鄭兆光，徐井芒，閆 正，陳嘉胤，王 平

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

中國鐵路科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司根據(jù)我國高速鐵路多年的運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以CHN60鋼軌為原型研究設(shè)計(jì)出了新型60N鋼軌。60N鋼軌在區(qū)間線路的應(yīng)用改善了輪軌接觸幾何關(guān)系[1]，但道岔區(qū)使用的仍然是CHN60鋼軌，區(qū)間線路和道岔區(qū)不一樣的鋼軌截面形式可能對(duì)高速列車運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生不利影響。在列車運(yùn)行過程中車輪始終處于動(dòng)態(tài)磨損狀態(tài)，輪軌接觸幾何和接觸力學(xué)特性會(huì)因此產(chǎn)生較大改變[2]。與區(qū)間線路相比，道岔區(qū)輪軌相互作用更加劇烈。

針對(duì)60N鋼軌的相關(guān)問題，專家學(xué)者做了大量研究。馬曉川等[1]針對(duì)磨耗車輪和60N鋼軌在區(qū)間線路上的接觸特性進(jìn)行了分析，研究表明：相比CHN60鋼軌，60N鋼軌的幾何和力學(xué)特性更優(yōu)；王健等[3]研究了我國高速鐵路使用的三種車輪型面和60N鋼軌的匹配性能；周清躍等[4]針對(duì)新設(shè)計(jì)應(yīng)用的60N鋼軌進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明60N鋼軌和車輪接觸具有更優(yōu)良的幾何和力學(xué)特性；Wang等[5]研究了我國三種高速車輪和60N鋼軌的匹配問題，其中S1002匹配性能最好，LMA居中，XP55最差；馬曉川等[6]建立了車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比了CHN60和60N鋼軌，研究表明60N鋼軌和LMA磨耗車輪匹配的動(dòng)力學(xué)性能更好。目前，60N鋼軌道岔試驗(yàn)研究表明，60N鋼軌加工成的尖軌光帶變窄，且靠近尖軌非工作邊，可能導(dǎo)致非工作邊縱向水平裂紋，因此在尖軌機(jī)加工段采用60N鋼軌廓形存在爭(zhēng)議?，F(xiàn)階段針對(duì)60N鋼軌的研究集中在區(qū)間線路，而道岔區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，輪軌接觸特性和區(qū)間線路存在較大差別。因此有必要針對(duì)60N鋼軌在高速道岔的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

車輪磨耗對(duì)輪軌接觸特性影響很大，專家學(xué)者們針對(duì)此問題做了大量的研究。陳嶸等[2]針對(duì)磨耗車輪和速度250 km/h 18號(hào)高速道岔的接觸特性進(jìn)行了分析，研究表明車輪踏面磨耗對(duì)輪軌接觸影響較大；錢瑤[7]通過考慮道岔區(qū)廓形變截面特點(diǎn)的法向切割法，分析了車輪磨耗對(duì)道岔區(qū)輪軌接觸幾何參數(shù)的影響；肖乾等[8]研究了車輪磨耗對(duì)車岔耦合作用的影響，結(jié)果表明車輪磨耗對(duì)鋼軌振動(dòng)影響較大；童達(dá)鵬[9]通過建立車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型和有限元方法，對(duì)車輪磨耗問題進(jìn)行了多方位分析；陶功權(quán)等[10]建立了多個(gè)車輪踏面的滾動(dòng)接觸疲勞模型，研究表明磨耗車輪通過小半徑曲線易引起車輪踏面?zhèn)麚p；Chen等[11]針對(duì)車輪凹型磨耗建立了車輛-道岔耦合模型，計(jì)算分析了其對(duì)列車運(yùn)行平順性和接觸疲勞的影響。上述研究結(jié)果表明車輪的磨耗對(duì)輪軌接觸行為和輪軌動(dòng)態(tài)相互作用產(chǎn)生了很大的影響，本文采用磨耗車輪進(jìn)行計(jì)算更符合實(shí)際工況。

本文依據(jù)跡線法原理和三維非赫茲彈性體滾動(dòng)接觸理論，研究速度350 km/h 60N鋼軌18號(hào)高速道岔轉(zhuǎn)轍器部分和實(shí)測(cè)LMA磨耗車輪間的接觸幾何和力學(xué)特性，對(duì)比60N和CHN60鋼軌道岔的區(qū)別，為60N鋼軌在高速道岔上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 60N鋼軌高速道岔與磨耗車輪

1.1 60N鋼軌18號(hào)高速道岔空間結(jié)構(gòu)

鋼軌頂面廓形、車輪踏面廓形都由多段圓曲線構(gòu)成，為保持廓形光滑且滿足后續(xù)計(jì)算要求，通過式( 1 )三次樣條函數(shù)插值、擬合道岔各關(guān)鍵斷面鋼軌廓形和不同運(yùn)營里程車輪廓形。

( 1 )

式中：S(x)為通過所有坐標(biāo)點(diǎn)(xk,yk) (k=0,1,2,…,n)的一條光滑曲線；Mk為S(y)在xk處二階導(dǎo)數(shù)；x為區(qū)間[xk-1,xk]上的任意點(diǎn)；lk=xk-xk-1。

曲線擬合之前，通過軟件CAD導(dǎo)出道岔鋼軌關(guān)鍵斷面廓形坐標(biāo)，且為滿足計(jì)算精度要求[2],離散點(diǎn)取3 000個(gè)。由于道岔區(qū)鋼軌廓形隨線路里程不斷變化，為得到中間非關(guān)鍵斷面鋼軌廓形坐標(biāo)，將尖軌和基本軌分開離散和插值[9]，通過空間線性插值程序得到尖軌寬度3.0～69.3 mm之間的任意非控制斷面廓形，由此建立的道岔轉(zhuǎn)轍器空間結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 60N鋼軌18號(hào)高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)直尖軌空間結(jié)構(gòu)

由圖1可知，為保證尖軌在承受列車荷載時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，在尖軌和基本軌間設(shè)置了相對(duì)高差，沿y方向側(cè)視道岔尖軌斷面，尖軌頂寬3.0～15.0 mm和15.0～40.0 mm分段內(nèi)，尖軌和基本軌的軌頂面相對(duì)高差逐漸減小，尖軌頂寬大于40.0 mm后尖軌高度和基本軌相同。沿Z方向俯視尖軌軌頭寬度變化，在尖軌頂寬大于40.0 mm后，尖軌軌頭寬度增大速率加快。高速道岔采用了輪載過渡段前移技術(shù)，輪載過渡范圍的起點(diǎn)從20.0 mm前移至15.0 mm。綜合考慮轉(zhuǎn)轍器區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取尖軌頂寬0、15.0、35.0、50.0 mm處鋼軌廓形進(jìn)行分析。為模擬真實(shí)的鋼軌預(yù)打磨狀態(tài)，對(duì)尖軌頂部處作半徑3.0 mm的倒圓角處理。

尖軌頂寬35.0 mm鋼軌斷面位于輪載過渡段，其接觸行為較為復(fù)雜，能夠有效的代表道岔區(qū)的輪載接觸行為，后文將著重對(duì)其進(jìn)行分析。由圖2可知，60N廓形比CHN60廓形向內(nèi)收縮，約1.15 mm。

圖2 60N和CHN60鋼軌在尖軌頂寬35.0 mm處對(duì)比

1.2 磨耗車輪踏面廓形及磨耗量

圖3(a)為某線路上CRH2型動(dòng)車組上LMA車輪跟蹤記錄結(jié)果[2]，圖3(b)為該車輪不同運(yùn)營里程的磨耗量，坐標(biāo)原點(diǎn)在車輪名義滾動(dòng)圓處。車輪磨耗主要分布在y坐標(biāo)-20～35 mm之間，導(dǎo)致在踏面形成凹陷，輪緣磨耗量較小，因此該車輪為凹型磨耗車輪。隨著列車運(yùn)營里程的增加，車輪磨耗速度越來越快，說明隨著磨耗量變大，輪軌相互作用越來越激烈。輪緣磨耗相對(duì)較小，尤其是車輪運(yùn)行10 萬km后，輪緣基本不發(fā)生磨耗。

圖3 某線路實(shí)測(cè)不同運(yùn)營里程LMA車輪

2 輪軌接觸幾何

本節(jié)通過跡線法[12]，求解在車輪不同橫移量下輪軌接觸點(diǎn)空間位置，并進(jìn)一步求得等效錐度，分析不同磨耗車輪和60N鋼軌高速道岔的幾何接觸特征，與CHN60鋼軌高速道岔對(duì)比，計(jì)算中不考慮輪對(duì)搖頭角的變化。

主要計(jì)算參數(shù)：軌距為1 435 mm，輪背距為1 353 mm，尖軌和基本軌的軌頂坡為1:40，名義滾動(dòng)圓半徑為460 mm，輪背到名義滾動(dòng)圓處水平距離為70 mm，輪對(duì)橫移量取-12～12 mm，以車輪橫向坐標(biāo)軸正向?yàn)檎?，橫移量步長取0.5 mm。

2.1 輪軌接觸點(diǎn)分布

取60N和CHN60鋼軌高速道岔在尖軌頂寬50 mm處廓形坐標(biāo)，采用三次樣條函數(shù)對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合。跡線法求解輪軌接觸點(diǎn)有兩個(gè)幾何約束條件[12]：①輪軌接觸點(diǎn)處車輪和鋼軌廓形坐標(biāo)差值為零，非接觸點(diǎn)處大于零；②輪軌接觸點(diǎn)處輪軌廓形相切。條件①和條件②等價(jià)，本文采用條件①確定輪軌接觸點(diǎn)位置，通過條件②對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

在尖軌頂寬50 mm處，接觸點(diǎn)對(duì)位置分布見圖4。由圖4可見，隨著橫移量的變化，60N鋼軌對(duì)應(yīng)的輪軌接觸點(diǎn)分布更加集中，主要分布在鋼軌軌頂；CHN60鋼軌對(duì)應(yīng)的輪軌接觸點(diǎn)分布較為分散，且容易轉(zhuǎn)移到尖軌頂部和軌距角處，容易引起較大輪軌接觸應(yīng)力和輪軌接觸點(diǎn)的跳躍，不利于車輛的平穩(wěn)運(yùn)行。故較CHN60鋼軌，在速度350 km/h 18號(hào)高速道岔中應(yīng)用60N鋼軌能夠提升車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。

60N鋼軌道岔不同尖軌頂寬處的輪軌接觸點(diǎn)分布見圖5。由圖5(a)可知，在橫移量小于10 mm時(shí)，接觸點(diǎn)分布在鋼軌中心位置左右，不易產(chǎn)生輪軌接觸點(diǎn)的跳躍，有利于提升列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和旅客的舒適度。隨著車輪磨耗的增加，輪軌接觸點(diǎn)逐漸偏離鋼軌中心，偏移量和運(yùn)營里程的增加呈正相關(guān)，增大了橫向結(jié)構(gòu)不平順，列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性下降。由圖5(b)可知，在車輪運(yùn)營里程0～15萬km，接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到尖軌所需要的橫移量逐漸變小，在運(yùn)營里程15萬km后不變。車輪的磨耗容易導(dǎo)致尖軌提前受力，對(duì)鋼軌的服役壽命產(chǎn)生不利影響。由圖5(c)可知，在尖軌頂寬35 mm處，運(yùn)營里程10萬km及以下的車輪和鋼軌接觸點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到尖軌，但在運(yùn)營里程15萬km及以上的車輪和鋼軌的接觸點(diǎn)普遍分布在基本軌上。由圖5(d)可知，25萬km運(yùn)營里程的車輪與鋼軌的接觸點(diǎn)仍然可能分布在基本軌上，即隨著車輪磨耗量增大，輪載過渡位置向尖軌大頂寬方向轉(zhuǎn)移，這必然導(dǎo)致車輪跳躍距離增大，導(dǎo)致更大的橫向不平順，不利于行車平穩(wěn)性的保持。

圖4 輪軌接觸點(diǎn)對(duì)位置分布

圖5 不同尖軌頂寬鋼軌斷面隨橫移量變化的接觸點(diǎn)分布

2.2 等效錐度

輪軌接觸點(diǎn)結(jié)果較為分散，需要更加簡(jiǎn)化的參數(shù)來描述輪軌接觸幾何特性，其中等效錐度應(yīng)用廣泛。計(jì)算等效錐度的方法有很多，其中UIC519算法考慮了車輪的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確[13]，本文中等效錐度是根據(jù)UIC519算法編程計(jì)算得到。此方法將軌道上自由運(yùn)動(dòng)的輪對(duì)微分方程描述為

( 2 )

式中：y為輪對(duì)橫移量；v為車輪前進(jìn)方向的速度；d為左右軌上接觸點(diǎn)間水平距離；r0為名義滾動(dòng)圓半徑；Δr為左右軌上車輪實(shí)際滾動(dòng)半徑差。

將車輛前進(jìn)速度設(shè)為常數(shù)即v=dy/dx，車輪外形設(shè)為γ角的錐形，將( 2 )式改寫為

( 3 )

常系數(shù)二階微分方程的解為波長λ的正弦波

( 4 )

本文采用LMA磨耗車輪踏面，是非錐形踏面，需要采用線性化的方法，在微分方程中以等效錐度tanγe代替tanγ。應(yīng)用Klingel公式得到所求的等效錐度tanγe為

( 5 )

式中：波長λ為

( 6 )

式中：ye為Δr為零時(shí)輪對(duì)橫移量；yemin和yemax分別為車輪運(yùn)動(dòng)在y軸上的最小和最大坐標(biāo)值；αk為車輪搖頭角；C為積分常數(shù)。參數(shù)具體定義及推導(dǎo)見參考文獻(xiàn)[7]。由于UIC519方法求出的等效錐度曲線左、右對(duì)稱，因此本文只列出正向橫移下的等效錐度。

圖6為不同尖軌頂寬處隨橫移量變化下等效錐度。由圖6可知，隨著車輪磨耗的加深，相同橫移量下等效錐度越來越大，列車的動(dòng)力學(xué)性能降低。由圖6(a)可知，標(biāo)準(zhǔn)的LMA車輪與鋼軌接觸的等效錐度普遍小于0.05，隨著車輪型面的演變，其等效錐度普遍小于0.15，且隨著橫移量的增加變化不大。與CHN60鋼軌[7]對(duì)比，LMA車輪和60N鋼軌匹配時(shí)等效錐度更小，且隨著橫移量變化等效錐度值更為穩(wěn)定。說明LMA車輪和60N鋼軌匹配時(shí)具有更好的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。

圖6 不同尖軌頂寬處隨橫移量變化下等效錐度

3 三維非赫茲滾動(dòng)接觸計(jì)算

Kalker將鋼軌簡(jiǎn)化為彈性半空間，通過余虛功原理求解輪軌接觸問題，得到的三維非赫茲滾動(dòng)接觸理論，及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的程序Contact，是目前最為完善的接觸求解方法[14]。本文將采用數(shù)值程序Contact計(jì)算速度350 km/h 60N鋼軌18號(hào)高速道岔和LMA磨耗車輪間的法向接觸應(yīng)力，接觸斑面積和滾動(dòng)接觸疲勞因子，分析車輪磨耗和輪對(duì)橫移對(duì)道岔區(qū)輪軌接觸力學(xué)的影響，并對(duì)60N和CHN60鋼軌的靜力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。

主要計(jì)算參數(shù)：軸重14 t，剪切模量82 GPa，泊松比0.28，摩擦系數(shù)0.3，鋼軌材料極限剪切強(qiáng)度取350 MPa，Contact算法中網(wǎng)格單元取為0.2 mm×0.2 mm，輪對(duì)橫移范圍為0～10 mm,輪對(duì)橫移量步長取為1 mm；選取右側(cè)輪軌作為研究對(duì)象。

3.1 無橫移狀態(tài)下車輪廓形演變對(duì)法向接觸應(yīng)力的影響

輪軌法向接觸應(yīng)力對(duì)輪軌接觸疲勞的影響顯著[1]。無橫移狀態(tài)下軌輪間接觸應(yīng)力和接觸斑面積隨列車運(yùn)營顯示里的變化規(guī)律見圖7。由圖7可知，輪軌法向接觸應(yīng)力和接觸斑面積呈負(fù)相關(guān)。在尖軌頂寬為0、15、50 mm處，輪軌接觸點(diǎn)主要分布在基本軌側(cè)，由圖7(a)可知，車輪經(jīng)過初期磨耗，減少了輪軌間的共形度，因此使得輪軌間的法向接觸應(yīng)力變大。文獻(xiàn)[2]指出，車輪的初期磨耗減少了與CHN60鋼軌間的接觸應(yīng)力，和60N鋼軌高速道岔的結(jié)論相反，原因是60N鋼軌和無磨耗的LMA車輪具有更好的共形度，車輪的初期磨耗使得和60N鋼軌間的接觸關(guān)系變差。由圖7(a)可知，在尖軌頂寬為35 mm處，車輪經(jīng)過初期的磨耗，輪軌接觸點(diǎn)分布在尖軌，輪軌間的法向接觸應(yīng)力減小。尖軌頂寬35 mm處和不同運(yùn)營里程車輪的接觸斑形狀分布見圖8。由圖8可見，車輪的初期磨耗使得尖軌上接觸斑向軌距角方向偏移，接觸斑面積增大；隨著列車運(yùn)營里程增加，接觸斑上出現(xiàn)多個(gè)法向接觸應(yīng)力極大值，輪軌接觸狀態(tài)變差。

圖7 無橫移狀態(tài)下輪軌間接觸應(yīng)力和接觸斑面積隨列車運(yùn)營里程的變化規(guī)律

圖8 尖軌頂寬35 mm處和不同運(yùn)營里程車輪的接觸斑形狀及分布

3.2 輪對(duì)橫移量對(duì)法向接觸應(yīng)力的影響

列車在實(shí)際運(yùn)行過程中橫移量一般不為零，輪對(duì)無法保持對(duì)中狀態(tài)，因此有必要研究不同輪對(duì)橫移量下的接觸力學(xué)行為。

圖9為不同橫移量下輪軌法向接觸應(yīng)力。由圖9(a)可知，在橫移量小于9 mm，車輪磨耗量相同的條件下，隨著輪對(duì)橫移量的變化，輪軌間最大法向接觸應(yīng)力變化很小，說明60N鋼軌對(duì)于LMA車輪發(fā)生橫移具有很好的力學(xué)適應(yīng)性能。由圖9(b)可知，對(duì)運(yùn)營里程15萬km及以上的車輪，當(dāng)橫移量達(dá)到6 mm時(shí)最大法向接觸應(yīng)力突增出現(xiàn)極大值，易造成尖軌傷損。由圖9(c)可知，隨橫移量的變化,標(biāo)準(zhǔn)輪軌間接觸應(yīng)力值一直較大，過大的接觸應(yīng)力容易引發(fā)尖軌磨耗。由圖9(d)可見，列車運(yùn)營里程小于20萬km時(shí)，輪軌最大法向接觸應(yīng)力和尖軌尖端相似；當(dāng)列車運(yùn)營里程25萬km時(shí)，且在橫移量小于7 mm時(shí)，輪軌法向接觸應(yīng)力較大，由2.1可知，此時(shí)輪軌接觸點(diǎn)分布在曲基本軌，輪軌接觸狀態(tài)較差。

圖9 不同橫移量下輪軌法向接觸應(yīng)力

為描述車輪磨耗對(duì)輪載轉(zhuǎn)移過程中，接觸斑的形狀、位置及應(yīng)力幅值的變化，以尖軌頂寬35 mm斷面為例，通過數(shù)值程序Contact計(jì)算輪軌接觸斑網(wǎng)格上法向接觸應(yīng)力，圖10為60N鋼軌高速道岔和三種磨耗車輪發(fā)生接觸時(shí)，在不同輪對(duì)橫移量下的接觸斑分布圖。由圖10可知，隨著車輪型面的演變，輪載過渡位置逐漸延后，增大了橫向結(jié)構(gòu)不平順，導(dǎo)致更大的輪軌動(dòng)力學(xué)相互作用，對(duì)列車通過道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)不利；隨著橫移量的增大，接觸斑形狀變化較大，在橫移量達(dá)到9 mm時(shí)，接觸點(diǎn)分布在軌距角處，且在接觸斑上存在多個(gè)接觸點(diǎn)，接觸狀態(tài)不良；當(dāng)車輪過岔時(shí)橫移量過大易出現(xiàn)輪緣接觸，導(dǎo)致輪軌間發(fā)生多點(diǎn)接觸，引起較大輪軌沖擊振動(dòng)作用；輪載過渡位置和輪對(duì)橫移量有關(guān)，輪對(duì)橫移量越大，輪載過渡越晚。

圖10 尖軌頂寬35 mm處不同橫移量下接觸斑分布

3.3 滾動(dòng)接觸疲勞因子

安定理論能夠快速且準(zhǔn)確的識(shí)別荷載水平和輪軌滾動(dòng)接觸中材料的棘輪效應(yīng)、低循環(huán)疲勞等因素的聯(lián)系，表面滾動(dòng)接觸疲勞因子[10]是基于安定圖模型，用于預(yù)測(cè)鋼軌表面是否會(huì)出現(xiàn)疲勞傷損的參數(shù)。輪軌接觸斑上任意節(jié)點(diǎn)上疲勞系數(shù)fIsurf定義為

( 7 )

( 8 )

式中：k為鋼軌材料的剪切屈服強(qiáng)度(本文取350 MPa)；ft為牽引系數(shù)；px、py、pz為接觸斑中任意節(jié)點(diǎn)的縱向、橫向和法向接觸應(yīng)力。

公式( 7 )的推導(dǎo)基于赫茲接觸理論，通過條帶法將其應(yīng)用于非赫茲接觸[15]。通過式( 7 )求得接觸斑每一節(jié)點(diǎn)上的疲勞系數(shù)，表面滾動(dòng)接觸疲勞因子定義為其中的最大值，其意義為：當(dāng)表面滾動(dòng)接觸疲勞因子大于0時(shí)，鋼軌材料中的切向應(yīng)力大于其自身的剪切屈服強(qiáng)度，從而進(jìn)入疲勞區(qū)，此時(shí)鋼軌易出現(xiàn)疲勞裂紋。

不同尖軌頂寬處鋼軌表面滾動(dòng)接觸疲勞因子見圖11。由圖11可見,隨著車輪磨耗程度增大，輪軌間的滾動(dòng)接觸疲勞因子增大較為明顯，鋼軌表面更容易出現(xiàn)接觸疲勞現(xiàn)象。由圖11(c)可見，當(dāng)車輪運(yùn)營里程小于10萬km時(shí)，鋼軌的表面滾動(dòng)接觸疲勞因子分布在疲勞區(qū)邊界位置，易引起尖軌表面的接觸疲勞。車輪橫移量大于7 mm且運(yùn)營里程大于15萬km時(shí)，鋼軌表面易進(jìn)入疲勞區(qū)，容易出現(xiàn)疲勞傷損；橫移量達(dá)到10 mm時(shí)，輪軌接觸進(jìn)入表面滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)，輪軌接觸斑上全部為滑動(dòng)區(qū)，輪軌間的切向應(yīng)力全為滑動(dòng)摩擦力，鋼軌表面易產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖11 不同尖軌頂寬處鋼軌表面滾動(dòng)接觸疲勞因子

3.4 60N和CHN60鋼軌高速道岔接觸力學(xué)對(duì)比

為對(duì)比60N和CHN60鋼軌應(yīng)用在350 km/h 18號(hào)高速道岔的接觸力學(xué)區(qū)別，以尖軌頂寬35 mm關(guān)鍵斷面為例，圖12所示為CHN60和60N鋼軌高速道岔法向接觸應(yīng)力比值，圖13為CHN60和60N鋼軌高速道岔表面滾動(dòng)接觸疲勞因子差值。

圖12 CHN60和60N鋼軌道岔法向接觸應(yīng)力比值

圖13 CHN60和60N鋼軌道岔滾動(dòng)接觸疲勞因子差值

由圖12可見，輪對(duì)橫移量為0～3 mm時(shí)，和CHN60鋼軌相比，各磨耗車輪和60N鋼軌間的法向接觸應(yīng)力普遍較大，但是差距較小；輪對(duì)橫移量在6～10 mm時(shí)，和CHN60鋼軌相比，60N鋼軌和各磨耗車輪間的法向接觸應(yīng)力普遍較?。坏珜?duì)于標(biāo)準(zhǔn)車輪，和60N鋼軌間的輪軌接觸應(yīng)力比CHN60鋼軌大。由圖13可見，滾動(dòng)接觸疲勞因子的分布和法向接觸應(yīng)力具有類似的性質(zhì)。

CHN60鋼軌廓形曲率半徑較60N鋼軌更大，但在橫移量為6～10 mm時(shí)，其最大法向接觸應(yīng)力和表面滾動(dòng)接觸疲勞因子的值普遍比60N鋼軌大，接觸力學(xué)性能更差，原因由2.1可知各磨耗程度車輪易和CHN60鋼軌的軌距角位置接觸，降低了輪軌間的接觸力學(xué)性能，而60N鋼軌和LMA磨耗車輪的接觸點(diǎn)集中在鋼軌中心區(qū)域，從而減少了道岔鋼軌在軌距角位置處的疲勞傷損，具有更好的接觸力學(xué)性能。

4 結(jié)論

(1)在相同的車輛運(yùn)營里程下，60N鋼軌上接觸點(diǎn)分布更加集中，等效錐度更小，在尖軌頂部和軌距角處發(fā)生接觸的概率更低，不易引起輪軌接觸點(diǎn)的跳躍，60N鋼軌高速道岔上的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性更好。輪對(duì)橫移量在6～10 mm時(shí)，與CHN60鋼軌相比，60N鋼軌上的法向接觸應(yīng)力及表面滾動(dòng)接觸疲勞因子普遍更小，軌距角處更不易發(fā)生疲勞傷損。

(2)隨著車輪廓形的演變，接觸點(diǎn)在60N鋼軌高速道岔上的分布越來越分散，在軌距角處發(fā)生接觸的概率增加，等效錐度增大，輪載過渡位置延后，道岔區(qū)橫向結(jié)構(gòu)不平順增大，對(duì)行車平穩(wěn)性不利。

(3)車輪的前期磨耗減少了LMA車輪和60N鋼軌間的共形度，輪軌接觸關(guān)系變差；車輪的前期磨耗使尖軌上輪軌法向接觸應(yīng)力略微減小。在尖軌頂寬35 mm處，標(biāo)準(zhǔn)輪軌接觸點(diǎn)集中在尖軌頂部，接觸應(yīng)力和滾動(dòng)接觸疲勞因子較大，易加劇尖軌的磨耗。車輪廓形的演變，易引起輪軌間的兩點(diǎn)及多點(diǎn)接觸，對(duì)行車平穩(wěn)性不利。車輪磨耗量增大或者在較大的輪對(duì)橫移量下都容易導(dǎo)致鋼軌進(jìn)入表面滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)，產(chǎn)生疲勞傷損。