某型高铁踏面廓形轮轨接触特性的对比分析

王兴远,沈 钢,董强强,毛 鑫

(1.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804;2.中国铁路上海局集团有限公司 上海动车段,上海 201812)

轮轨系统是铁路交通运输的核心,列车的启动、运行和制动都需要依靠轮轨力实现[1],因此轮轨的接触特性会影响列车的动力学性能、安全性能及经济效益[2]。车轮踏面出现问题会导致轮轨接触特性恶化,主要解决方案为镟轮或换轮。在轮对日常维护中,车轮踏面探伤设备一旦探测到有裂纹存在便需要进行镟轮。我国某型高速动车组在实际运用中,车辆运行20～25万km时就需要镟轮,部分车轮踏面甚至出现了严重的内部裂纹扩展,深度一般为8～10 mm。为消除疲劳裂纹,镟轮深度高达10 mm,因为踏面的最大镟轮量仅30 mm左右,新轮镟修2～3次就需要更换。因此每年对于轮对踏面维护的投入很多,大大增加了高速铁路的运营成本。为了解决这一问题,必须对该型动车组踏面[3](以下简称“现用踏面”)的轮轨接触特性进行深入研究。

1 计算现用踏面轮轨接触点

轮轨接触点的位置对于车辆的动力学性能及车轮的使用寿命具有重要影响,若轮轨接触点分布位置过于集中,车轮磨耗趋于集中,会加快其滚动接触疲劳;若轮轨接触点分布位置过于分散,又会影响车辆的动力学性能,甚至影响车辆运行安全[4]。因此首先计算现用踏面与我国高速铁路主要使用的60轨和60N轨[5]的几何接触分布特性。

计算结果如图1所示,现用踏面与2种钢轨的零位接触点偏向钢轨内侧约6～7 mm,轮对横移量±4 mm范围内的轨面接触点偏移仅2～3 mm,按接触斑半轴7.5～10 mm计算,光带的宽度为17～23 mm。

图1 现用踏面与60轨、60N轨的接触点

2 计算现用踏面轮轨接触应力

轮轨滚动接触应力是轮轨接触破坏的主要原因,而最大接触应力是轮轨破坏的决定性因素[6]。为进一步验证现用踏面与2种钢轨的接触是否存在应力集中,采用有限元软件Abaqus建立轮轨接触模型[7],如图2所示。

图2 轮轨接触模型

考虑实际轮轨接触区域仅存在于接触斑处,且轮对仅有车体载荷垂向向下,因此建立半轮对模型,半径为460 mm。三维钢轨实体由其二维廓形拉伸而成,同样考虑轮轨接触斑,建立钢轨长度为80 mm,钢轨底面全约束,钢轨纵向两端面自由度被约束。在划分网格时对轮对中部接触扇形区域进行网格细化,轮对的载荷及约束通过耦合轮对中心点的方式施加,考虑该型动车组的轴重为17 t,因此施加的载荷为85 000 N。

首先,对现用踏面分别与2种钢轨在零位时的接触应力进行计算,应力云图如图3所示。

图3 零位时现用踏面轮轨接触应力云图

由图3可知,当处于零位时,现用踏面与2种钢轨的最大接触应力在1 000 MPa左右,且最大应力区域为点状,容易产生应力集中。

随后对轮对在-10～10 mm横移量下,分别对踏面与60轨、60N钢轨的接触应力进行计算,整理数据绘制最大轮轨接触应力与横移量关系如图4所示。

图4 现用踏面与60轨、60N轨在不同横移量下的最大轮轨接触应力

由图4可知,现用踏面与2种钢轨的最大轮轨接触应力一般在1 000 MPa左右,特别是在滚动圆附近,最大轮轨接触应力一般高于1 000 MPa。如此高的接触应力且滚动圆附近存在应力集中,极易出现疲劳裂纹。

3 W01GT3型踏面廓形介绍

针对某型动车组现用踏面轮轨接触出现的问题,本文介绍了一种W01GT3型踏面,此踏面廓形由同济大学沈钢等根据实测钢轨平均典型廓形的高铁踏面设计而来[8]。图5为W01GT3型踏面与现用踏面的外形对比图,以踏面名义滚动圆处为共同原点建立坐标系,可见2种廓形由轮缘顶至横坐标为-54.2～+4.6 mm区段几乎一样。如图6所示,在-54.2～+4.6 mm区段的法向差异均值为0.042 9 mm,方差为0.127 0 mm,并可见是波动的。图7为+4.6～+64.2 mm区段的法向差异,可见在+4.6 mm处有一明显的倾斜,然后是一个等高抬升,数值在0.9 mm左右。

图5 W01GT3型踏面与现用踏面廓形对比

图6 -54.2～+4.6 mm区段的法向差异

图7 +4.6～+64.2 mm区段的法向差异

4 W01GT3型踏面轮轨接触点计算

图8为W01GT3型踏面分别与60轨、60N轨的轮轨接触点分布,轨底坡为1∶40,轨距为1 435 mm。可见,接触点零位在钢轨轨顶中部,当横移量在±4 mm范围内时,轨顶接触点偏移量在10 mm左右,优于同等横移量下现用踏面的2～3 mm。仍按接触斑半轴为7.5～10 mm计算,光带宽度应该为25～30 mm,同样优于同等横移量下现用踏面的17～23 mm。

图8 W01GT3型踏面与60轨、60N轨的轮轨接触点

5 2种踏面轮轨接触应力对比

采用前述同样的方法在Abaqus软件中建立踏面为W01GT3型半轮对模型,对踏面分别与2种钢轨在零位时的接触应力进行计算,应力云图如图9所示。

图9 零位时W01GT3型踏面轮轨接触应力云图

W01GT3型踏面与2种钢轨的最大接触应力为500 MPa,仅为现用踏面最大接触应力的一半,最大应力区域为条状或两点,应力水平较小且没有出现应力集中现象。

随后对轮对在-10～10 mm横移量下,分别对踏面与60轨、60N轨的接触应力进行计算,整理数据绘制最大轮轨接触应力与轮对横移量关系,如图10所示。为方便对比,图10中同时绘制了现用踏面的计算结果。

图10 最大轮轨接触应力与轮对横移量的关系

由图10可得:

(1) 当钢轨为60N轨时,轮对横移量由-10～10 mm变化过程中,现用踏面最大轮轨接触应力在1 000 MPa左右,变化幅度不大;W01GT3型踏面在名义滚动圆及左侧接触时,最大应力约为500 MPa,当轮对向两侧移动时,轮轨接触应力逐渐变大,且当轮对横移量为负即轮缘贴近钢轨时的接触应力,要比轮对向右横移即轮缘远离钢轨时的接触应力大。

(2) 当钢轨为60轨时,轮对横移量由-10～10 mm变化过程中,现用踏面的最大轮轨接触应力总体上呈现下降趋势,W01GT3型踏面则在名义滚动圆附近的最大接触应力最小,向两端移动后接触应力增大。当轮对横移量为负时,接触应力变化较大,但仍低于现用踏面接触应力。

(3) 无论是60轨还是60N轨,W01GT3型踏面在轮缘贴近钢轨时的轮轨接触应力大于轮缘远离钢轨时的轮轨接触应力;W01GT3型踏面与钢轨的最大接触应力均小于现用踏面,特别是在名义滚动圆附近,W01GT3型踏面的最大接触应力仅为现用踏面的一半。分析原因认为:W01GT3型踏面轮轨接触面积明显大于现用踏面,导致同样的载荷下W01GT3型踏面的接触应力比现用踏面小。

6 基于Fatigue的疲劳裂纹萌生寿命对比

根据以上应力计算结果,将零位时有限元模型及计算结果导入疲劳分析软件MSC.Fatigue,计算直线工况下的疲劳裂纹萌生寿命[9]。设置载荷缩放因子为1,即保持Abaqus里的载荷设置,载荷谱时间历程如图11所示。设置材料属性为杨氏模量2.07×105MPa,抗拉强度895 MPa,满足铁路车轮用钢材料分析要求[10],分析结果如图12所示。因W01GT3型踏面与60N轨的接触部分云图为细长状,为方便观察,图12(d)所示接触部分云图的纵向长度与实际长度比例为3∶1。

图11 载荷谱时间历程

图12 疲劳裂纹萌生寿命云图

根据计算结果,直线工况下,现用踏面与60轨匹配的疲劳裂纹萌生寿命为1.27×106次循环,大约为3 671 km;与60N轨匹配时为1.76×106次循环,约为5 086 km。W01GT3型踏面与60轨匹配的疲劳裂纹萌生寿命为1.10×107次循环,与60N轨匹配时为1.01×107次循环,约为27 000 km。可知,现用踏面的云图呈块状,W01GT3型踏面的云图呈长条状,分别与其应力云图结果一致。直线工况下,W01GT3型踏面的疲劳裂纹萌生寿命远高于现用踏面,具有优良的疲劳性能。

7 总结

我国某型高速动车组现用踏面与60轨、60N轨的轮轨接触应力较大,且存在应力集中现象。相比于现用踏面,W01GT3型踏面能够改善轮轨接触点分布,降低应力集中,提升疲劳裂纹萌生寿命。针对此型高铁轮对踏面镟修维护时,建议改变原有策略,将廓形模板定义与W01GT3型踏面相近,以提高疲劳寿命。