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        高速鐵路輪軌型面匹配理論分析與試驗(yàn)研究

        2021-05-09 08:43:58呂巖治張軍牛巖王穩(wěn)田志鵬
        鐵道建筑 2021年4期
        關(guān)鍵詞:軸重型面輪軌

        呂巖治 張軍 牛巖 王穩(wěn) 田志鵬

        (北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院,北京 100044)

        隨著高速鐵路列車運(yùn)行速度的提高,輪軌磨耗日益嚴(yán)重,磨耗導(dǎo)致車輪鏇修周期縮短,耗資巨大。不同輪軌型面匹配是輪軌磨耗的一個(gè)重要因素。國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用有限元計(jì)算、動(dòng)力學(xué)仿真等方法對(duì)此進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]建立了輪軌三維接觸有限元模型,分析曲線磨耗狀態(tài)下的輪軌接觸狀況。文獻(xiàn)[2]基于Arbitrary Lagrangian Eulerian穩(wěn)態(tài)輪軌滾動(dòng)接觸的三維有限元模型預(yù)測輪軌形面磨耗,得到相對(duì)準(zhǔn)確的載荷工況。文獻(xiàn)[3]采用顯式有限元方法建立三維瞬態(tài)滾動(dòng)接觸模型,闡釋高速鐵路出現(xiàn)波浪形磨損后快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]總結(jié)了國內(nèi)外車輛與軌道耦合動(dòng)力學(xué)研究的進(jìn)展,指出了車輛與軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)今后的研究方向。文獻(xiàn)[5]在我國現(xiàn)有輪軌技術(shù)條件下將車輛與軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法運(yùn)用到LMa,S1002和XP55高速鐵路車輪型面上,分析其匹配效果。文獻(xiàn)[6]分析了CHN60,60N和60D鋼軌對(duì)我國高速鐵路輪軌型面匹配的影響。文獻(xiàn)[7]研究了輪軌接觸動(dòng)力學(xué)模型中非赫茲和非穩(wěn)態(tài)效應(yīng)對(duì)軌道磨損的影響,證明了考慮磨耗的計(jì)算與當(dāng)前軌道形狀不規(guī)則的相關(guān)性。

        現(xiàn)有輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái)大多采用制造車輪和軌道輪,通過輪與輪的接觸完成車輪與軌道輪間的黏著、滾動(dòng)、蠕滑等試驗(yàn)[8-10]。用具有一定曲率半徑的輪代替鋼軌會(huì)導(dǎo)致車輪與鋼軌接觸的接觸斑和接觸力分布與實(shí)際不符,試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。

        本文根據(jù)實(shí)測輪軌型面數(shù)據(jù)建立車輪與標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌(簡稱60軌)、60N軌的三維彈塑性接觸有限元模型,計(jì)算不同輪軌型面匹配的接觸斑狀態(tài)、Mises 應(yīng)力及分布情況;搭建輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái),采用現(xiàn)場切割的磨耗車輪和鋼軌試件進(jìn)行輪軌接觸試驗(yàn),分析輪軌接觸斑狀態(tài),比較輪軌匹配性能,并與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

        1 輪軌接觸有限元模型

        1.1 車輪與鋼軌型面

        使用紅外輪軌型面測量儀現(xiàn)場實(shí)測高速鐵路車輪(圖1),對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到高速鐵路車輪型面,見圖2。標(biāo)準(zhǔn)型面和磨耗型面的車輪踏面磨耗量分別為0和1.43 mm。

        圖1 測量車輪型面

        圖2 標(biāo)準(zhǔn)車輪型面和磨耗車輪型面(單位:mm)

        60N 軌是在60 軌設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,將軌頂?shù)? 段圓弧優(yōu) 化 為7 段 圓 弧[11]。60 軌 和60N 軌 的 鋼 軌 型 面 見圖3。其中R表示60N軌型面圓弧半徑,mm。

        圖3 60軌和60N軌的鋼軌型面

        1.2 建立輪軌接觸三維有限元模型

        對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,利用擬合型面在ABAQUS有限元軟件中建立輪軌接觸模型,見圖4。為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間,細(xì)化輪軌接觸區(qū)網(wǎng)格,而非接觸區(qū)網(wǎng)格尺寸逐漸增大。

        圖4 輪軌接觸三維有限元模型

        1.3 模型主要參數(shù)

        車輪與鋼軌彈塑性模型計(jì)算服從Von Mises 屈服準(zhǔn)則,應(yīng)力-應(yīng)變雙線性模型見圖5。

        圖5 應(yīng)力-應(yīng)變雙線性模型

        車輪、鋼軌的彈性模量分別為206,210 GPa,屈服極限分別627.8,565.3 MPa,泊松比均為0.3。輪軌摩擦因數(shù)為0.3;軌底坡為1/40。

        1.4 約束及荷載工況

        約束鋼軌底部的全部自由度,輪對(duì)只允許沿豎直方向移動(dòng)。模擬輪軌實(shí)際作用情況,在車軸兩端中心處施加等價(jià)于17 t 軸重的170 kN 垂向荷載(簡稱軸重荷載)。采用高速列車牽引特性曲線[12]計(jì)算牽引力,設(shè)定3 種荷載工況。工況1:車輛處于靜止?fàn)顟B(tài),只加載軸重荷載;工況2:車輛處于啟動(dòng)狀態(tài),加載軸重荷載和19 kN 牽引力;工況3:車輛處于行駛狀態(tài),車速200 km/h,加載軸重荷載和10 kN 牽引力。工況1為軸重工況,工況2和工況3為牽引工況。

        2 輪軌接觸計(jì)算分析

        2.1 輪軌接觸斑

        列車運(yùn)行主要依靠接觸斑傳遞輪軌間的相互作用[13-14]。軸重工況下,標(biāo)準(zhǔn)車輪、磨耗車輪與60 軌、60N 軌對(duì)中位置匹配的接觸斑形狀見圖6,接觸斑面積見表1??芍簶?biāo)準(zhǔn)車輪與60N 軌匹配的接觸斑面積比60 軌大15%,接觸斑更近似規(guī)則的橢圓形;磨耗車輪與60N軌匹配的接觸斑面積比60軌大25%。

        圖6 輪軌對(duì)中位置匹配的接觸斑形狀

        表1 輪軌對(duì)中位置匹配的接觸斑面積

        按照實(shí)際線路施加激勵(lì),高速列車直線運(yùn)行時(shí)車輪在鋼軌上的最大輪對(duì)橫移量為-4 ~4 mm[15]。其中,輪緣內(nèi)側(cè)靠近鋼軌時(shí)輪對(duì)橫移量為正,遠(yuǎn)離鋼軌時(shí)為負(fù)。為了分析輪對(duì)橫移量對(duì)輪軌接觸斑的影響,保持荷載不變,以1 mm 的幅度改變輪對(duì)橫移量,得到4 種輪軌匹配下的接觸斑面積,見圖7。

        圖7 輪對(duì)橫移量對(duì)接觸斑面積的影響

        由圖7 可知:①隨著輪對(duì)橫移量從-4 mm 逐步變到4 mm,4 種輪軌匹配的接觸斑面積總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,其中標(biāo)準(zhǔn)車輪、磨耗車輪與60 軌匹配的減小趨勢更為明顯。②標(biāo)準(zhǔn)車輪與60N 軌匹配的接觸斑面積總大于與60 軌的接觸斑面積,磨耗車輪與60N 軌匹配的接觸斑面積也總大于與60 軌的接觸斑面積。這是因?yàn)檐囕喤c60N 軌匹配的接觸斑面積中黏著區(qū)所占比例較大,黏著效果較好。

        2.2 輪軌接觸時(shí)最大Mises應(yīng)力

        Von Mises 屈服準(zhǔn)則遵循畸變能密度理論[16]。荷載工況下,計(jì)算輪軌接觸過程中4 種輪軌匹配的鋼軌最大Mises應(yīng)力和最大應(yīng)力點(diǎn)位置。

        2.2.1 軸重工況下輪軌對(duì)中位置匹配的接觸應(yīng)力

        軸重工況下,標(biāo)準(zhǔn)車輪與60 軌、60N 軌對(duì)中位置匹配的Mises應(yīng)力云圖見圖8。

        圖8 軸重工況下標(biāo)準(zhǔn)車輪與鋼軌對(duì)中位置匹配的Mises應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        由圖8可知:①標(biāo)準(zhǔn)車輪與60軌匹配時(shí),自鋼軌表面向下6 mm區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生塑性變形,最大應(yīng)力點(diǎn)位于鋼軌表面下3.5 mm 處;最大Mises 應(yīng)力為721.3 MPa,遠(yuǎn)大于材料屈服極限。②標(biāo)準(zhǔn)車輪與60N 軌匹配時(shí),自鋼軌表面向下5 mm區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生塑性變形,最大應(yīng)力點(diǎn)位于鋼軌表面下2.0 mm處,更靠近軌面;最大Mises應(yīng)力為641.6 MPa,略大于材料屈服極限。

        磨耗車輪的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)車輪規(guī)律類似。磨耗車輪與60 軌匹配時(shí),最大應(yīng)力點(diǎn)位于鋼軌表面下3.0 mm處,最大Mises應(yīng)力為741.8 MPa。磨耗車輪與60N 軌匹配時(shí),最大應(yīng)力點(diǎn)位于鋼軌的表面下2.0 mm處,更靠近軌面;最大Mises應(yīng)力為662.3 MPa,比與60軌匹配時(shí)減小約6%。

        2.2.2 軸重工況下輪對(duì)橫移量對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響

        保持荷載不變,改變輪對(duì)橫移量,得到輪軌最大Mises應(yīng)力的變化曲線,見圖9。

        圖9 軸重工況下輪對(duì)橫移量對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響

        由圖9 可知:①標(biāo)準(zhǔn)車輪與60 軌、60N 軌匹配時(shí),隨著輪對(duì)橫移量從-4 mm 逐步變到1 mm,最大Mises應(yīng)力快速減小而后又快速增大;輪對(duì)橫移量大于1 mm時(shí)最大Mises應(yīng)力增幅緩慢。②磨耗車輪與60軌、60N軌匹配時(shí),隨著輪對(duì)橫移量從-4 mm 逐步變到4 mm,最大Mises 應(yīng)力波動(dòng)較大,總體呈先減小后增大趨勢。這是由磨耗車輪型面不均勻造成的。③車輪與60N軌匹配的最大Mises 應(yīng)力始終小于60 軌,說明60N 軌型面可以減小塑性變形。

        2.2.3 荷載工況對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響

        3 種荷載工況下4 種輪軌匹配的最大Mises 應(yīng)力變化情況見圖10。可知:施加啟動(dòng)牽引力,車輪與60軌匹配的最大Mises 應(yīng)力顯著增大,與60N 軌匹配的最大Mises 應(yīng)力略有增大;車輛啟動(dòng)后,牽引力減小,4種輪軌匹配的最大Mises 應(yīng)力基本不變;磨耗車輪與60 軌、60N 軌匹配的最大Mises 應(yīng)力明顯大于標(biāo)準(zhǔn)車輪,即型面磨耗使輪軌間Mises應(yīng)力增大,且60軌的最大Mises應(yīng)力增幅要遠(yuǎn)大于60N軌。

        圖10 荷載工況對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響

        3 輪軌接觸試驗(yàn)分析

        3.1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

        利用輪軌試驗(yàn)臺(tái)(圖11)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。為了滿足強(qiáng)度要求,鋼板和光軸負(fù)責(zé)承載。液壓加載結(jié)構(gòu)主要由油泵、液壓缸等組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括傳感器和記錄儀,可以實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中各種載荷的變化,包括垂向的軸重荷載、縱向的輪周牽引力以及輪緣貼靠時(shí)的輪軌橫向力。

        圖11 輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái)

        3.2 試驗(yàn)過程

        試件切?。豪镁€切割技術(shù)分別在磨耗車輪、60軌、60N 軌上切割出車輪和鋼軌試件。其中車輪試件為140 mm×70 mm;鋼軌試件為140 mm×50 mm。

        試驗(yàn)方案:將磨耗車輪試件分別與60 軌、60N 軌試件進(jìn)行接觸試驗(yàn),只施加垂向軸重載荷(170 kN,包括車輪試件自重),得到不同輪軌型面匹配的輪軌接觸斑。采用游標(biāo)卡尺測量長短軸,精度為0.2 mm。采用像素檢測法計(jì)算接觸斑面積。

        試驗(yàn)步驟:①調(diào)節(jié)卡緊螺栓,將車輪試件固定到試驗(yàn)臺(tái)上端;再將預(yù)先設(shè)計(jì)好的軌底坡放置在試驗(yàn)臺(tái)下端;最后將鋼軌試件表面涂抹顯色顏料,放置于車輪試件正下方,保證輪軌試件在對(duì)中位置固定,即輪對(duì)橫移量為0。②采用液壓缸對(duì)單輪單軌施加85 kN(包括車輪試件自重)的垂向載荷,待輪軌接觸后取出鋼軌試塊,觀察接觸斑的形狀,測算面積。③改變輪對(duì)橫移量,分別取輪對(duì)橫移量為1,2,3,4 mm,重復(fù)步驟②。

        3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        試驗(yàn)得出磨耗車輪分別與60 軌、60N 軌對(duì)中位置匹配的輪軌接觸斑,與有限元仿真的接觸斑進(jìn)行對(duì)比,見圖12。

        圖12 輪軌試驗(yàn)與有限元仿真的接觸斑對(duì)比

        不同輪對(duì)橫移量下接觸斑面積的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比見表2。

        表2 不同輪對(duì)橫移量下接觸斑面積的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

        由圖12 和表2 可知:磨耗車輪與60N 軌匹配的接觸斑形狀較為規(guī)則,接觸斑面積遠(yuǎn)大于60軌。試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本吻合。

        4 結(jié)論

        根據(jù)實(shí)測輪軌型面數(shù)據(jù)建立高速鐵路輪軌三維彈塑性接觸有限元模型,采用現(xiàn)場切割的磨耗車輪與標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m 鋼軌、60N 軌試件在輪軌接觸試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行輪軌接觸試驗(yàn),通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究不同輪軌型面的匹配性能。得到如下結(jié)論:

        1)不同輪對(duì)橫移量下,車輪與60N 軌匹配的接觸斑面積比60 軌大。標(biāo)準(zhǔn)車輪與60N 軌對(duì)中位置匹配的接觸斑比與60軌匹配更近似規(guī)則的橢圓形。

        2)不同輪對(duì)橫移量下,車輪與60N 軌匹配的最大Mises 應(yīng)力始終小于60 軌,且最大應(yīng)力點(diǎn)位置更靠近軌面。說明60N軌型面可以減小塑性變形。

        3)施加不同的牽引力,磨耗車輪與60 軌、60N 軌匹配的最大Mises 應(yīng)力均明顯大于標(biāo)準(zhǔn)車輪,即型面磨耗使輪軌接觸應(yīng)力增大,且與60軌匹配時(shí)應(yīng)力增幅要遠(yuǎn)大于60N軌。

        4)試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合。

        5)60N 軌型面與高速鐵路車輪型面匹配效果更好,有利于改善輪軌相互作用,延長輪軌使用壽命。

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