摘 要:文章首先介紹了基于Hertz理論的輪軌滾動(dòng)接觸理論,通過(guò)ABAQUS有限元軟件相結(jié)合從不同輪對(duì)橫移量對(duì)滾動(dòng)接觸狀態(tài)下輪軌的滾動(dòng)接觸特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:輪對(duì)橫移量主要影響輪軌滾動(dòng)接觸的法向特性;最大Mises應(yīng)力以及最大法向接觸應(yīng)力出現(xiàn)在無(wú)橫移量的工況下。
關(guān)鍵詞:輪軌滾動(dòng)接觸特性;多體動(dòng)力學(xué)仿真;有限元+
1 基于Hertz理論的輪軌滾動(dòng)接觸理論
Hertz運(yùn)用彈性力學(xué)理論對(duì)兩個(gè)彈性體接觸問題進(jìn)行了研究,并提出了彈性接觸Hertz理論[1]。
Hertz還闡述了物體表面的法向位移必須滿足式(1)的條件:
(1)
式中,δ=δ1+δ2為兩個(gè)物體內(nèi)部距離較遠(yuǎn)處點(diǎn)的移動(dòng)位移;uz1,uz2為兩個(gè)物體的表面法向位移; Ax2+By2為接觸面初始的間隙。
輪軌接觸的曲面初始間隙的函數(shù)常數(shù)A和B可由下列方程確定:
(2)式與(3)式中,R1′-輪圓的半徑;R1″-踏面橫斷面的外形的半徑;R2′-鋼軌縱向曲率半徑值;R2″-鋼軌橫斷面外形的徑值。
2 基于ABAQUS有限元的輪軌滾動(dòng)接觸分析
2.1 ABAQUS有限元模型
為了協(xié)調(diào)計(jì)算的效率和計(jì)算的精度,模型對(duì)鋼軌軌頭部分單元進(jìn)行了細(xì)化。最后形成結(jié)點(diǎn)總數(shù)為37118、單元總數(shù)為24844的鋼軌模型和結(jié)點(diǎn)總數(shù)為8064、單元總數(shù)為5832的車輪模型。
采用庫(kù)倫摩擦模型定義切向關(guān)系,定義“硬”接觸作為法向關(guān)系;從面的選擇上,將輪圓面定義為主面,將軌頭頂面定義為從面;輪軌的接觸類型定義為面面接觸;將輪軌接觸對(duì)之間定義為“小滑移”且設(shè)置接觸滑動(dòng)容差為0.006,以滿足輪軌滾動(dòng)接觸而產(chǎn)生的彈性變形,會(huì)引起輪軌接觸對(duì)在接觸面上出現(xiàn)小滑動(dòng)。
2.2 不同車輪橫移量的影響
橫移量是指輪對(duì)的垂向中心線偏離軌道中心線的距離。對(duì)輪對(duì)在30.920kN作用下、車輪角速度為129.2rad/s的輪軌接觸的特性隨輪對(duì)的橫移量變化的情況進(jìn)行分析,此時(shí)摩擦系數(shù)取為0.2,輪對(duì)沖角取為0mard,橫移量取值分別為0、1、2、3、4、5mm。輪軌接觸斑內(nèi)單元節(jié)點(diǎn)上接觸斑形狀、接觸斑面積、最大應(yīng)力和最大法向接觸應(yīng)力如表2所示。
由表2我們可以得出,輪軌滾動(dòng)接觸的特性與輪軌橫移量有較大的關(guān)系,隨著輪對(duì)橫移量的逐漸增大,接觸位置隨之遷移,接觸斑的面積逐漸增大,接觸區(qū)域上的最大Mises應(yīng)力整體趨勢(shì)上隨著輪對(duì)橫移量的增加而減??;接觸區(qū)域上的最大法向接觸應(yīng)力整體趨勢(shì)上隨著輪對(duì)橫移量的增加而減??;Mises應(yīng)力、法向接觸應(yīng)力、接觸斑內(nèi)橫向剪切應(yīng)力、縱向剪切應(yīng)力在無(wú)輪對(duì)橫移量時(shí)出現(xiàn)最大值。
從圖1、2和3中可以看出,最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)于鋼軌接觸面的表層,隨著輪軌橫移量的增大,最大Mises逐漸減小,Mises應(yīng)力分布區(qū)域范圍也趨于減小。不難發(fā)現(xiàn)的是,輪軌發(fā)生橫移時(shí),輪軌接觸斑的位置、尺寸以及輪軌滾動(dòng)接觸的法向特性各應(yīng)力、切向特性各應(yīng)力的應(yīng)力值都會(huì)發(fā)生變化。
3 結(jié)束語(yǔ)
文章利用ABAQUS有限元軟件,對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸中鋼軌表面接觸特性進(jìn)行了分析,并實(shí)現(xiàn)了有關(guān)結(jié)果的三維立體顯示,最終主要獲得了以下結(jié)論:(1)最大Mises應(yīng)力以及最大法向接觸應(yīng)力出現(xiàn)在無(wú)橫移量下。(2)最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)于鋼軌接觸面的表層,且鋼軌接觸斑上的最大Mises應(yīng)力隨著輪軌橫移量的增大逐漸減小,且應(yīng)力分布區(qū)域范圍也趨于減小。
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