铁路货车轴重与轮轨动态相互作用研究

田光荣,熊 芯,曲金娟,王新锐

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081)

近年来,世界各国均将通过提高车辆轴重以增加车辆载重作为最为有效的方式之一。国内外大轴重货车及相关项目研究表明:发展大轴重货车是世界铁路货运发展的共同趋势。美国现在所有一级铁路的标准轴重1990年后已确定为33 t,有少量35.7 t,目前最大轴重已达到40 t;南非煤车轴重为26 t,矿石车轴重为30 t;澳大利亚轴重一般为25 t、27 t和35 t,有少量矿石车轴重为40 t。此外,加拿大、巴西和瑞典等重载运输较为发达的国家,其轴重均达到或超过了30 t[1-2]。在中国铁路大发展的进程中,随着京沪、京广等客运专线的建设和投入运用,将逐步实现客货分线,这些繁忙干线将形成以货运为主的运输格局,此外,煤炭运输通道网进一步扩充和强化后,部分区段的轴重将有很大的发展空间[3]。为了进一步完成扩能任务,中国铁路货车必将朝着大轴重、大的每延米重方向迈上新台阶。

大轴重铁路货车的投入以及重载列车的开行,对线路的破坏作用加剧。北美AAR对35 t、37 t轴重货车所做的试验表明,轮轨磨耗、钢轨扣件损伤、路基下沉等方面都比现有货车的指标恶化了许多[4,5]。车辆轴重的增加,将加剧列车运行过程中对轨道结构的破坏作用,引起轨道部件的损伤、轨道结构的失效和线路状况的恶化。随着轴重的增加,最大等效应力值逐步增大,钢轨表面将更容易受到应力破坏,从而加剧轮轨接触面的磨损状况[6]。

1 计算模型

计算模型采用装配转K6型转向架铁路货车,其半车拓扑关系如图1所示。主要部件包括:车体、摇枕、侧架和轮对,相互之间通过一系轴箱橡胶垫、二系摇枕弹簧、组合斜楔、心盘和旁承等连接,整车共11个刚体,53个自由度。

图1 货车(半车)拓扑关系图

2 货车轴重与轮轨磨耗关系研究

轮对相互作用如图2所示。轮轨磨耗问题一直是铁路工业技术中难以解决的老问题。它和很多因素有关,如轮轨之间的作用力、轮轨型面、轮轨相对运动状态等。世界各国铁路部门用于维修和更换磨损轮轨的费用相当巨大[7]。由于轮轨接触斑仅有100多mm2的接触面积,但承受数十吨交变复杂载荷,且轮轨接触面之间存在相对的滑动和转动而导致极限摩擦力的形成。特别是在小半径曲线上,大轴重货车的采用将使得轮轨磨耗急剧恶化。2007年施行的《铁路技术管理规程》规定:“货车车轮踏面圆周磨耗深度的允许限度为≤8 mm”。所以,轮轨磨耗问题研究对于重载货车的运行具有相当大的意义。

图2 轮轨相互作用模型

近年来滚动接触力学的发展表明,轮轨接触面之间所耗散的摩耗功,基本上能代表轮轨磨损的大小[6]。轮轨磨耗功是轮轨磨损程度的标志,用以衡量圆曲线上轮轨的横向动力作用,定义为轮轨接触斑内轮轨蠕滑率与蠕滑力的乘积。轮轨磨耗是机车车辆曲线通过性能的一个重要方面,为了评估车辆通过曲线时的轮轨磨耗程度,需要选定相关衡量指标,同时通过此指标的评定来优化和寻找减轻轮轨磨耗的措施。在车辆通过曲线时,影响磨耗的主要因素是轮对冲角、轮轨横向力、蠕滑力和轮缘导向力等,目前国内外几种典型的磨耗评定方法主要有霍依曼磨耗指数、轮轨接触斑磨耗功、马科特、考德维尔和李斯特磨耗指数等[8,9]。国内、外在轴重增加对动力学性能影响方面进行了相关研究[10,11]。文献[12]给出了钢轨滚动接触疲劳 RCF(Rolling Contact Fatigue)相关介绍及损伤函数(见公式1)。图3为文献[12]给出的钢轨RCF损伤函数,本文直接利用该函数计算钢轨的表面损伤结果。

式中Tx为轮轨纵向切向力;γx为轮轨纵向蠕滑率;Ty为轮轨横向切向力;γy为轮轨横向蠕滑率。直线上的平稳性分析,由于我国还没有系统的干线轨道不平顺数据,故分析中采用与干线情况较相似的美国5级谱,同时施加4个方向的不平顺。车辆前进方向为1位端,运行速度80 km/h。

图3 RCF Tγ损伤函数

表1 轴重与直线运行平稳性的关系

从表1中可以看出,总体趋势而言,在相同的速度级下,随着轴重的增加,横向Sperling平稳性指数在减小,即更加平稳;同时,车辆垂向Sperling平稳性指数也有不同程度的减小,即轴重的增大在一定程度上会提高车辆的运行平稳性。如果将整个车辆视为单自由度系统,在相同的外力(激扰)和弹簧刚度情况下,质量越大,其动挠度就越小。

不同曲线半径情况下,轴重增加对轮轨磨耗功及钢轨RCF损伤的关系。曲线半径取值:400、600、800、1 200、2 000 m,所有计算均依据公式(2)进行,所以没有欠超高和过超高的存在,考虑没有轨道不平顺的影响。

式中v为列车运行速度;R为曲线半径。

表2 曲线参数设置

由图4可以看出,在曲线半径为400 m的情况下,一位轮对轮轨横向力、脱轨系数、轮轨磨耗功和接触斑面积均随着轴重增加有明显的上升趋势,主要体现在圆曲线上,特别是缓圆点位置。总之,随着轴重的增加,轮轨之间的动作用力增大,导致轮轨之间的磨耗严重,主要体现在侧向磨耗方面。轴重增加所引起的轮轨磨耗加剧随着曲线半径的增大而趋于缓和。这一点与文献[13]的结果较为一致。车轮的磨耗量与轮轨之间的正压力和蠕滑力的大小成正比[14],轴重的提高将直接导致车轮垂直磨耗的增大。虽然增大轴重会使轮轨间的动态作用力增加,但其对车辆其他动力学性能参数的影响不明显[15]。

图5所示的值均为标准偏差的值。可以看出,对于轮轨横向力而言,在不同的曲线半径情况下,轴重越大,轮轨横向力越大,曲线半径的影响不明显;但是对于轮轨磨耗功和脱轨系数而言,小曲线半径情况下,轴重的影响较为明显,随着曲线半径的不断增大,轴重的影响逐渐趋于缓和。

图4 曲线半径400 m时轴重对轮轨动力作用的影响

图5 不同曲线半径和轴重时轮轨动力作用比较

随着铁路重载运输的发展,钢轨滚动接触疲劳已成为影响铁路运输效率以及经济效益提高的一大难题。钢轨滚动接触疲劳的破坏形式多种多样,加强对钢轨滚动接触疲劳形成机理的研究,有效预防或减缓钢轨滚动接触疲劳损伤,对列车安全运营和降低运输成本以及发展高速列车具有重要的意义。钢轨的疲劳破坏主要出现在轨道3个部位:曲线段、钢轨接头处和道岔处。列车通过曲线时,轮轨之间除了有较大的垂向载荷外,由于曲线对具有较大惯量的列车方向起制导作用,轮轨之间又形成较大的横向力,导致曲线钢轨顶面和轨道方向成45°龟裂、高轨内侧严重磨损和钢轨顶面波浪形磨损等,严重危及行车安全[16,17]。

图6为车辆以60 km/h的均衡速度通过半径R为600 m曲线情况下,Tγ值的变化曲线。可以看出,车辆在从直线进入缓和曲线时,Tγ有明显的增大趋势。在曲线轨道上 Tγ的变化量约为75 N。在圆曲线段,Tγ值皆处于一个以75 N为平衡线的较为稳定的状态;驶出缓和曲线进入直线时,Tγ减小。在直线段上,Tγ值较小(除了由于轨道随机不平顺激扰而导致的横向位移的变化,进而引起Tγ的变化,比如在75 m处,由于轨道激扰的影响,存在较大的一个瞬态的 Tγ值)。结合RCF损伤函数来说,在直线段上,不会发生RCF损伤,但是从车辆进入缓和曲线开始,在整个曲线上均会发生损伤,根据图3所示,整个过程中,轨道发生的最大RCF损伤为8×10-6,换算得知将经过1.25×105次循环载荷的交变作用之后,曲线外轨将发生明显的损伤。

图6 一位导向轮对外轨历程曲线

从图7可以看出,随着轴重的增加,分析RCF损伤函数中的Tγ值不断增大,特别体现在缓圆点处,当轴重从21 t提高到30 t时,其 Tγ值将增大 28.57%。根据图8分析可知,曲线半径越小,轴重对RCF损伤函数的影响就越明显,分析其原因在于当曲线半径较小时,其纵向和横向的切向力(蠕滑力)、蠕滑率较大,轮轨磨耗现象就明显。相应的,在很大的曲线半径条件下,由于存在很小的蠕滑力和蠕滑率,所以损伤现象不明显。

图7 不同轴重下Tγ时间历程比较

图8 不同轴重和曲线半径下Tγ比较

3 轴重提高与轮轨动态接触的相互关系

在假定轮轨材料相同的条件下,根据Hertz弹性体接触理论,轮轨最大接触应力:

利用大型有限元分析软件ANSYS建立了如图9所示的有限元模型,进一步分析了轴重变化在静态和动态两个方面所带来的轮轨接触变化关系,主要指标是分析车轮的Von Mises等效应力。

根据公式(3),结合有限元分析,得到如图10、图11所示的结果。图10给出了LM磨耗型踏面和干线铁路采用的60kg/m钢轨接触时轴重变化对接触应力的影响趋势,接触应力随着轴重的增加而增大。图11给出利用有限元软件计算得到的车轮的等效Von Mises应力的结果,可以看出,随着轴重的增大,车轮受到的等效Von Mises应力也越大。当轴重从21 t提高到30 t,轮轨接触应力将增大12.3%,车轮Von Mises应力将增大8.17%。结合图9(b)的车轮应力云图可以看出,受力最大的位置是轮毂区域的轮轴接触处(但是均小于相应的许用应力),在实际运用过程中,这也是车轮容易发生损伤和疲劳破坏的区域。

图9 25 t轴重情况下轮对有限元分析结果

图10 轴重与轮轨接触应力的关系

图11 轴重与车轮Von Mises应力的关系

4 结论

以轴重增加为研究对象,分析了对车辆动力学性能,主要是轮轨磨耗,以及轮轨动态相互作用的影响规律,得到如下结论:

(1)通过理论分析表明,小曲线半径条件下,轮轨动态相互作用将随着轴重的增加而加剧,甚至导致疲劳破坏;

(2)在曲线半径较小的情况下,轴重越大,导致的钢轨RCF损伤越明显,以车辆通过缓圆点为例,当轴重从21 t提高到30 t时,其 Tγ值将增大28.57%;

(3)轮轨接触应力随着轴重的增加而增加,当轴重从21 t提高到30 t,轮轨接触应力将增大12.3%,车轮Von Mises应力将增大8.17%。

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