貨車車輪與重載道岔曲尖軌的接觸分析

江荷燕，張 軍，張 鐵

( 1. 大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧 大連，116028；2. 沈陽地鐵集團有限公司，遼寧 沈陽，110300 )

貨車車輪與重載道岔曲尖軌的接觸分析

江荷燕1，張 軍1，張 鐵2

( 1. 大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧 大連，116028；2. 沈陽地鐵集團有限公司，遼寧 沈陽，110300 )

針對大秦線重載道岔曲尖軌嚴重磨耗的情況，通過實測貨車車輪型面與不同磨耗階段尖軌型面，建立道岔區(qū)輪軌接觸三維彈塑性有限元模型，分析貨車車輪與尖軌不同位置的接觸情況。結(jié)果表明，從距離尖軌尖端1 m到3 m內(nèi)，接觸斑在尖軌上的位置、尖軌上多點接觸的區(qū)段以及尖軌上的等效應力大小主要受變截面尖軌的軌頂高度和寬度的影響；磨耗車輪與2 m處標準型面尖軌接觸時，在尖軌軌頂形成較大的應力集中，尖軌發(fā)生塑性變形，導致2 m處尖軌頂部剝離掉塊；LM型車輪與標準型面尖軌接觸時的匹配情況較好；磨耗車輪與標準型面尖軌接觸時的匹配情況較差，而與磨耗后型面尖軌接觸時的匹配情況相對較好。

貨車車輪；道岔；尖軌；接觸；磨耗

道岔的技術水平比較集中地反映了一個國家鐵路軌道的發(fā)展水平。維護好道岔，提高其運行質(zhì)量，是鐵路提速、創(chuàng)造較大社會效益和經(jīng)濟效益的重要保證措施[1]。尖軌是道岔的重要組成部分，且尖軌部分截面積不斷變化，延伸長度較長，列車開行時對尖軌的破壞程度很大，導致尖軌磨耗，從而使道岔維修周期縮短、維護費用大幅增加。因此，如何對道岔尖軌進行加強來延長道岔設備的使用壽命是一個亟待解決的問題[2-4]。對此，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，主要集中在列車過岔動力學和道岔結(jié)構有限元分析方面。高克金等[5]在車輛道岔系統(tǒng)動態(tài)相互作用動力學模型基礎上，分析了不同軸重貨車通過道岔時系統(tǒng)的動力學特性。吳安偉等[6]建立變截面的道岔模型，考慮輪軌之間的多點接觸關系，計算了機車側(cè)逆向通過單開道岔的動力學響應。曹洋等[7]通過建立整車模型及道岔整體模型，計算分析了車輛作用下道岔不平順狀態(tài)的動力響應。Kassa等[8-9]建立了列車與軌道道岔作用的兩種動態(tài)仿真模型，應用數(shù)值算法對道岔幾何外形進行了優(yōu)化。楊冠嶺等[10]建立基本軌和曲尖軌的實體模型，對曲尖軌各截面應力、曲尖軌均勻加寬后各截面應力以及曲尖軌縮短后各截面應力進行了分析。王樹國等[11]采用了“半直半曲型”曲線尖軌、刨切基本軌加厚尖軌等一系列延長道岔及其部件使用壽命的技術。陳嶸等[12]針對尖軌側(cè)磨等及軌底坡設置的不同工況建立了三維彈性輪軌接觸模型進行輪軌接觸應力計算分析。以上都是對標準型面尖軌建立模型進行計算分析。而隨著尖軌的磨耗，尖軌型面不斷變化，標準型面只占其中的一小部分。本文針對大秦線重載線路道岔嚴重磨損問題，以其75kg/m鋼軌12號單開道岔曲線尖軌為研究對象，通過實測現(xiàn)場不同磨耗階段的尖軌型面及重載貨車車輪型面，建立道岔區(qū)輪軌接觸的三維彈塑性接觸有限元模型，對尖軌與車輪接觸的位置及等效應力進行模擬，分析重載線路貨車車輪側(cè)向通過道岔時對尖軌的磨耗影響，以期為單開道岔曲尖軌的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 車輪型面比較及不同尖軌型面分析

1.1 車輪型面比較

在大秦線重載線路上，選用大秦線普遍使用的C80型貨車，用輪軌型面測量儀實測大量的重載貨車車輪型面并從中選出磨耗中期階段一個具有代表性的車輪型面，記作磨耗型車輪型面，與貨車車輪標準型面(LM型面)進行對比，如圖1所示。由圖1可知，相對于LM型車輪型面，磨耗型車輪型面變化較大，其車輪踏面和輪緣根部均發(fā)生磨損。

圖1 磨耗型車輪型面與LM型車輪型面比較

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

1.2 尖軌型面分析

用輪軌型面測量儀實測大秦線75 kg/m鋼軌12號單開道岔不同磨耗階段的尖軌型面。根據(jù)現(xiàn)場觀察，大秦線75 kg/m鋼軌12號單開道岔尖軌在距尖軌尖端前3 m內(nèi)磨耗非常嚴重，2 m處尖軌頂部甚至發(fā)生剝離掉塊，而超過3 m后，尖軌上的磨耗多為頂部磨耗，程度較輕，故本文分別選取距離尖軌尖端1、2、3 m 三處的尖軌型面進行研究。各位置處選取3個不同磨耗階段的尖軌型面，分別標記為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型型面。將未磨耗的標準尖軌型面標記為標準型面。不同位置處各階段的尖軌型面測量結(jié)果如圖2所示。由圖2中可以看出，尖軌從標準型面磨耗至Ⅲ型型面的過程中，在1m處和2m處尖軌的頂部和側(cè)面都嚴重磨耗，而3m處尖軌軌頂磨耗較嚴重。

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

2 車輪與尖軌接觸有限元模型的建立

圖3所示為車輪對與尖軌的接觸位置示意圖。由于列車側(cè)向過岔時車輪的橫向力主要由車輪輪緣及根部與尖軌的相互作用產(chǎn)生，故建模時使車輪輪緣與尖軌側(cè)面貼靠。基于HyperMesh建立車輪與尖軌接觸的彈塑性有限元模型，并進行網(wǎng)格劃分，接觸區(qū)最小單元尺度設為1mm。車輪與尖軌接觸時的局部有限元模型圖如圖4所示。

將三維實體模型導入大型有限元計算軟件Marc，進行參數(shù)定義并計算。定義邊界條件為：軸重25 t垂直加在輪軸兩端，車速V=80 km/h，圓曲線半徑r=350 m。由公式F=mv2/r計算出橫向力的大小為35 273 N，并均勻施加在內(nèi)側(cè)軸端，基本軌和尖軌軌底施加全約束。尖軌材料為新鋼種PG4[13]，經(jīng)熱處理后使用，材料屈服極限σs=890 MPa[14]，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比γ=0.3。接觸類型為摩擦，摩擦系數(shù)取0.3。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 LM型車輪與標準型面尖軌的接觸情況

LM型車輪與距離尖軌尖端1、2、3 m處標準型面尖軌接觸時的接觸斑如圖5所示。由圖5中可見，在1、2 m處，LM型車輪與標準型尖軌接觸時，車輪與基本軌有接觸，與尖軌的接觸呈一點接觸，接觸斑在軌距角附近尖軌側(cè)面，呈狹長條狀；在3 m處，車輪與基本軌無接觸，與尖軌呈兩點接觸，接觸斑分布在軌距角附近尖軌的頂部和側(cè)面，呈矩形條狀，面積比1、2 m處接觸斑的面積大。這主要是由于1、2 m處尖軌軌頂較窄，車輪輪緣與尖軌側(cè)面貼靠，而隨著尖軌軌頂?shù)牟粩嘧儗挘? m處時車輪輪緣及根部分別與尖軌側(cè)面和軌頂接觸。

LM型車輪與距離尖軌尖端1、2、3 m處標準型面尖軌接觸時的等效應力如圖6所示。由圖6中可以看出，LM型車輪與距尖端1 m處標準型面尖軌接觸時，接觸的最大等效應力在基本軌上，尖軌上的等效應力相對較小；與距尖端2 m處標準型面尖軌接觸時，最大等效應力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到尖軌上，其值為811.6 MPa；與距尖端3 m處標準型面尖軌接觸時，尖軌上的最大等效應力繼續(xù)增大，為846.3 MPa。由1 m處到3 m處，最大等效應力由基本軌不斷地向尖軌轉(zhuǎn)移，尖軌上的最大等效應力值也逐漸增大。這主要是由于隨著距尖端距離的增大，尖軌軌頂不斷加寬增高，使變截面尖軌逐漸承受軸重所導致。

由圖6中還可知，前3 m尖軌上的最大等效應力均未達到屈服極限。表明LM型車輪與標準型面尖軌接觸時，匹配情況良好。

Fig.6 Equivalent stresses on switch rail with standard profile

3.2 磨耗型車輪與標準型面尖軌的接觸

圖7所示為距離尖軌尖端不同位置處磨耗型車輪與標準型面尖軌接觸時的接觸斑。磨耗型車輪與距離尖軌尖端1 m位置處標準型面尖軌接觸時，接觸斑在尖軌側(cè)面軌距角以下，呈狹長條狀；與距尖端2 m處標準型面尖軌接觸時，接觸斑在尖軌頂部，呈矩形狀，比較圖5(b)中2 m處LM型車輪與標準型尖軌接觸的接觸斑可知，磨耗型車輪與尖軌接觸時的接觸斑面積較大；與距尖端3 m處標準型面尖軌接觸時，接觸斑在尖軌頂部及側(cè)面，呈矩形條狀。

由等效應力圖分析可知，磨耗型車輪與1、2、3 m處標準型面尖軌接觸時尖軌上的最大等效應力分別為581.3、1141、1076 MPa，可見磨耗型車輪與1 m處標準型面尖軌接觸時尖軌上的最大等效應力未達到屈服極限，而與2、3 m處標準型面尖軌接觸時尖軌上的最大等效應力遠超過屈服極限，尤其是2m處，最大等效應力高達1141MPa，并在尖軌頂部形成應力集中(見圖8)。這主要是由于車輪踏面和輪緣的磨耗，使輪緣根部與尖軌頂部接觸所導致。由于2m處尖軌軌頂寬度較小，容易造成尖軌頂面壓潰，發(fā)生剝離、掉塊等，使車輪嚴重受損。然而每次新?lián)Q標準型尖軌都會有大量磨耗型車輪通過，所以這種不利損害是不可避免的。

圖7 磨耗型面車輪與標準型面尖軌接觸時尖軌上的接觸斑

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

圖8 2 m處磨耗型面車輪與標準型面尖軌接觸時尖軌上的等效應力圖

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

3.3 磨耗型車輪與磨耗型面尖軌的接觸

由磨耗型車輪與不同磨耗型面尖軌接觸時的接觸斑圖可見，磨耗型車輪分別與距離尖軌尖端1、2 m處各種型面尖軌接觸時，接觸斑均在尖軌側(cè)面軌距角以下，各處從Ⅰ型到Ⅲ型型面接觸型呈逐漸下移的趨勢，且接觸斑均呈長條矩形狀；與3 m處Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型型面尖軌接觸時，接觸斑均分布在尖軌的頂部和側(cè)面，且都呈矩形狀；1、2、3 m處從Ⅰ型到Ⅲ型型面尖軌上接觸斑位置變化均不大。

磨耗型車輪與不同位置處磨耗型面尖軌接觸的最大等效應力如圖9所示。由圖9中可知，磨耗型車輪在1、2、3 m處分別與Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型型面尖軌接觸時，只有與3 m處Ⅱ型型面尖軌接觸時尖軌上的最大等效應力(997.9 MPa)超過屈服極限，但比3 m處磨耗型車輪與標準型面尖軌接觸時尖軌上的最大等效應力1076 MPa降低了7.26%，表明磨耗型車輪與磨耗型面尖軌接觸時的匹配情況較其與標準型面尖軌接觸時的匹配情況好。

圖9 磨耗型車輪與不同位置處磨耗型面尖軌接觸時的最大等效應力曲線

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

4 結(jié)論

(1)大秦線重載75 kg/m鋼軌12號單開道岔曲尖軌從距尖軌尖端1 m到3 m處，接觸斑在尖軌上所處的位置、尖軌上多點接觸的區(qū)段以及尖軌上的等效應力大小主要受變截面尖軌的軌頂高度和寬度的影響。

(2)磨耗型車輪與距尖軌尖端2 m處標準型面尖軌接觸時，由于車輪的磨耗及尖軌軌頂寬度較窄，在尖軌軌頂形成較大的應力集中，尖軌發(fā)生塑性變形，易壓潰尖軌頂部，導致2 m處尖軌頂部剝離掉塊。

(3)LM型車輪與標準型面尖軌接觸時，最大等效應力均未超過材料的屈服極限，匹配情況較好；磨耗型車輪與標準型面尖軌接觸時，2 m、3 m處的最大等效應力均超過材料的屈服極限，匹配情況較差；而磨耗型車輪與磨耗型面尖軌接觸時的匹配情況相對較好。

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[責任編輯 鄭淑芳]

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

教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20112124110002); 遼寧省自然科學基金資助項目(201202023).

江荷燕(1990-)，女,大連交通大學碩士生. E-mail:jheyan1990@163.com

張 軍(1972-)，男，大連交通大學教授，博士后. E-mail:zhangjun@djtu.edu.cn

U213.6+3；U272.2

A

1674-3644(2015)01-0041-05