江荷燕，張 軍，張 鐵

( 1. 大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連，116028；2. 沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng)，110300 )

貨車(chē)車(chē)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(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連，116028；2. 沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng)，110300 )

針對(duì)大秦線重載道岔曲尖軌嚴(yán)重磨耗的情況，通過(guò)實(shí)測(cè)貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(diǎn)接觸的區(qū)段以及尖軌上的等效應(yīng)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(chē)輪與2 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，在尖軌軌頂形成較大的應(yīng)力集中，尖軌發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致2 m處尖軌頂部剝離掉塊；LM型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)的匹配情況較好；磨耗車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)的匹配情況較差，而與磨耗后型面尖軌接觸時(shí)的匹配情況相對(duì)較好。

貨車(chē)車(chē)輪；道岔；尖軌；接觸；磨耗

道岔的技術(shù)水平比較集中地反映了一個(gè)國(guó)家鐵路軌道的發(fā)展水平。維護(hù)好道岔，提高其運(yùn)行質(zhì)量，是鐵路提速、創(chuàng)造較大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，列車(chē)開(kāi)行時(shí)對(duì)尖軌的破壞程度很大，導(dǎo)致尖軌磨耗，從而使道岔維修周期縮短、維護(hù)費(fèi)用大幅增加。因此，如何對(duì)道岔尖軌進(jìn)行加強(qiáng)來(lái)延長(zhǎng)道岔設(shè)備的使用壽命是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[2-4]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要集中在列車(chē)過(guò)岔動(dòng)力學(xué)和道岔結(jié)構(gòu)有限元分析方面。高克金等[5]在車(chē)輛道岔系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，分析了不同軸重貨車(chē)通過(guò)道岔時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(diǎn)接觸關(guān)系，計(jì)算了機(jī)車(chē)側(cè)逆向通過(guò)單開(kāi)道岔的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。曹洋等[7]通過(guò)建立整車(chē)模型及道岔整體模型，計(jì)算分析了車(chē)輛作用下道岔不平順狀態(tài)的動(dòng)力響應(yīng)。Kassa等[8-9]建立了列車(chē)與軌道道岔作用的兩種動(dòng)態(tài)仿真模型，應(yīng)用數(shù)值算法對(duì)道岔幾何外形進(jìn)行了優(yōu)化。楊冠嶺等[10]建立基本軌和曲尖軌的實(shí)體模型，對(duì)曲尖軌各截面應(yīng)力、曲尖軌均勻加寬后各截面應(yīng)力以及曲尖軌縮短后各截面應(yīng)力進(jìn)行了分析。王樹(shù)國(guó)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(zhǎng)道岔及其部件使用壽命的技術(shù)。陳嶸等[12]針對(duì)尖軌側(cè)磨等及軌底坡設(shè)置的不同工況建立了三維彈性輪軌接觸模型進(jìn)行輪軌接觸應(yīng)力計(jì)算分析。以上都是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌建立模型進(jìn)行計(jì)算分析。而隨著尖軌的磨耗，尖軌型面不斷變化，標(biāo)準(zhǔn)型面只占其中的一小部分。本文針對(duì)大秦線重載線路道岔嚴(yán)重磨損問(wèn)題，以其75kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔曲線尖軌為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同磨耗階段的尖軌型面及重載貨車(chē)車(chē)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(duì)尖軌與車(chē)輪接觸的位置及等效應(yīng)力進(jìn)行模擬，分析重載線路貨車(chē)車(chē)輪側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)對(duì)尖軌的磨耗影響，以期為單開(kāi)道岔曲尖軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 車(chē)輪型面比較及不同尖軌型面分析

1.1 車(chē)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(chē)，用輪軌型面測(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)大量的重載貨車(chē)車(chē)輪型面并從中選出磨耗中期階段一個(gè)具有代表性的車(chē)輪型面，記作磨耗型車(chē)輪型面，與貨車(chē)車(chē)輪標(biāo)準(zhǔn)型面(LM型面)進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。由圖1可知，相對(duì)于LM型車(chē)輪型面，磨耗型車(chē)輪型面變化較大，其車(chē)輪踏面和輪緣根部均發(fā)生磨損。

圖1 磨耗型車(chē)輪型面與LM型車(chē)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(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)大秦線75 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔不同磨耗階段的尖軌型面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，大秦線75 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔尖軌在距尖軌尖端前3 m內(nèi)磨耗非常嚴(yán)重，2 m處尖軌頂部甚至發(fā)生剝離掉塊，而超過(guò)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(jìn)行研究。各位置處選取3個(gè)不同磨耗階段的尖軌型面，分別標(biāo)記為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型型面。將未磨耗的標(biāo)準(zhǔn)尖軌型面標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)型面。不同位置處各階段的尖軌型面測(cè)量結(jié)果如圖2所示。由圖2中可以看出，尖軌從標(biāo)準(zhǔn)型面磨耗至Ⅲ型型面的過(guò)程中，在1m處和2m處尖軌的頂部和側(cè)面都嚴(yán)重磨耗，而3m處尖軌軌頂磨耗較嚴(yán)重。

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

2 車(chē)輪與尖軌接觸有限元模型的建立

圖3所示為車(chē)輪對(duì)與尖軌的接觸位置示意圖。由于列車(chē)側(cè)向過(guò)岔時(shí)車(chē)輪的橫向力主要由車(chē)輪輪緣及根部與尖軌的相互作用產(chǎn)生，故建模時(shí)使車(chē)輪輪緣與尖軌側(cè)面貼靠?；贖yperMesh建立車(chē)輪與尖軌接觸的彈塑性有限元模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸區(qū)最小單元尺度設(shè)為1mm。車(chē)輪與尖軌接觸時(shí)的局部有限元模型圖如圖4所示。

將三維實(shí)體模型導(dǎo)入大型有限元計(jì)算軟件Marc，進(jìn)行參數(shù)定義并計(jì)算。定義邊界條件為：軸重25 t垂直加在輪軸兩端，車(chē)速V=80 km/h，圓曲線半徑r=350 m。由公式F=mv2/r計(jì)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(lèi)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(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌的接觸情況

LM型車(chē)輪與距離尖軌尖端1、2、3 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)的接觸斑如圖5所示。由圖5中可見(jiàn)，在1、2 m處，LM型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型尖軌接觸時(shí)，車(chē)輪與基本軌有接觸，與尖軌的接觸呈一點(diǎn)接觸，接觸斑在軌距角附近尖軌側(cè)面，呈狹長(zhǎng)條狀；在3 m處，車(chē)輪與基本軌無(wú)接觸，與尖軌呈兩點(diǎn)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(chē)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(shí)車(chē)輪輪緣及根部分別與尖軌側(cè)面和軌頂接觸。

LM型車(chē)輪與距離尖軌尖端1、2、3 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)的等效應(yīng)力如圖6所示。由圖6中可以看出，LM型車(chē)輪與距尖端1 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，接觸的最大等效應(yīng)力在基本軌上，尖軌上的等效應(yīng)力相對(duì)較?。慌c距尖端2 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，最大等效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，尖軌上的最大等效應(yīng)力繼續(xù)增大，為846.3 MPa。由1 m處到3 m處，最大等效應(yīng)力由基本軌不斷地向尖軌轉(zhuǎn)移，尖軌上的最大等效應(yīng)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(dǎo)致。

由圖6中還可知，前3 m尖軌上的最大等效應(yīng)力均未達(dá)到屈服極限。表明LM型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，匹配情況良好。

Fig.6 Equivalent stresses on switch rail with standard profile

3.2 磨耗型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)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(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)的接觸斑。磨耗型車(chē)輪與距離尖軌尖端1 m位置處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，接觸斑在尖軌側(cè)面軌距角以下，呈狹長(zhǎng)條狀；與距尖端2 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，接觸斑在尖軌頂部，呈矩形狀，比較圖5(b)中2 m處LM型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型尖軌接觸的接觸斑可知，磨耗型車(chē)輪與尖軌接觸時(shí)的接觸斑面積較大；與距尖端3 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，接觸斑在尖軌頂部及側(cè)面，呈矩形條狀。

由等效應(yīng)力圖分析可知，磨耗型車(chē)輪與1、2、3 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)尖軌上的最大等效應(yīng)力分別為581.3、1141、1076 MPa，可見(jiàn)磨耗型車(chē)輪與1 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)尖軌上的最大等效應(yīng)力未達(dá)到屈服極限，而與2、3 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)尖軌上的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)屈服極限，尤其是2m處，最大等效應(yīng)力高達(dá)1141MPa，并在尖軌頂部形成應(yīng)力集中(見(jiàn)圖8)。這主要是由于車(chē)輪踏面和輪緣的磨耗，使輪緣根部與尖軌頂部接觸所導(dǎo)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(chē)輪嚴(yán)重受損。然而每次新?lián)Q標(biāo)準(zhǔn)型尖軌都會(huì)有大量磨耗型車(chē)輪通過(guò)，所以這種不利損害是不可避免的。

圖7 磨耗型面車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)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(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)尖軌上的等效應(yīng)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(chē)輪與磨耗型面尖軌的接觸

由磨耗型車(chē)輪與不同磨耗型面尖軌接觸時(shí)的接觸斑圖可見(jiàn)，磨耗型車(chē)輪分別與距離尖軌尖端1、2 m處各種型面尖軌接觸時(shí)，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(shì)，且接觸斑均呈長(zhǎng)條矩形狀；與3 m處Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型型面尖軌接觸時(shí)，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(chē)輪與不同位置處磨耗型面尖軌接觸的最大等效應(yīng)力如圖9所示。由圖9中可知，磨耗型車(chē)輪在1、2、3 m處分別與Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型型面尖軌接觸時(shí)，只有與3 m處Ⅱ型型面尖軌接觸時(shí)尖軌上的最大等效應(yīng)力(997.9 MPa)超過(guò)屈服極限，但比3 m處磨耗型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)尖軌上的最大等效應(yīng)力1076 MPa降低了7.26%，表明磨耗型車(chē)輪與磨耗型面尖軌接觸時(shí)的匹配情況較其與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)的匹配情況好。

圖9 磨耗型車(chē)輪與不同位置處磨耗型面尖軌接觸時(shí)的最大等效應(yīng)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(hào)單開(kāi)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(diǎn)接觸的區(qū)段以及尖軌上的等效應(yīng)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(chē)輪與距尖軌尖端2 m處標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，由于車(chē)輪的磨耗及尖軌軌頂寬度較窄，在尖軌軌頂形成較大的應(yīng)力集中，尖軌發(fā)生塑性變形，易壓潰尖軌頂部，導(dǎo)致2 m處尖軌頂部剝離掉塊。

(3)LM型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，最大等效應(yīng)力均未超過(guò)材料的屈服極限，匹配情況較好；磨耗型車(chē)輪與標(biāo)準(zhǔn)型面尖軌接觸時(shí)，2 m、3 m處的最大等效應(yīng)力均超過(guò)材料的屈服極限，匹配情況較差；而磨耗型車(chē)輪與磨耗型面尖軌接觸時(shí)的匹配情況相對(duì)較好。

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[責(zé)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(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20112124110002); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201202023).

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

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

U213.6+3；U272.2

A

1674-3644(2015)01-0041-05