曲線半徑的不斷增大,軸重的影響逐漸趨于緩和。

圖4 曲線半徑400 m時軸重對輪軌動力作用的影響

圖5 不同曲線半徑和軸重時輪軌動力作用比較

隨著鐵路重載運輸的發展,鋼軌滾動接觸疲勞已成為影響鐵路運輸效率以及經濟效益提高的一大難題。鋼軌滾動接觸疲勞的破壞形式多種多樣,加強對鋼軌滾動接觸疲勞形成機理的研究,有效預防或減緩鋼軌滾動接觸疲勞損傷,對列車安全運營和降低運輸成本以及發展高速列車具有重要的意義。鋼軌的疲勞破壞主要出現在軌道3個部位:曲線段、鋼軌接頭處和道岔處。列車通過曲線時,輪軌之間除了有較大的垂向載荷外,由于曲線對具有較大慣量的列車方向起制導作用,輪軌之間又形成較大的橫向力,導致曲線鋼軌頂面和軌道方向成45°龜裂、高軌內側嚴重磨損和鋼軌頂面波浪形磨損等,嚴重危及行車安全[16,17]。

圖6為車輛以60 km/h的均衡速度通過半徑R為600 m曲線情況下,Tγ值的變化曲線。可以看出,車輛在從直線進入緩和曲線時,Tγ有明顯的增大趨勢。在曲線軌道上 Tγ的變化量約為75 N。在圓曲線段,Tγ值皆處于一個以75 N為平衡線的較為穩定的狀態;駛出緩和曲線進入直線時,Tγ減小。在直線段上,Tγ值較小(除了由于軌道隨機不平順激擾而導致的橫向位移的變化,進而引起Tγ的變化,比如在75 m處,由于軌道激擾的影響,存在較大的一個瞬態的 Tγ值)。結合RCF損傷函數來說,在直線段上,不會發生RCF損傷,但是從車輛進入緩和曲線開始,在整個曲線上均會發生損傷,根據圖3所示,整個過程中,軌道發生的最大RCF損傷為8×10-6,換算得知將經過1.25×105次循環載荷的交變作用之后,曲線外軌將發生明顯的損傷。

圖6 一位導向輪對外軌歷程曲線

從圖7可以看出,隨著軸重的增加,分析RCF損傷函數中的Tγ值不斷增大,特別體現在緩圓點處,當軸重從21 t提高到30 t時,其 Tγ值將增大 28.57%。根據圖8分析可知,曲線半徑越小,軸重對RCF損傷函數的影響就越明顯,分析其原因在于當曲線半徑較小時,其縱向和橫向的切向力(蠕滑力)、蠕滑率較大,輪軌磨耗現象就明顯。相應的,在很大的曲線半徑條件下,由于存在很小的蠕滑力和蠕滑率,所以損傷現象不明顯。

圖7 不同軸重下Tγ時間歷程比較

圖8 不同軸重和曲線半徑下Tγ比較

3 軸重提高與輪軌動態接觸的相互關系

在假定輪軌材料相同的條件下,根據Hertz彈性體接觸理論,輪軌最大接觸應力:

利用大型有限元分析軟件ANSYS建立了如圖9所示的有限元模型,進一步分析了軸重變化在靜態和動態兩個方面所帶來的輪軌接觸變化關系,主要指標是分析車輪的Von Mises等效應力。

根據公式(3),結合有限元分析,得到如圖10、圖11所示的結果。圖10給出了LM磨耗型踏面和干線鐵路采用的60kg/m鋼軌接觸時軸重變化對接觸應力的影響趨勢,接觸應力隨著軸重的增加而增大。圖11給出利用有限元軟件計算得到的車輪的等效Von Mises應力的結果,可以看出,隨著軸重的增大,車輪受到的等效Von Mises應力也越大。當軸重從21 t提高到30 t,輪軌接觸應力將增大12.3%,車輪Von Mises應力將增大8.17%。結合圖9(b)的車輪應力云圖可以看出,受力最大的位置是輪轂區域的輪軸接觸處(但是均小于相應的許用應力),在實際運用過程中,這也是車輪容易發生損傷和疲勞破壞的區域。

圖9 25 t軸重情況下輪對有限元分析結果

圖10 軸重與輪軌接觸應力的關系

圖11 軸重與車輪Von Mises應力的關系

4 結論

以軸重增加為研究對象,分析了對車輛動力學性能,主要是輪軌磨耗,以及輪軌動態相互作用的影響規律,得到如下結論:

(1)通過理論分析表明,小曲線半徑條件下,輪軌動態相互作用將隨著軸重的增加而加劇,甚至導致疲勞破壞;

(2)在曲線半徑較小的情況下,軸重越大,導致的鋼軌RCF損傷越明顯,以車輛通過緩圓點為例,當軸重從21 t提高到30 t時,其 Tγ值將增大28.57%;

(3)輪軌接觸應力隨著軸重的增加而增加,當軸重從21 t提高到30 t,輪軌接觸應力將增大12.3%,車輪Von Mises應力將增大8.17%。

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