尖軌磨耗與加強(qiáng)技術(shù)研究

劉思瑩，徐永綏，張軍，孫傳喜

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044)

尖軌磨耗與加強(qiáng)技術(shù)研究

劉思瑩1，徐永綏1，張軍2，孫傳喜1

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044)

針對重載道岔尖軌磨耗問題，利用輪軌型面測量儀測量不同磨耗時期的機(jī)車車輪型面，建立機(jī)車車輪與不同位置道岔尖軌三維有限元接觸模型，進(jìn)行彈塑性計算，分析不同輪軌匹配狀態(tài)與尖軌磨耗規(guī)律，研究尖軌加強(qiáng)技術(shù)對輪軌匹配的影響.計算結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)輪軌接觸時，尖軌上接觸斑呈狹長條狀，接觸面積小，尖軌2 m位置處等效應(yīng)力達(dá)到最大值790.8 MPa，其磨耗情況最嚴(yán)重；不同磨耗車輪與尖軌接觸時，磨耗中期車輪與尖軌接觸情況較好，磨耗末期車輪與尖軌接觸情況較差，使得尖軌磨耗加劇；采取切削基本軌加厚尖軌的技術(shù)，可提高輪軌之間的接觸斑面積，減小其等效應(yīng)力，進(jìn)而提高尖軌的使用壽命.

重載；尖軌；機(jī)車車輪；接觸；磨耗

0 引言

重載運(yùn)輸是鐵路貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向，作為高效率運(yùn)輸?shù)囊环N有效方式，在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展[1-3].重載鐵路具有大運(yùn)量、大軸重和高密度的特點，其運(yùn)輸工況造成嚴(yán)苛的運(yùn)行條件.道岔是鐵路車輛進(jìn)行線路轉(zhuǎn)換的必要設(shè)施,結(jié)構(gòu)比普通線路復(fù)雜，因而輪軌磨耗更加嚴(yán)重.

圖1 尖軌磨耗掉塊

就尖軌而言，其結(jié)構(gòu)形式比基本軌復(fù)雜，各截面的形狀區(qū)別明顯，檢測難度大；同時尖軌又是道岔的重要組成部分，列車側(cè)向過岔時，曲尖軌受力情況復(fù)雜，在短時間內(nèi)受到嚴(yán)重磨耗，產(chǎn)生裂紋、壓潰甚至發(fā)生剝離掉塊,如圖1.主要是因為尖軌尖端位置的截面積較小，承受的橫向力較大，制約了尖軌的使用壽命.因此，研究輪軌磨耗的規(guī)律，采取有效措施，對道岔尖軌進(jìn)行加強(qiáng)來提高其使用壽命，是一個迫切需要解決的問題[4-6].

針對上述存在的問題，國內(nèi)外許多學(xué)者對重載道岔進(jìn)行了大量的研究.王平[7]建立了道岔尖軌的力學(xué)模型，提出并驗證了用以分析輪載的變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)不平順的求解計算方法；Kassa等[8]分別建立了源于MBS商業(yè)軟件和基于多體系統(tǒng)動力學(xué)方程的兩種輪岔作用的動態(tài)仿真模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軌道模型為剛性時結(jié)果取得良好的一致性；楊冠嶺等[9]通過建立基本軌與尖軌的實體模型，對曲尖軌不同頂面寬度的截面應(yīng)力、改變長度后的截面應(yīng)力以及均勻加寬軌頭后的截面接觸應(yīng)力進(jìn)行分析；王樹國等[10]提出了一系列有效提高重載道岔使用壽命的技術(shù)，其中包括尖軌加寬技術(shù)、“半直半曲型”曲線尖軌技術(shù)等；馬曉川等[11]建立了輪岔動力學(xué)仿真模型，分析了尖軌降低值超限對轉(zhuǎn)轍器動力特性的影響.

為緩解重載道岔的磨耗問題，道岔加強(qiáng)技術(shù)的研究和新型道岔的研制成為目前及以后的重要研究方向.加厚尖軌是提高其壽命的主要措施[12].

機(jī)車在列車最前端，相比貨車對尖軌的磨耗更大.本文在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上針對重載道岔尖軌磨耗問題，建立機(jī)車車輪—尖軌有限元模型進(jìn)行接觸計算，通過對大量計算結(jié)果進(jìn)行分析，研究輪軌接觸的磨耗規(guī)律及尖軌加強(qiáng)技術(shù)對輪軌匹配性能的影響.

1 輪軌接觸計算模型

1.1 幾何型面分析

目前我國重載鐵路上運(yùn)行的列車普遍使用的機(jī)車車輪是JM3磨耗型踏面，使用較多的道岔是75 kg/m鋼軌12號單開道岔.根據(jù)現(xiàn)場實測觀察，尖軌尖端薄，前3 m區(qū)段內(nèi)截面積較小，磨耗嚴(yán)重，易壓潰甚至掉塊，故分別選取距離尖軌尖端1、1.5、2、2.5、3 m五個不同位置處的標(biāo)準(zhǔn)尖軌型面進(jìn)行分析，如圖2(a)～(e)所示.

為研究不同磨耗時期車輪與尖軌匹配狀態(tài)及接觸規(guī)律，分別選取磨耗中期和磨耗末期的JM3型車輪型面，并將未磨耗的車輪型面作為標(biāo)準(zhǔn)車輪型面，不同磨耗時期的車輪型面如圖3所示.

圖3 不同磨耗時期的機(jī)車車輪型面

1.2 有限元模型建立

列車側(cè)向過岔時，車輪輪緣貼靠尖軌側(cè)面,圖4為輪軌接觸位置的示意圖.建立輪軌接觸三維彈塑性有限元模型，為同時提高計算精度和效率，將車輪與鋼軌接觸區(qū)網(wǎng)格細(xì)化，最小單元邊長為1 mm，非接觸區(qū)單元網(wǎng)格逐漸擴(kuò)大，車輪與尖軌接觸三維彈塑性有限元模型如圖5所示.

圖4 輪軌接觸位置示意圖

圖5 車輪與尖軌三維彈塑性接觸有限元模型

在三維有限元模型中定義材料屬性：尖軌材料為PG4，經(jīng)熱處理材料屈服極限σs=890 MPa.設(shè)置參數(shù)為：彈性模量E=205 000 MPa，泊松μ=0.3，摩擦系數(shù)f=0.3.施加邊界條件(即約束和載荷)為：基本軌和尖軌軌底全約束，軸重25 t垂直施加在兩側(cè)軸端，曲線半徑為350 m，列車運(yùn)行速度為80 km/h，根據(jù)離心力公式F=mV2/R計算得到橫向力約為35 273 N，均勻施加在輪軸內(nèi)側(cè)，應(yīng)用Marc軟件對模型進(jìn)行彈塑性接觸分析計算.

2 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)車車輪與尖軌接觸計算分析

2.1 接觸斑分析

JM3型機(jī)車車輪分別與距離尖軌尖端1、1.5、2、2.5、3 m五個不同位置處的標(biāo)準(zhǔn)尖軌進(jìn)行匹配計算，接觸斑分布情況如圖6(a)～(e)所示.車輪與基本軌接觸斑關(guān)于接觸中心縱向前后對稱分布，形狀接近橢圓形，尖軌接觸斑分布位置超前于基本軌接觸斑，成狹長條狀，接觸斑面積小，故磨耗較基本軌嚴(yán)重.

如圖6(a)，1 m位置處的尖軌處于藏尖狀態(tài)，相對于基本軌降低值較大，車輪與基本軌軌頂接觸，與尖軌側(cè)面接觸；由1～2 m位置處，基本軌上的接觸斑向鋼軌橫向外側(cè)移動，尖軌上接觸斑位于尖軌軌距角以下.隨著尖軌高度的逐漸增大，軌頂寬度逐漸增加，尖軌接觸斑由側(cè)面向軌頂方向移動.由2～3 m位置處，尖軌上的接觸斑出現(xiàn)在尖軌軌距角附近，寬度增加.

(a) 1m

(b) 1.5m

(c) 2m

(d) 2.5m

(e) 3m

以鋼軌縱向為長軸，橫向為短軸，車輪與基本軌在不同位置處接觸斑大小如表1所示.隨著距尖軌尖端距離的增加，基本軌接觸斑長軸值基本不變，短軸值有所減小，接觸斑面積總體呈減小趨勢，由441 mm2減小到229 mm2，特別是2 m之后到3 m位置減小了59.95%.

表1 基本軌上接觸斑大小

車輪與不同位置處尖軌接觸斑大小如表2所示，隨著距尖軌尖端距離的增加，尖軌頂寬增加，尖軌上接觸斑面積增大.

表2 尖軌上接觸斑大小

2.2 等效應(yīng)力分析

車輪與五個不同位置尖軌接觸計算的最大等效應(yīng)力結(jié)果如圖7所示.機(jī)車車輪與不同位置處尖軌接觸時，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢.

1 m位置處，軸重主要由基本軌承擔(dān)，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在基本軌上，尖軌承重較小，等效應(yīng)力較小；由1～2 m位置處，尖軌高度逐漸增大，軌頂寬度逐漸增加，尖軌承受軸重的分量增大，同時承受橫向力，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在尖軌上，在2 m位置處等效應(yīng)力達(dá)到最大，為790.8 MPa；由2～3m位置處，等效應(yīng)力逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，這是由于尖軌高度逐漸達(dá)到與基本軌一致，型面逐漸接近基本軌型面，磨耗相對減輕.

圖7 機(jī)車車輪與不同位置處尖軌接觸的最大等效應(yīng)力

3 不同磨耗時期車輪與尖軌接觸計算

為研究不同磨耗時期的機(jī)車車輪與尖軌的接觸情況，分別建立標(biāo)準(zhǔn)車輪、磨耗中期車輪、磨耗末期車輪與尖軌的三維彈塑性接觸模型，最大等效應(yīng)力情況如圖8所示.

圖8 不同磨耗時期車輪與尖軌接觸最大等效應(yīng)力

由圖可以看出，磨耗中期車輪與尖軌匹配，和標(biāo)準(zhǔn)車輪與尖軌匹配的接觸規(guī)律相似，等效應(yīng)力值較小，最大等效應(yīng)力先增大再減小，在2 m位置處尖軌等效應(yīng)力達(dá)到最大，為730.9 MPa，均未超出材料屈服極限，且在2～3 m位置處最大等效應(yīng)力低于標(biāo)準(zhǔn)車輪與尖軌匹配時，分別降低了7.6%和12.3%，接觸情況較好；磨耗末期車輪與尖軌匹配，等效應(yīng)力較大，由1～3 m位置，最大等效應(yīng)力呈線性增大，接觸情況較差.特別是在3 m位置處，最大等效應(yīng)力高達(dá)1 082 MPa，是2 m位置處的1.24倍，比磨耗中期車輪與3 m位置處尖軌接觸時的最大等效應(yīng)力增大了70%.

磨耗末期車輪與3 m位置處尖軌接觸斑分布圖如圖9所示，等效應(yīng)力圖如圖10所示.在3 m位置處，磨耗末期車輪與基本軌基本無接觸，軸重主要由尖軌承載，接觸斑主要分布在尖軌軌頂，尖軌受力較大，垂向磨耗增大，等效應(yīng)力達(dá)到最大，最大等效應(yīng)力高達(dá)1 082 MPa，超出材料屈服極限.可見，磨耗末期車輪與尖軌接觸時，造成嚴(yán)重的磨耗，對尖軌的傷損很大.此時需要及時對車輪型面進(jìn)行鏇修，優(yōu)化車輪外形輪廓，改善車輪與鋼軌的接觸情況，從而降低對尖軌的磨耗.

圖9 磨耗末期車輪與3 m位置尖軌接觸斑

圖10 磨耗末期車輪與3 m處尖軌接觸等效應(yīng)力分布圖

4 尖軌加厚計算結(jié)果分析

為了加強(qiáng)尖軌，提高其使用壽命，一般采取切削尖軌貼靠的基本軌以加厚尖軌的方法[14-16]，通過刨切基本軌軌頭相應(yīng)增加了尖軌軌頭的寬度,見圖11.

圖11 尖軌及其貼靠基本軌線框圖

為研究尖軌加厚對輪軌接觸磨耗情況的影響，改變尖軌及其貼靠基本軌密貼位置，切削尖軌貼靠的基本軌使尖軌分別相應(yīng)加厚1、2、3 mm，標(biāo)記為Ⅰ型尖軌、Ⅱ型尖軌、Ⅲ型尖軌，與未加厚的標(biāo)準(zhǔn)尖軌相比較，分別與JM3型標(biāo)準(zhǔn)車輪、磨耗中期車輪、磨耗末期車輪相匹配，并選取1、2、3 m三個不同位置，構(gòu)成36種不同工況進(jìn)行對比分析.

計算結(jié)果表明：相比標(biāo)準(zhǔn)尖軌與標(biāo)準(zhǔn)車輪匹配情況，加厚的尖軌與未磨耗的標(biāo)準(zhǔn)車輪接觸時，尖軌上等效應(yīng)力差別不大，但與磨耗后的車輪接觸，尖軌上等效應(yīng)力有很大變化.而標(biāo)準(zhǔn)車輪很快會磨耗，鐵路線路上運(yùn)行的列車車輪多為磨耗后的車輪，故磨耗后的機(jī)車車輪更具有普遍性和代表性.

磨耗中期車輪與標(biāo)準(zhǔn)尖軌匹配時在3 m位置處接觸斑分布圖如圖12(a)所示，與Ⅲ型尖軌匹配時在3 m位置處接觸斑分布圖如圖12(b)所示，可見兩種匹配狀態(tài)下接觸斑分布情況相似，在軌距角附近接觸斑形狀略有不同，加厚后的尖軌接觸斑面積較大.

圖12 磨耗中期車輪與3m位置加厚前后尖軌接觸斑

將磨耗末期車輪與不同類型尖軌匹配情況進(jìn)行對比分析.隨著尖軌加厚，尖軌軌頭寬度相應(yīng)增加，相同位置(即距尖軌實際尖端相同距離)的尖軌最大等效應(yīng)力隨之減小，尤其是距離尖軌尖端較近(如1 m位置處)的最大等效應(yīng)力，呈直線下降的趨勢；在距離尖軌尖端較遠(yuǎn)(2 m以后)位置，其最大等效應(yīng)力隨著距尖軌尖端距離的增加也呈微弱的減小趨勢，并且逐漸趨于平緩，如圖13所示.

圖13 磨耗末期車輪與加厚尖軌接觸最大等效應(yīng)力

磨耗末期車輪與不同類型尖軌匹配的接觸斑形狀相似，接觸斑面積如圖14所示.在1 m和3 m位置處接觸斑大小變化不大，在2 m位置處接觸斑面積隨著尖軌的加厚有明顯增大，接觸斑分布情況有所改善，有利于減小尖軌受力.

圖14 磨耗末期車輪與不同類型尖軌接觸斑面積

可見，尖軌的加厚對緩解尖軌受力、減小尖軌磨耗是有利的，可以有效延長尖軌的使用壽命.

5 結(jié)論

本文針對重載道岔尖軌磨耗問題，對輪軌磨耗規(guī)律進(jìn)行研究，探討尖軌加厚技術(shù)的影響，得到如下結(jié)論：

(1)標(biāo)準(zhǔn)車輪與標(biāo)準(zhǔn)尖軌匹配時，尖軌接觸斑成狹長條狀，隨著距尖軌尖端距離的增加，基本軌接觸斑面積減小，尖軌接觸斑面積增加.1 m位置處的尖軌處于藏尖狀態(tài)，等效應(yīng)力小；2 m位置處的尖軌等效應(yīng)力最大達(dá)到790.8 MPa，磨耗情況最嚴(yán)重;

(2)磨耗中期車輪與尖軌接觸時，等效應(yīng)力較小，接觸情況較好；磨耗末期車輪與3 m位置處尖軌接觸等效應(yīng)力達(dá)到最大，對尖軌的磨耗嚴(yán)重;

(3)采取加厚尖軌技術(shù)，通過切削基本軌，尖軌軌頭寬度得以增加，相同位置(即距尖軌實際尖端相同距離)的尖軌最大等效應(yīng)力隨之減小，可以減緩尖軌側(cè)磨，有利于提高尖軌的使用壽命.

[1]錢立新．世界鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[J]．世界鐵路，2007(6)：49-53.

[2]李宏．國外重載鐵路綜述[J]．鐵道工程學(xué)報，2000，12(4)：32-34.

[3]FRANK RICHTER.Heavy Haul Rail loading in the U.S.A[J].Foreign Rolling Stock,2006(9):15-26.

[4]劉樹旺．延長大秦重載鐵路鋼軌使用壽命措施的研究[J]．中國鐵路，2009(1)：40- 43.

[5]王旭榮．大秦鐵路鋼軌使用壽命和延長措施研究[J]．中國鐵路，2011(6)：43- 46.

[6]宋學(xué)兵．淺談延長重載鐵路曲線鋼軌使用壽命的方法[J]．科技與創(chuàng)新，2015(18)：75-76.

[7]王平．道岔轉(zhuǎn)轍器部分的力學(xué)特性分析[J]．鐵道學(xué)報，2000，22(1)：79- 82.

[8]KASSA E,ANDESSON C,NIELSEN J C O.Simulation of dynamic interaction between train and railway turnout[J].Vehicle System Dynamics,2006,44(3):247-258.

[9]楊冠嶺，王平，宋楊．重載75kg/m鋼軌12號道岔曲尖軌加強(qiáng)設(shè)計方案研究[J]．路基工程，2011(4)：63- 68.

[10]王樹國，葛晶，王猛．重載道岔技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．中國鐵路，2013(11)：16-20.

[11]馬曉川，王平，王健，等．尖軌降低值超限對轉(zhuǎn)轍器動力特性的影響研究[J]．鐵道學(xué)報，2016，38(3)：98-105.

[12]董彥錄．重載鐵路道岔研究[J]．中國鐵路，2013(6)：12-15.

[13]張鐵，張軍，張劍．不同磨耗階段輪軌型面匹配下重載貨車的動態(tài)性能[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報，2014(1)：6-10.

[14]趙洪雁．大秦線重載鐵路道岔技術(shù)指標(biāo)探討[J].鐵道建筑，2010(4)：89-91.

[15]陳嶸，王平，李成輝．75 kg/m鋼軌12號重載道岔服役性能優(yōu)化分析[J]．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011，8(6)：7-11.

[16]駱焱．30 t軸重60 kg/m鋼軌18號重載道岔設(shè)計[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(11)：47-52.

Research on Wear and Strengthening Technology of Switch Rail

LIU Siying1,XU Yongsui1,ZHANG Jun2,SUN Chuanxi1

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2. School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044, China)

Based on the different wear stages locomotive wheel profiles obtained by wheel-rail measuring instrument, a three-dimensional finite element models of wheel-rail contact in turnout zone are developed. The wheel-rail contact status and wear rules of switch rail are analyzed through elastic-plastic calculation. The influence of the switch rail strengthening technology on the wheel-rail matching is studied. The conclusions through calculation that when standard locomotive wheel contacts with standard switch rail, the contact patch on the switch rail is a long and narrow strip, and the maximum equivalent stress reaches to 790.8 MPa on the switch rail at 2 m position where it is worn most seriously. The matching between the worn wheel at metaphase and switch rail is better compared with that between other wheel profiles and switch rail. While the matching between the wheel profile at telophase and switch rail profile is worse, which makes the switch rail wear severely. Besides the contact area could be increased, and the equivalent stress could be decreased by cutting the basic rail to reinforce switch rail. Therefore the service life could be improved by this method.

heavy-haul; switch rail; locomotive wheel; contact; wheel-rail wear

1673- 9590(2017)04- 0074- 06

2016- 10- 19

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(201602132)

劉思瑩(1992-)，女，碩士研究生;徐永綏(1962-)，副教授，碩士，主要從事車輛工程的研究E- mail:249368674@qq.com.

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