張英才，張 軍

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，北京100044)*

0 引言

在我國(guó)，三分之一的鐵路線是曲線，而其中半徑小于600 m的線路約占半數(shù)［1］.機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)，由于輪軌之間的接觸幾何關(guān)系和接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致車(chē)輪與鋼軌之間存在不同程度的磨耗問(wèn)題，尤其是隨著列車(chē)曲線通過(guò)速度的不斷提高，機(jī)車(chē)車(chē)輪輪緣磨耗日益嚴(yán)重，情況嚴(yán)重的區(qū)段，機(jī)車(chē)走行數(shù)萬(wàn)公里輪緣就磨耗到限，到限后的車(chē)輪需要進(jìn)行鏇修修復(fù)車(chē)輪外形，按照J(rèn)M-3型面鏇修最多可鏇修兩次，之后就需更換新的車(chē)輪，這在很大程度上影響我國(guó)鐵路的發(fā)展.

車(chē)輪鏇修是服役機(jī)車(chē)維護(hù)的重要內(nèi)容，而鏇修后車(chē)輪踏面外形直接影響服役機(jī)車(chē)的輪軌關(guān)系和車(chē)輪直徑鏇修量.歐洲高速鐵路科研人員對(duì)鏇修用的車(chē)輪踏面外形進(jìn)行過(guò)大量研究［2-3］，并形成了鏇修用的車(chē)輪踏面外形標(biāo)準(zhǔn).俄羅斯曾經(jīng)研究過(guò)用輪緣厚度30和27 mm修理用的車(chē)輪踏面外形代替輪緣厚度33 mm的國(guó)標(biāo)踏面外形進(jìn)行車(chē)輪旋修時(shí)能減少34% ～50%的金屬切削量，同時(shí)也增加了輪對(duì)總使用壽命［4］.國(guó)內(nèi)學(xué)者在車(chē)輪踏面外形設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面也進(jìn)行過(guò)大量研究［5-7］，如沈鋼、葉志森等學(xué)者用接觸角曲線反推法設(shè)計(jì)鐵路車(chē)輪踏面外形等，但針對(duì)車(chē)輪輪緣的鏇修外形研究較少.

本文通過(guò)型面測(cè)量?jī)x，對(duì)蘇家屯機(jī)務(wù)段的機(jī)車(chē)車(chē)輪外形進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)量，并依據(jù)所得大量數(shù)據(jù)分析車(chē)輪型面磨耗規(guī)律，建立輪軌彈塑性接觸模型，為機(jī)車(chē)車(chē)輪鏇修型面外形設(shè)計(jì)以及延長(zhǎng)車(chē)輪使用壽命、降低機(jī)車(chē)維護(hù)成本、減少資源浪費(fèi)等提供理論依據(jù).

1 薄輪緣機(jī)車(chē)輪緣外形設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)車(chē)車(chē)輪磨耗情況分析

本文對(duì)沈陽(yáng)鐵路局蘇家屯機(jī)務(wù)段大量輪緣檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，將機(jī)車(chē)輪緣磨耗大致分為2個(gè)階段:第1階段，車(chē)輪輪緣厚度從34降低至29 mm，機(jī)車(chē)運(yùn)行公里數(shù)大致為14萬(wàn)公里，輪緣磨耗量隨運(yùn)行里程數(shù)呈線性遞增，初期輪緣磨耗速率較快約為0.36 mm/萬(wàn)公里，呈快速磨耗期;第2階段，輪緣厚度從29降低至24 mm，機(jī)車(chē)運(yùn)行公里數(shù)大致為36萬(wàn)公里，機(jī)車(chē)運(yùn)行單位萬(wàn)公里輪緣磨耗量相對(duì)減少，輪緣磨耗速率約為0.14 mm/萬(wàn)公里，相對(duì)第1階段明顯變小，車(chē)輪輪緣磨耗進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期.如圖1所示.

圖1 機(jī)車(chē)輪緣厚度與運(yùn)行里程的關(guān)系

根據(jù)本文得到的機(jī)車(chē)輪緣厚度與運(yùn)行里程的關(guān)系，將處于機(jī)車(chē)輪緣快速磨耗階段的車(chē)輪，按照輪緣厚度大致分4個(gè)時(shí)期，分別為:磨耗Ⅰ期、磨耗Ⅱ期、磨耗Ⅲ期、磨耗Ⅳ期，如圖2所示.車(chē)輪在經(jīng)歷不同磨耗時(shí)期，主要是輪緣磨耗，踏面處磨耗量很小，從標(biāo)準(zhǔn)JM-3型面到輪緣磨耗到限型面，踏面的垂直磨耗量約為3.2 mm，如圖3所示.磨耗Ⅰ期輪緣厚度為32.6 mm、磨耗Ⅱ期輪緣厚度為31.2 mm、磨耗Ⅲ期輪緣厚度為29.8 mm、磨耗Ⅳ期輪緣厚度為28mm，磨耗到限時(shí)輪緣厚度為24 mm.

圖2 不同磨耗時(shí)期車(chē)輪型面輪廓線

圖3 不同磨耗時(shí)期輪緣厚度

1.2 機(jī)車(chē)車(chē)輪鏇修量分析

本文設(shè)計(jì)中選擇磨耗Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期四個(gè)時(shí)期的型面作為不同鏇修型面，通過(guò)車(chē)輪直徑鏇修量、鏇修次數(shù)以及整個(gè)車(chē)輪壽命的分析選出最優(yōu)鏇修型面.最優(yōu)鏇修型面再和JM-3鏇修型面進(jìn)行對(duì)比，最終確定該設(shè)計(jì)型面的可行性.由大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得，機(jī)車(chē)車(chē)輪磨耗到限時(shí)，輪緣厚度為24 mm，車(chē)輪踏面處垂直磨耗量約3.2 mm，以JM-3型面為標(biāo)準(zhǔn)的鏇修將輪緣恢復(fù)到34 mm時(shí)，車(chē)輪半徑鏇修量達(dá)到16 mm(如圖4).

圖4 JM－3型面鏇修量

以磨耗Ⅰ期、磨耗Ⅱ期、磨耗Ⅲ期、磨耗Ⅳ期的型面作為鏇修型面時(shí)，車(chē)輪半徑鏇修量分別為:16.3、14.5、13、10 mm.如圖5～8 所示.圖9 為不同鏇修型面的車(chē)輪直徑鏇修量，分別為32，32.6、29、26、20 mm.

圖5 Ⅰ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖6 Ⅱ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖7 Ⅲ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖8 Ⅳ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖9 不同鏇修型面的車(chē)輪直徑鏇修量

JM-3型面車(chē)輪直徑為1 250 mm，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)行約50萬(wàn)公里后輪緣磨耗到限為24mm，踏面垂直磨耗量3.2 mm，此時(shí)對(duì)車(chē)輪進(jìn)行第一次鏇修，按照J(rèn)M-3型面鏇修時(shí)直徑鏇修量達(dá)到32 mm，即第一個(gè)鏇修周期后車(chē)輪直徑變?yōu)? 211.6 mm，同理可得，第二個(gè)鏇修周期后車(chē)輪直徑變?yōu)? 173.2 mm，而電力機(jī)車(chē)規(guī)定的到限車(chē)輪直徑為1 150 mm，車(chē)輪直徑已經(jīng)無(wú)法滿足第三次鏇修量的要求，故以JM-3型面作為鏇修型面，車(chē)輪在輪徑到限之前可鏇修2次.

若以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面，當(dāng)JM-3型面的新車(chē)輪運(yùn)行約50萬(wàn)公里后進(jìn)行第一次鏇修，以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面的直徑鏇修量為26 mm，所以第一次鏇修后車(chē)輪直徑變?yōu)?217.6 mm，由于此鏇修后輪緣厚度為29.8mm，按照?qǐng)D1機(jī)車(chē)輪緣厚度與運(yùn)行里程的關(guān)系，車(chē)輪運(yùn)行約41萬(wàn)公里后輪緣到限，踏面垂直磨耗量約2.1 mm，第二次鏇修后車(chē)輪直徑變?yōu)? 187.2mm，再運(yùn)行約41萬(wàn)公里后進(jìn)行第三次鏇修后車(chē)輪直徑變?yōu)? 156.8 mm，再運(yùn)行41萬(wàn)公里后，車(chē)輪直徑變?yōu)? 152.6 mm已經(jīng)不滿足第四次鏇修量的要求，故以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面，車(chē)輪在輪徑到限之前可鏇修3次.依次類(lèi)推出車(chē)輪按照不同型面作為鏇修型面進(jìn)行鏇修時(shí)，車(chē)輪可鏇修次數(shù)和報(bào)廢時(shí)車(chē)輪直徑如表1、圖10.可以看出:磨耗Ⅲ期和磨耗Ⅳ期的型面作為鏇修型面時(shí)鏇修次數(shù)比JM-3型、磨耗Ⅰ期、磨耗Ⅱ期的型面作為鏇修型面時(shí)多一次，達(dá)到3次，但以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面后，車(chē)輪報(bào)廢時(shí)直徑約為1152.6mm，與電力機(jī)車(chē)到限輪徑1150 mm非常接近，說(shuō)明以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面時(shí)，車(chē)輪有用金屬的利用率達(dá)到最高.

表1 不同型面作為鏇修型面車(chē)輪可鏇修次數(shù)

圖10 不同鏇修型面的車(chē)輪報(bào)廢時(shí)直徑

1.3 機(jī)車(chē)車(chē)輪使用壽命分析

根據(jù)機(jī)車(chē)輪緣厚度與運(yùn)行里程的關(guān)系，同時(shí)考慮機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面磨耗量、鏇修次數(shù)以及鏇修量.計(jì)算得到以不同型面作為鏇修型面時(shí)車(chē)輪壽命如圖11.以JM-3型面作為鏇修型面，車(chē)輪壽命約為150萬(wàn)公里;以磨耗Ⅰ期型面作為鏇修型面，車(chē)輪壽命約為144萬(wàn)公里;以磨耗Ⅱ期型面作為鏇修型面，車(chē)輪壽命約為138萬(wàn)公里;以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面，車(chē)輪壽命約為173萬(wàn)公里;以磨耗Ⅳ期型面作為鏇修型面，車(chē)輪壽命約為128萬(wàn)公里.

圖11 不同型面作為鏇修型面時(shí)車(chē)輪壽命

可見(jiàn)，以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面后，不但車(chē)輪報(bào)廢時(shí)輪徑最小，金屬利用率最高，且車(chē)輪壽命達(dá)到173萬(wàn)公里，相比以JM-3型面作為鏇修型面時(shí)的壽命提高約16%.因此本文設(shè)計(jì)最終選擇磨耗Ⅲ期型面作為車(chē)輪最優(yōu)鏇修型面，其輪緣厚度為29.8 mm.

2 輪軌型面匹配的有限元分析

2.1 有限元模型

本文選擇JM-3型面和磨耗Ⅲ期型面數(shù)據(jù)建立車(chē)輪與磨耗后曲線鋼軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸的有限元模型，并進(jìn)行對(duì)比分析.如圖12、圖13分別為JM-3型面輪軌匹配位置、磨耗Ⅲ期型面輪軌匹配位置，相比JM-3型車(chē)輪，磨耗Ⅲ期車(chē)輪已經(jīng)經(jīng)過(guò)了所謂的“快速磨合期”，故輪軌接觸匹配較好［8-9］.

圖12 JM－3型面輪軌匹配

圖13 磨耗Ⅲ期型面輪軌匹配

應(yīng)用Hypermesh軟件建立JM-3型面的車(chē)輪和磨耗Ⅲ期型面的車(chē)輪分別與磨耗后曲線鋼軌接觸的三維有限元模型.再導(dǎo)入MARC中進(jìn)行求解，建模過(guò)程中三維實(shí)體接觸單元邊長(zhǎng)為1 mm.輪軌接觸的三維有限元模型見(jiàn)圖14，計(jì)算模型中軌距為1 435 mm，輪緣內(nèi)側(cè)距為1353 mm，機(jī)車(chē)軸重為25 t，橫向力按照機(jī)車(chē)80 km/h速度產(chǎn)生的離心力施加，鋼軌底面施加固定約束.泊松比取0.3，彈性模量 205 GPa，輪軌摩擦系數(shù)為 0.3.

圖14 有限元模型

2.2 輪軌接觸分析

圖15是JM-3型面和磨耗Ⅲ期型面的輪軌模型在相同工況下計(jì)算得到的接觸斑，兩種模型接觸斑的形狀及面積差別較大，JM-3型面的接觸斑總面積為362 mm2，而本文設(shè)計(jì)的磨耗Ⅲ期鏇修型面接觸總面積達(dá)到了486 mm2，比JM-3型增大約34%，輪軌接觸匹配較好.

圖15 接觸斑比較

在相同的工況下，JM-3型面和磨耗Ⅲ期型面的輪軌模型的接觸應(yīng)力比較如圖16、圖17所示.JM-3型最大接觸應(yīng)力發(fā)生在輪緣與鋼軌貼靠處，約為868 MPa，本文所設(shè)計(jì)磨耗Ⅲ期鏇修型面最大接觸應(yīng)力同樣發(fā)生在輪緣與鋼軌貼靠處，但其值僅約為647 MPa，相比JM-3型面輪軌間最大接觸應(yīng)力減小了約220 MPa，這對(duì)進(jìn)一步減輕磨耗十分有利.

圖16 JM－3型面接觸應(yīng)力

圖17 磨耗Ⅲ期接觸應(yīng)力

3 結(jié)論

(1)將磨耗Ⅲ期車(chē)輪型面作為鏇修型面后，相比JM-3鏇修型面，車(chē)輪直徑鏇修量減少6mm，報(bào)廢時(shí)車(chē)輪直徑最小，踏面處金屬的利用率顯著提高;鏇修次數(shù)達(dá)到3次，輪對(duì)的壽命達(dá)到了173萬(wàn)公里，壽命延長(zhǎng)約16%;

(2)通過(guò)有限元法建模分析計(jì)算后得到，本文設(shè)計(jì)的磨耗Ⅲ期鏇修型面與磨耗后鋼軌的接觸斑總面積達(dá)到了486 mm2，而JM-3型面的接觸斑總面積為362 mm2，接觸斑面積增大約34%，說(shuō)明磨耗Ⅲ期鏇修型面輪軌接觸匹配較好;

(3)將磨耗Ⅲ期車(chē)輪型面作為鏇修型面后，輪軌間接觸應(yīng)力明顯降低，相比JM-3鏇修型面最大接觸應(yīng)力減小了約220 MPa，這對(duì)進(jìn)一步減輕輪軌間磨耗及增加車(chē)輪使用壽命十分有利，尤其是輪緣的磨耗.

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