輪軌接觸面損傷時沖擊力作用下熱彈塑性分析

李文全

摘? 要：輪軌接觸面發(fā)生剝離斷裂等損傷時輪軌沖擊力是無損傷時的數倍，不同損傷，不同速度，不同環(huán)境溫度，輪軌沖擊區(qū)域溫度不同。由于輪軌損傷而產生的極大的輪軌沖擊力導致損傷部位應力應變極大，損傷部位溫度升高，損傷附近更容易發(fā)生較大的彈/塑性變形，使損傷發(fā)生擴展。

關鍵詞：踏面損傷;軌面損傷;溫度場;輪軌沖擊力;應力

中圖分類號：U213.42? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）23-0001-05

Abstract： When the wheel-rail contact surface is damaged such as peeling fracture， the impact force of wheel-rail is several times higher than that without damage. With different damages， different speeds， different ambient temperatures， the temperatures of wheel-rail impact area are different. Due to the great wheel-rail impact force caused by wheel-rail damage， the stress and strain of the damaged site is very large， the temperature of the damaged site is increased， and the larger elastic/plastic deformation is more likely to occur near the damage， which makes the damage spread.

Keywords： tread damage; rail surface damage; temperature field; wheel-rail impact force; stress

引言

輪軌接觸研究是現有鐵路研究中的重點之一。在鐵路車輛運行中，由于緊急制動擦傷、輪軌疲勞損傷剝離掉塊、表層材料塑性流變、材料制作工藝不成熟引起的材料性質不均勻等導致的輪軌接觸面損傷會加大輪軌接觸力，而較大的輪軌接觸力加劇車輪踏面及軌面損傷，形成惡性循環(huán)。研究輪軌接觸面在損傷情況下的輪軌沖擊時應力應變及溫度變化對鐵路車輛運營與維護有著極其重要的意義。

目前國內外學者對輪軌接觸面損傷情況下輪軌力進行了大量分析研究[1-5]，主要集中在踏面或軌道損傷情況下輪軌接觸力與損傷長度的關系方面?，F有方法大多是通過動力學方法模擬研究輪軌接觸面損傷時的輪軌接觸力。軌道損傷時，將損傷深度與軌道不平順耦合;車輪踏面損傷時，將車輪踏面損傷等效為軌道損傷，或根據損傷位置車輪半徑相對與未損傷位置的減小量，改變踏面損傷位置車輪半徑從而模擬踏面損傷。輪軌接觸面出現損傷時，輪軌接觸力會在滾過損傷時增大2～3倍，損傷較大時甚至能達到5～6倍。此沖擊力遠超輪軌設計標準限值，對輪軌傷害極大。

對輪軌滾動接觸應力應變情況通過數值方法或有限元方法建立二維理論模型或三維實體模型進行研究[6-8]，結果顯示車輪經過踏面損傷部位時，輪軌接觸應力變化較大，遠超材料屈服極限，將產生較大的塑性變形?，F有研究對損傷位置進行熱彈塑性分析[9-11]，結果顯示輪軌間做純滑動時或輪軌接觸經過損傷位置時，輪軌接觸區(qū)溫度變化較大，應力應變情況與不考慮熱應力時差別較大。

現有研究多是從理論分析角度出發(fā)對輪軌損傷時溫度-應力應變情況進行分析，車輪和軌道簡化成圓柱體和長方體，輪軌間進行純滑動等。本文通過動力學軟件對某型動車建立動力學模型，通過設置車輪/軌道接觸表面損傷，得出輪軌接觸沖擊力譜。通過多物理場有限元仿真軟件建立輪對-軌道三維實體模型，運用多物理場耦合方法，對輪軌損傷時接觸區(qū)溫度、應力、應變等情況進行研究。

1 模型的建立

1.1 動力學模型

根據某型動車相關參數建立動力學模型，主要參數如表1所示。模型中采用多剛體組合結構，車體、構架、輪對保留6自由度，軸箱僅保留轉動自由度，模型如圖1所示。其中車輪踏面導入繪制好的LMA踏面，軌面導入60kg/m鋼軌軌型。車輪踏面損傷長度按圓周方向測量，軌道軌面損傷長度按照軌道縱向測量，在動力學模型中設置不同的損傷長度，模擬研究輪軌踏面損傷時的輪軌沖擊力，并生成時變的輪軌沖擊力譜。其中損傷長度與損傷深度關系采用扁疤計算公式[1]：

f（x）=d/2[1-cos（2πx/L）]? d=L2/16R （1）

其中x為損傷部位上某一點位置，0

1.2 有限元模型

按照相關標準繪制LMA踏面高速動車車輪、60kg/m軌道及對應車軸模型，軌底坡為1：40，由于模型關于車軸中心面對稱，采用半軸模型對稱約束邊界，模型如圖2所示。本文主要研究踏面及軌面的熱彈塑性，因此忽略車輪輻板孔車軸制動盤座等結構。將動力學模擬得出的不同長度損傷下輪軌沖擊力譜導入有限元軟件，并將此載荷施加在半輪軸軌道模型上。

熱分析中輪軌接觸區(qū)熱邊界條件為：

-λ？墜T/？墜Z=q? ? ? ? ?（2）

其中λ為材料熱導率，Z為接觸區(qū)溫度梯度方向位移。

輪軌材料采用非線性本構關系，輪軌泊松比彈性模量等參數與材料溫度相關，參考文獻[12]，輪軌材料屬性如表2所示。

2 計算分析

2.1 動力學模型計算及結果分析

《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規(guī)范》（95J01-L）規(guī)定輪軌垂向力峰值不得超過170kN。在200km/h車速下，車輪踏面出現20mm長扁疤損傷滾過平直軌道時產生的輪軌沖擊力P隨時間t變化圖如3所示。當車輪滾過損傷位置時，輪軌力出現從Q1先減小到Q2后迅速增大Q3的劇烈變化，輪軌力達到最大值后呈現波形衰減。Q1、Q2對應位置為損傷前中側，Q3對應位置為損傷后側。

圖4所示為平直軌道軌面出現按照公式（1）給定的損傷長度深度公式設置的20mm損傷時，損傷深度H/輪軌沖擊力P-軌道位置x關系。由圖可知當無損傷車輪滾過存在損傷的軌面時，輪軌沖擊力變化劇烈，輪軌力先急劇增大后迅速減小再增大，呈現波形衰減趨勢。在出現不同長度的車輪踏面/軌道軌面損傷時，車輪在京津實測軌道譜線路上以200km/h速度運行，將踏面/軌面損傷與軌道譜耦合。輪軌力計算結果如圖5所示，隨著車輪踏面/軌道軌面損傷長度的增加，輪軌沖擊力成倍增長。這對車輪及軌道結構安全性可靠性及相關結構件使用壽命影響極大。

2.2 有限元計算及結果分析

2.2.1 單次沖擊模擬

由于損傷過大時輪軌力將超過《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規(guī)范》（95J01-L）中輪軌垂向力170kN的限定值，在實際運用中已達到旋修標準不會長期存在，因此以下主要研究損傷長度為10mm/20mm情況。將動力學輪軌力計算結果進行分析處理，不考慮速度對輪軌沖擊力大小的影響，僅考慮速度對沖擊頻率及作用時間的影響。設定有限元分析幾種工況如表3所示。

設置初始環(huán)境溫度為20℃。將對應輪軌沖擊力及作用時間輸入有限元模型中進行有限元分析。對有限元模型進行不同工況下單次損傷沖擊的瞬態(tài)分析，當輪軌接觸區(qū)溫度和應力達到最高點時，輪軌接觸區(qū)截面溫度及應力情況分布相近，溫度分布云圖如圖6所示，由表4及圖6可知，輪軌間接觸區(qū)溫度較為接近溫度最高點主要分布在輪軌接觸表面，因此單次沖擊后輪軌的最高溫度相同。von Mises應力分布云圖如圖7所示，應力最大位置并非在接觸表面，而是在接觸表面下層2mm左右的位置，且相比于軌道，車輪內部應力更大。表4為表3所示四種工況下車輪最高溫度、最大應力的具體數值。較大的沖擊力作用下，車輪最大應力大于表2中對應溫度下的材料屈服應力，會發(fā)生塑性變形。

圖8為表3對應編號的四種工況下，接觸區(qū)最高溫度T隨時間t變化圖。由圖可知，經過極短時間的輪軌力沖擊，輪軌接觸區(qū)溫度變化極快，單次沖擊后溫升可達3℃，溫度升至最高點后，熱量從溫度最高區(qū)域擴散，溫度開始下降。極短的沖擊時間內極大的沖擊力作用下，沖擊力產生的變形不充分。相同沖擊力下，作用時間更長的的溫升更大（Ta>Tb，Tc>Td）;相同的作用時間下，沖擊力大的溫升更大（Td>Ta）。

2.2.2 連續(xù)沖擊模擬

通過動力學分析結果可知單次沖擊力與沖擊力作用距離。輪對存在20mm長損傷時輪軌力與輪軌力作用距離關系如圖9所示。通過運用樣條插值及梯形公式將沖擊力與作用距離進行積分可知單次沖擊功。20mm長損傷沖擊的單次沖擊功為9J，在不考慮速度對沖擊力的影響情況下，速度越快，每秒沖擊次數越多，沖擊產生功率越大。當車輪踏面出現20mm損傷時，200km/h速度下，每秒車輪轉數約20次，沖擊功率為180W;當軌道軌面出現20mm損傷時，考慮不同車型的火車以200km/h速度通過時，損傷位置每秒約通過9個車輪，沖擊功率約為81W。分別對車輪損傷及軌道損傷兩種情況進行模擬。模擬結果如圖10所示。當車輪損傷時車輪溫升大于軌道損傷時軌道的溫升，且溫度經過一定的沖擊次數后上升速度減慢。

3 結論

通過對輪軌接觸位置設置損傷，運用動力學及有限元多物理場耦合的方法，對輪軌接觸區(qū)沖擊力-溫度-應力進行研究，得出以下結論：

（1）車輪滾過車輪踏面或軌道軌面損傷位置時，輪軌力變化較大，可達到未損傷位置輪軌力的2～5倍，且沖擊力多分布在損傷后側，使損傷易于向后發(fā)展。

（2）較大的輪軌沖擊力會引起沖擊熱效應，使損傷位置附近溫度較高。這對損傷位置的材料性能是較大的考驗。

（3）當損傷長度大于等于10mm時，輪軌接觸區(qū)應力較大，已超過材料的屈服極限，損傷會隨著車輛運行繼續(xù)向后擴展。

參考文獻：

[1]Newton S G， Clark R A. An investigation into the dynamic effects on the track of wheelflats on railway vehicles[J]. ARCHIVE Journal of Mechanical Engineering Science 1959-1982（vols 1-23），1919，21（21）：287-297.

[2]Rao VDukkipati， RenguangDong. Impact Loads due to Wheel Flats and Shells[J].Vehicle System Dynamics， 1999，31（1）：1-22.

[3]翟婉明.鐵路車輪扁疤的動力學效應[J].鐵道車輛，1994，32（7）：1-5.

[4]王晨，王旭，羅世輝，等.輪對扁疤對高速列車轉向架振動特性的影響[J].中國機械工程，2017，28（2）：246-251.

[5]王憶佳，曾京，高浩，等.車輪扁疤引起的輪軌沖擊分析[J].西南交通大學學報，2014，49（4）：700-705.

[6]蔡武，溫澤峰，金學松.鋼軌接頭軌縫對輪軌接觸應力的影響[J].工程力學，2006，23（9）：173-178.

[7]陶功權，李霞，溫澤峰，等.兩種輪軌接觸應力算法對比分析[J].工程力學，2013，30（8）：229-235.

[8]鄧永權，梁紅琴，蔡慧，等.考慮車輪材料空洞的高速輪軌接觸應力分析[J].機械科學與技術，2016，35（6）：933-938.

[9]趙鑫，金學松，溫澤峰，等.全滑動狀態(tài)下輪軌接觸熱彈性應力[J].西南交通大學學報，2008，43（1）：51-56.

[10]劉洋，蔣碩，吳亞平，等.剝離掉塊對輪軌滑動接觸熱彈塑性的影響[J].交通運輸工程學報，2016，16（2）：46-55.

[11]潘高峰，吳亞平，劉洋，等.鋼軌錯牙接頭區(qū)輪軌接觸的熱彈塑性分析[J].蘭州交通大學學報，2017，36（1）：105-111.

[12]CHEN Y C， LEE S Y. Elastic-plastic wheel-rail thermal contact on corrugated rails during wheel braking[J]. Journal of Tribology， 2009，131（1）：1-9.