高速列車輪軌型面設計及優化

余娟娟 潘茂華

【摘?要】輪和軌是鐵路機車車輛的關鍵部件，合理的軌道幾何型面匹配關系對列車的運輸性能和安全性至關重要。本文以60E1輪軌型面為基礎，使用商用有限元軟件ABAQUS為工具，通過對輪軌型面進行優化來提高輪軌結構強度。

【關鍵詞】輪軌關系;優化;結構強度;

由于鐵路運輸速度快，運量大，安全性高，耗能少，占地少，投資低，在運輸業內具有重要的不可替代的作用，世界各國都在積極發展鐵路交通，解決鐵路技術上的難題，輪軌匹配問題一直是鐵路研究的重要課題[1-3]，輪軌外形不匹配將導致列車運行上的許多問題的產生，如運行失穩，接觸應力高而導致輪軌表面磨損嚴重，產生裂紋，進而影響鐵路運輸的安全，利用有限元仿真技術，通過對輪軌的型面進行優化，可提高輪軌結構強度，進而提高輪軌的性能[4-9]。

1.幾何模型

車輪選用60E1輪軌型面，接觸形面形面參數如圖1所示，法蘭高度為28mm，型面繪制依據所提供的公式（圖2）參數化建模而成。軌道型面示意圖如圖3所示。裝配好的三維圖示意如圖4所示。

2.有限元模型

本次計算中，采用大型通用有限元軟件abaqus。，單位系統采用mm-t-s。為提高計算精度，模型采用六面體實體單元網格。共224385個單元，168318萬個節點如圖4所示。為了簡化計算，取單個輪子和軌道進行有限元分析。采用線性靜力分析來求解。

3.結構材料及許用應力

輪子所用材料為Q235，屈服強度為235Mpa，安全系數數1.5，許用應力為156.7Mpa，該材料的彈性模量為2E5Mpa，泊松比為0.3。

4.邊界條件

約束軌道底面，車輪與軌道為接觸分析，車速為120km/h，換算角速度為79rad/s，單個車輪承受6.9t載荷，有限元模型邊界條件示意圖如圖6所示。

5.初始模型計算結果

從圖7的輪軌應力云圖可以看出，輪軌接觸時最大應力值為223Mpa，并且產生了應力集中現象，說明接觸區域較小，且超出了材料的許用應力，此時結構發生破壞。

6 輪軌優化

將軌道型面作為輪子優化設計的參考量，為了減小接觸區域的應力，可通過改變輪面型面曲線參數，由于和輪子接觸的軌道的接觸區域型面曲線較為平滑，為了增大輪軌的接觸面，且使輪軌在運行中更平穩，可使輪子型面曲率變化的更平滑，且平滑的過度到曲率為0，不出現曲率方向反向的突變點。

圖9為優化后的輪軌應力云圖，從圖中可以看出，輪軌接觸時最大應力值為110.6Mpa，優化后輪面最大應力約降低了50%，強度滿足要求。

7結論

本文通過對60E1輪軌型面的優化分析，提高了輪軌的結構強度，使輪軌的結構強度滿足要求。同時通過采用ABAQUS進行計算和分析，為以后輪軌的設計與優化提供了參考。

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（作者單位：中航工程集成設備有限公司）