王興遠,沈 鋼,董強強,毛 鑫

(1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804;2.中國鐵路上海局集團有限公司 上海動車段,上海 201812)

輪軌系統(tǒng)是鐵路交通運輸?shù)暮诵?列車的啟動、運行和制動都需要依靠輪軌力實現(xiàn)[1],因此輪軌的接觸特性會影響列車的動力學性能、安全性能及經(jīng)濟效益[2]。車輪踏面出現(xiàn)問題會導致輪軌接觸特性惡化,主要解決方案為鏇輪或換輪。在輪對日常維護中,車輪踏面探傷設(shè)備一旦探測到有裂紋存在便需要進行鏇輪。我國某型高速動車組在實際運用中,車輛運行20～25萬km時就需要鏇輪,部分車輪踏面甚至出現(xiàn)了嚴重的內(nèi)部裂紋擴展,深度一般為8～10 mm。為消除疲勞裂紋,鏇輪深度高達10 mm,因為踏面的最大鏇輪量僅30 mm左右,新輪鏇修2～3次就需要更換。因此每年對于輪對踏面維護的投入很多,大大增加了高速鐵路的運營成本。為了解決這一問題,必須對該型動車組踏面[3](以下簡稱“現(xiàn)用踏面”)的輪軌接觸特性進行深入研究。

1 計算現(xiàn)用踏面輪軌接觸點

輪軌接觸點的位置對于車輛的動力學性能及車輪的使用壽命具有重要影響,若輪軌接觸點分布位置過于集中,車輪磨耗趨于集中,會加快其滾動接觸疲勞;若輪軌接觸點分布位置過于分散,又會影響車輛的動力學性能,甚至影響車輛運行安全[4]。因此首先計算現(xiàn)用踏面與我國高速鐵路主要使用的60軌和60N軌[5]的幾何接觸分布特性。

計算結(jié)果如圖1所示,現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的零位接觸點偏向鋼軌內(nèi)側(cè)約6～7 mm,輪對橫移量±4 mm范圍內(nèi)的軌面接觸點偏移僅2～3 mm,按接觸斑半軸7.5～10 mm計算,光帶的寬度為17～23 mm。

圖1 現(xiàn)用踏面與60軌、60N軌的接觸點

2 計算現(xiàn)用踏面輪軌接觸應(yīng)力

輪軌滾動接觸應(yīng)力是輪軌接觸破壞的主要原因,而最大接觸應(yīng)力是輪軌破壞的決定性因素[6]。為進一步驗證現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的接觸是否存在應(yīng)力集中,采用有限元軟件Abaqus建立輪軌接觸模型[7],如圖2所示。

圖2 輪軌接觸模型

考慮實際輪軌接觸區(qū)域僅存在于接觸斑處,且輪對僅有車體載荷垂向向下,因此建立半輪對模型,半徑為460 mm。三維鋼軌實體由其二維廓形拉伸而成,同樣考慮輪軌接觸斑,建立鋼軌長度為80 mm,鋼軌底面全約束,鋼軌縱向兩端面自由度被約束。在劃分網(wǎng)格時對輪對中部接觸扇形區(qū)域進行網(wǎng)格細化,輪對的載荷及約束通過耦合輪對中心點的方式施加,考慮該型動車組的軸重為17 t,因此施加的載荷為85 000 N。

首先,對現(xiàn)用踏面分別與2種鋼軌在零位時的接觸應(yīng)力進行計算,應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 零位時現(xiàn)用踏面輪軌接觸應(yīng)力云圖

由圖3可知,當處于零位時,現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的最大接觸應(yīng)力在1 000 MPa左右,且最大應(yīng)力區(qū)域為點狀,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

隨后對輪對在-10～10 mm橫移量下,分別對踏面與60軌、60N鋼軌的接觸應(yīng)力進行計算,整理數(shù)據(jù)繪制最大輪軌接觸應(yīng)力與橫移量關(guān)系如圖4所示。

圖4 現(xiàn)用踏面與60軌、60N軌在不同橫移量下的最大輪軌接觸應(yīng)力

由圖4可知,現(xiàn)用踏面與2種鋼軌的最大輪軌接觸應(yīng)力一般在1 000 MPa左右,特別是在滾動圓附近,最大輪軌接觸應(yīng)力一般高于1 000 MPa。如此高的接觸應(yīng)力且滾動圓附近存在應(yīng)力集中,極易出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 W01GT3型踏面廓形介紹

針對某型動車組現(xiàn)用踏面輪軌接觸出現(xiàn)的問題,本文介紹了一種W01GT3型踏面,此踏面廓形由同濟大學沈鋼等根據(jù)實測鋼軌平均典型廓形的高鐵踏面設(shè)計而來[8]。圖5為W01GT3型踏面與現(xiàn)用踏面的外形對比圖,以踏面名義滾動圓處為共同原點建立坐標系,可見2種廓形由輪緣頂至橫坐標為-54.2～+4.6 mm區(qū)段幾乎一樣。如圖6所示,在-54.2～+4.6 mm區(qū)段的法向差異均值為0.042 9 mm,方差為0.127 0 mm,并可見是波動的。圖7為+4.6～+64.2 mm區(qū)段的法向差異,可見在+4.6 mm處有一明顯的傾斜,然后是一個等高抬升,數(shù)值在0.9 mm左右。

圖5 W01GT3型踏面與現(xiàn)用踏面廓形對比

圖6 -54.2～+4.6 mm區(qū)段的法向差異

圖7 +4.6～+64.2 mm區(qū)段的法向差異

4 W01GT3型踏面輪軌接觸點計算

圖8為W01GT3型踏面分別與60軌、60N軌的輪軌接觸點分布,軌底坡為1∶40,軌距為1 435 mm。可見,接觸點零位在鋼軌軌頂中部,當橫移量在±4 mm范圍內(nèi)時,軌頂接觸點偏移量在10 mm左右,優(yōu)于同等橫移量下現(xiàn)用踏面的2～3 mm。仍按接觸斑半軸為7.5～10 mm計算,光帶寬度應(yīng)該為25～30 mm,同樣優(yōu)于同等橫移量下現(xiàn)用踏面的17～23 mm。

圖8 W01GT3型踏面與60軌、60N軌的輪軌接觸點

5 2種踏面輪軌接觸應(yīng)力對比

采用前述同樣的方法在Abaqus軟件中建立踏面為W01GT3型半輪對模型,對踏面分別與2種鋼軌在零位時的接觸應(yīng)力進行計算,應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 零位時W01GT3型踏面輪軌接觸應(yīng)力云圖

W01GT3型踏面與2種鋼軌的最大接觸應(yīng)力為500 MPa,僅為現(xiàn)用踏面最大接觸應(yīng)力的一半,最大應(yīng)力區(qū)域為條狀或兩點,應(yīng)力水平較小且沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

隨后對輪對在-10～10 mm橫移量下,分別對踏面與60軌、60N軌的接觸應(yīng)力進行計算,整理數(shù)據(jù)繪制最大輪軌接觸應(yīng)力與輪對橫移量關(guān)系,如圖10所示。為方便對比,圖10中同時繪制了現(xiàn)用踏面的計算結(jié)果。

圖10 最大輪軌接觸應(yīng)力與輪對橫移量的關(guān)系

由圖10可得:

(1) 當鋼軌為60N軌時,輪對橫移量由-10～10 mm變化過程中,現(xiàn)用踏面最大輪軌接觸應(yīng)力在1 000 MPa左右,變化幅度不大;W01GT3型踏面在名義滾動圓及左側(cè)接觸時,最大應(yīng)力約為500 MPa,當輪對向兩側(cè)移動時,輪軌接觸應(yīng)力逐漸變大,且當輪對橫移量為負即輪緣貼近鋼軌時的接觸應(yīng)力,要比輪對向右橫移即輪緣遠離鋼軌時的接觸應(yīng)力大。

(2) 當鋼軌為60軌時,輪對橫移量由-10～10 mm變化過程中,現(xiàn)用踏面的最大輪軌接觸應(yīng)力總體上呈現(xiàn)下降趨勢,W01GT3型踏面則在名義滾動圓附近的最大接觸應(yīng)力最小,向兩端移動后接觸應(yīng)力增大。當輪對橫移量為負時,接觸應(yīng)力變化較大,但仍低于現(xiàn)用踏面接觸應(yīng)力。

(3) 無論是60軌還是60N軌,W01GT3型踏面在輪緣貼近鋼軌時的輪軌接觸應(yīng)力大于輪緣遠離鋼軌時的輪軌接觸應(yīng)力;W01GT3型踏面與鋼軌的最大接觸應(yīng)力均小于現(xiàn)用踏面,特別是在名義滾動圓附近,W01GT3型踏面的最大接觸應(yīng)力僅為現(xiàn)用踏面的一半。分析原因認為:W01GT3型踏面輪軌接觸面積明顯大于現(xiàn)用踏面,導致同樣的載荷下W01GT3型踏面的接觸應(yīng)力比現(xiàn)用踏面小。

6 基于Fatigue的疲勞裂紋萌生壽命對比

根據(jù)以上應(yīng)力計算結(jié)果,將零位時有限元模型及計算結(jié)果導入疲勞分析軟件MSC.Fatigue,計算直線工況下的疲勞裂紋萌生壽命[9]。設(shè)置載荷縮放因子為1,即保持Abaqus里的載荷設(shè)置,載荷譜時間歷程如圖11所示。設(shè)置材料屬性為楊氏模量2.07×105MPa,抗拉強度895 MPa,滿足鐵路車輪用鋼材料分析要求[10],分析結(jié)果如圖12所示。因W01GT3型踏面與60N軌的接觸部分云圖為細長狀,為方便觀察,圖12(d)所示接觸部分云圖的縱向長度與實際長度比例為3∶1。

圖11 載荷譜時間歷程

圖12 疲勞裂紋萌生壽命云圖

根據(jù)計算結(jié)果,直線工況下,現(xiàn)用踏面與60軌匹配的疲勞裂紋萌生壽命為1.27×106次循環(huán),大約為3 671 km;與60N軌匹配時為1.76×106次循環(huán),約為5 086 km。W01GT3型踏面與60軌匹配的疲勞裂紋萌生壽命為1.10×107次循環(huán),與60N軌匹配時為1.01×107次循環(huán),約為27 000 km?？芍?現(xiàn)用踏面的云圖呈塊狀,W01GT3型踏面的云圖呈長條狀,分別與其應(yīng)力云圖結(jié)果一致。直線工況下,W01GT3型踏面的疲勞裂紋萌生壽命遠高于現(xiàn)用踏面,具有優(yōu)良的疲勞性能。

7 總結(jié)

我國某型高速動車組現(xiàn)用踏面與60軌、60N軌的輪軌接觸應(yīng)力較大,且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。相比于現(xiàn)用踏面,W01GT3型踏面能夠改善輪軌接觸點分布,降低應(yīng)力集中,提升疲勞裂紋萌生壽命。針對此型高鐵輪對踏面鏇修維護時,建議改變原有策略,將廓形模板定義與W01GT3型踏面相近,以提高疲勞壽命。