牛 巖, 田志鵬, 馬 賀, 張 軍, 鄒小春

(北京建筑大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室， 北京 100044)

道岔區(qū)作為鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)，是鐵路運輸系統(tǒng)中運營維護(hù)成本較高的部分，其中尖軌磨耗是較為嚴(yán)重的問題。磨耗會引起尖軌廓形的改變，導(dǎo)致輪軌接觸狀態(tài)變差，這將直接影響列車運行的穩(wěn)定性[1-3]。

針對尖軌磨耗問題，許多學(xué)者從現(xiàn)場實測、接觸力學(xué)、動力學(xué)三方面都做了大量研究。現(xiàn)場實測方面，王璞[4]對部分滬寧城際高速鐵路中轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌型面進(jìn)行長期跟蹤測試并分析了磨耗規(guī)律。蔣兵等[5]通過對實際線路各軌枕處尖軌高度的測量，分析了尖軌降低值不良是造成車輛晃車的根本原因，并基于此提出了兩種整治措施。李然[6]提出了一種尖軌傷損無損檢測方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場使用獲得了良好的效果。

接觸力學(xué)方面，陳嶸等[7]分析了車輪踏面演變對高速道岔區(qū)輪軌接觸幾何特性及接觸力學(xué)的影響。周宇等[8]發(fā)現(xiàn)了尖軌降低值不足是曲尖軌受到法向接觸應(yīng)力過大，疲勞裂紋形成的主要原因之一。馬曉川等[9]通過將輪岔動力學(xué)結(jié)果作為接觸力學(xué)模型的輸入，分析了倒圓弧半徑對直尖軌影響。劉思瑩等[10]分析了不同沖角工況下的接觸情況，發(fā)現(xiàn)沖角的增大會使車輪和尖軌的使用壽命降低。宗聰聰?shù)萚11]對尖軌段鋼軌型面進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了接觸應(yīng)力峰值降低，接觸點位置分布更均勻的目的。

動力學(xué)方面，王樹國等[12]對比分析了實際運營中的兩類尖軌廓形對應(yīng)力分布及動力學(xué)參數(shù)的影響，并建議高速鐵路道岔區(qū)尖軌廓形仍沿用現(xiàn)有尺寸參數(shù)。王平等[13-14]研究了不同輪軌摩擦系數(shù)對系統(tǒng)動力學(xué)的影響，并提供輪軌潤滑方案。張文仁[15]分析了尖軌不同側(cè)磨程度對輪軌動力學(xué)的影響。Xu等[16]對比了幾種典型的輪軌法向力與切向力的計算模型，分析其適應(yīng)性，為尖軌磨耗計算提供一定的指導(dǎo)。

上述學(xué)者從不同角度對車輪與尖軌接觸問題做了大量研究，對尖軌磨損問題的研究有重要意義，但大多研究只分析了標(biāo)準(zhǔn)車輪型面作用下的輪軌接觸關(guān)系和系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)，少有車輪輪緣磨耗造成尖軌損傷原因分析，因此有必要對該問題進(jìn)行研究。

為研究高速道岔曲線尖軌磨耗嚴(yán)重的問題，以高速列車車輪、18號道岔曲尖軌為研究對象，建立三維彈塑性接觸模型，分析輪軌沿線路不同位置接觸狀況和車輪磨耗程度對曲尖軌磨耗的影響以期為鐵路線路運維部門提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 車輪與尖軌接觸模型建立

1.1 車輪型面

運用型面測量儀對現(xiàn)場服役中的高速列車車輪進(jìn)行測量，并根據(jù)車輪側(cè)磨值選取其中具有代表性的磨耗后車輪型面及標(biāo)準(zhǔn)車輪型面進(jìn)行建模。將不同型面定義為：標(biāo)準(zhǔn)xp55、磨耗Ⅰ型、磨耗Ⅱ型、磨耗Ⅲ型、磨耗Ⅳ型，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)及各磨耗程度車輪型面Fig.1 Wheel profile with standard and different wear degrees

表1所示為各不同磨耗程度車輪輪緣的側(cè)磨值。為保證列車運行安全性的輪緣厚度極限值22 mm，不足26 mm時需實施鏇修[17]。磨耗Ⅳ型的輪緣厚度低至25.837 mm，已經(jīng)磨耗到限，應(yīng)實施鏇修。

表1 不同磨耗程度車輪輪緣側(cè)磨值

1.2 尖軌型面

對60 kg/m鋼軌18號高速道岔進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)距離尖軌尖端3.852 m處磨耗較嚴(yán)重，因此選取距尖軌尖端1.852、2.852、3.852、4.852、10.852 m五個位置的尖軌截面與標(biāo)準(zhǔn)車輪型面建立有限元模型。圖2所示依次為5個位置的尖軌型面。隨著距尖軌尖端距離的增加，尖軌橫截面積變大，頂寬加大。

圖2 不同位置的尖軌型面Fig.2 Curved switch rail profiles at different locations

1.3 有限元模型

高速列車在通過曲尖軌時，車輪輪緣貼靠尖軌。圖3所示為距尖軌尖端3.852 m處的尖軌型面與標(biāo)準(zhǔn)車輪的局部網(wǎng)格模型。其中接觸區(qū)單元邊長1 mm，非接觸區(qū)單元尺寸逐漸加大。

圖3 局部網(wǎng)格模型Fig.3 Local mesh model

圖4為輪軌三維接觸模型。車輪彈性模量是206 000 MPa，硬化模量是26 250 MPa；基本軌與尖軌彈性模量均為210 000 MPa，硬化模量是25 750 MPa。輪軌泊松比均為0.3。

圖4 三維輪軌有限元接觸模型Fig.4 Three dimensional finite element contact model of wheel and rail

1.4 載荷與約束

施加垂向力140 000 N在兩端軸箱位置。施加橫向力在車軸尖軌側(cè)端部，數(shù)值根據(jù)F=mv2/R進(jìn)行計算，其中質(zhì)量m=14 t，速度v=250 km/h，曲線半徑R=1 100 m，橫向力F=61 380 N?；拒壟c尖軌底部施加全約束，車軸兩端只允許垂向平動及橫向平動兩個自由度。

2 輪軌接觸結(jié)果分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)車輪與不同位置尖軌接觸分析

2.1.1 接觸斑分析

圖5(a)～圖5(d)所示為距尖軌尖端1.852～4.852 m 4個位置處軌接觸斑分布圖?；拒壗佑|斑均近似為橢圓形，發(fā)生在基本軌表面；尖軌接觸斑均為細(xì)長條形，發(fā)生在側(cè)面。圖5(e)所示為距尖軌尖端10.852 m處接觸斑分布圖，尖軌發(fā)生兩點接觸，分別處于尖軌頂面與軌距角處，其中尖軌頂面的接觸斑形狀近似三角形；軌距角處接觸斑近似橢圓狀。

圖5 不同位置尖軌接觸斑Fig.5 Contact patches of switch rail at different positions

表2所示為不同位置處基本軌與尖軌表面接觸斑面積大小與長短軸長度。尖軌在初始部分頂寬與橫截面積較小，接觸斑面積較小。距尖軌尖端3.852 m處的尖軌接觸斑面積較尖軌初始部分有一定增加。當(dāng)距尖軌尖端10.852 m時，尖軌獨自承擔(dān)全部載荷，接觸斑形狀改變幅度較大。隨著距尖軌尖端距離增加，車輪與尖軌接觸位置逐漸由側(cè)面移至軌頂。

2.1.2 等效應(yīng)力分析

圖6為不同位置的標(biāo)準(zhǔn)尖軌與標(biāo)準(zhǔn)xp55車輪接觸結(jié)果。基本軌的最大等效應(yīng)力主要發(fā)生在軌面以下0.2～1.7 mm位置，尖軌的最大等效應(yīng)力主要發(fā)生在軌面及軌面下1 mm處。輪軌內(nèi)部所受等效應(yīng)力由最大等效應(yīng)力發(fā)生點向周圍逐漸小。

圖6 不同位置尖軌等效應(yīng)力Fig.6 Equivalent stress of switch rail at different positions

表2 不同位置基本軌與尖軌接觸斑特征

表3所示為不同接觸位置處的最大等效應(yīng)力值與發(fā)生位置。隨著距尖軌尖端距離的增加，基本軌受到的等效應(yīng)力呈減小的趨勢。在1.852～4.852 m處接觸時，尖軌與基本軌共同承擔(dān)垂向力與橫向力，尖軌所受最大等效應(yīng)力為174.2～733.3 MPa。距尖軌尖端1.852 m位置的尖軌橫截面積較小，主要承擔(dān)橫向力，受到的等效應(yīng)力較小。在距尖端4.852 m處時，尖軌橫截面積與頂寬較大，所受等效應(yīng)力變小。當(dāng)在距尖軌尖端10.852 m位置接觸時，尖軌承擔(dān)了全部載荷，此時尖軌所受最大等效應(yīng)力為1 037 MPa，較3.852 m處增加了41.4%。

表3 不同位置基本軌與尖軌最大等效應(yīng)力

綜上，車輪通過曲尖軌在不同位置接觸時，由于尖軌軌頂寬度與橫截面積不同，導(dǎo)致尖軌與基本軌承擔(dān)載荷的比例不同，進(jìn)而影響著最大等效應(yīng)力發(fā)生位置。當(dāng)尖軌與基本軌同時受到輪載作用時，隨著距尖軌尖端距離的增加，尖軌所受最大等效應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢。由于標(biāo)準(zhǔn)車輪均與尖軌側(cè)面接觸，當(dāng)最大等效應(yīng)力超過材料屈服極限時，易造成尖軌飛邊。當(dāng)尖軌單獨承擔(dān)全部載荷時，所受最大等效應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致側(cè)磨加重。

2.2 不同磨耗程度車輪與尖軌接觸分析

2.2.1 接觸斑分析

圖7為不同磨耗程度車輪作用下標(biāo)準(zhǔn)尖軌接觸斑結(jié)果。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)xp55、磨耗Ⅲ型分別與軌接觸時，由于二者曲率相似，所以兩種情況下的軌接觸斑基本相同，即基本軌接觸斑近似為橢圓形，尖軌表面接觸斑發(fā)生在側(cè)面，為一細(xì)長條狀。

圖7 不同磨耗程度車輪作用下接觸斑Fig.7 Contact patches under different worn wheels

當(dāng)磨耗Ⅰ型與軌接觸時，輪緣磨耗導(dǎo)致尖軌接觸斑發(fā)生在軌距角處。當(dāng)磨耗Ⅱ型與軌接觸時，尖軌發(fā)生兩點接觸。當(dāng)車輪型面磨耗至Ⅳ型時，踏面處曲率變大，與基本軌接觸時幾近于貼合，基本軌接觸斑近似矩形，踏面與輪緣接合處較嚴(yán)重的磨耗導(dǎo)致尖軌頂部出現(xiàn)了兩點接觸。

表4所示為不同磨耗程度車輪型面作用下基本軌與尖軌表面接觸斑面積與長短軸長度。磨耗程度的增加導(dǎo)致型面曲率發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致輪軌接觸位置的不斷變化。車輪磨耗至Ⅰ型時，尖軌接觸斑面積達(dá)到最大，與標(biāo)準(zhǔn)xp55車輪接觸斑面積相比增加了15.9%。在車輪磨耗至Ⅳ型時，基本軌接觸斑長軸急劇增加，使基本軌接觸斑達(dá)到最大，較標(biāo)準(zhǔn)xp55作用下的增加了22.0%。

表4 不同磨耗程度車輪作用下基本軌與尖軌接觸斑特征

2.2.2 等效應(yīng)力分析

圖8為不同磨耗程度車輪與標(biāo)準(zhǔn)尖軌接觸等效應(yīng)力結(jié)果云圖。在本文選取的輪緣厚度演變范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)力主要發(fā)生在尖軌軌面下0.5～3.2 mm位置，且尖軌內(nèi)有明顯的應(yīng)力集中。

圖8 不同磨耗程度車輪作用下等效應(yīng)力Fig.8 Equivalent stress under different worn wheels

表5所示為距尖軌尖端3.852 m尖軌與不同磨耗階段車輪接觸最大等效應(yīng)力值。選取的5種車輪與該位置尖軌接觸時，最大等效應(yīng)力全部發(fā)生在尖軌上，且隨著車輪的磨耗，呈先增大后減小的趨勢。各磨耗階段的車輪對應(yīng)的尖軌最大等效應(yīng)力都大于標(biāo)準(zhǔn)車輪型面對應(yīng)的尖軌最大等效應(yīng)力。磨耗Ⅱ型車輪型面作用下的尖軌受到的應(yīng)力達(dá)到最大，較標(biāo)準(zhǔn)車輪型面增加了39.0%。

表5 標(biāo)準(zhǔn)尖軌與不同磨耗階段車輪接觸最大等效應(yīng)力

綜上，車輪磨耗造成的型面曲率變化會導(dǎo)致輪軌接觸位置與最大等效應(yīng)力發(fā)生改變。磨耗Ⅰ型車輪作用在尖軌頂部，且最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于尖軌屈服極限，易造成尖軌軌頂?shù)膲簼?。磨耗Ⅲ型車輪作用在尖軌?cè)面，且使尖軌受較大等效應(yīng)力，易造成飛邊，連續(xù)碾壓后易造成接觸位置兩側(cè)剝離掉塊。磨耗Ⅱ型與磨耗Ⅳ型與尖軌發(fā)生兩點接觸，會先造成飛邊，連續(xù)碾壓后易造成兩接觸位置中部剝離掉塊。

3 結(jié)論

通過建立標(biāo)準(zhǔn)xp55車輪與不同位置的標(biāo)準(zhǔn)尖軌接觸模型，及不同磨耗程度的車輪與同一位置標(biāo)準(zhǔn)尖軌接觸模型，對比各組接觸結(jié)果中的最大等效應(yīng)力與接觸斑形狀及面積，得出如下結(jié)論。

(1)距尖軌尖端不同距離，車輪不同磨耗程度均影響輪軌接觸位置與尖軌受最大等效應(yīng)力的數(shù)值。

(2)當(dāng)尖軌與基本軌同時受輪載作用時，隨著距尖軌尖端距離的增加，尖軌所受最大等效應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)超過屈服極限時，易造成尖軌飛邊；當(dāng)尖軌單獨承擔(dān)全部載荷時，所受最大等效應(yīng)力急劇增加，塑性變形加重，側(cè)磨加劇。

(3)不同磨耗程度的車輪對尖軌會造成不同損傷，磨耗Ⅰ型車輪易造成尖軌壓潰，磨耗Ⅱ型，磨耗Ⅲ型與磨耗Ⅳ型易使尖軌發(fā)生飛邊，連續(xù)通過后易造成剝離掉塊。