磨耗誘發(fā)的高速列車車輪-道岔接觸特性演變規(guī)律研究

中圖分類號(hào)：U213.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on the Evolution Law of Wheel-Turnout Contact Characteristics ofHigh-Speed Train Induced by Wear

Zhao Junlong'， Chang Chao1，Yang Yihang'， Cheng Yuqi13，Zhan Xian2， Chen Yongwen' （1.SchoolofMechatronics amp; Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang330o13，China; 2.Nanchang Rolling Stock Depot， China Railway Nanchang Group Co.，Ltd.，Nanchang 330o02， China; 3.Jiangxi Vocational College of Mechanical amp; Electrical Technology，Nanchang 33oo13， China）

Abstract： When high-speed train wheels and turnouts （switches and crossings） experience wear， especially when worn wheels passthrough the turnout area， the wheel-rail dynamic responses triggered by geometric discontinuities pose a threat to driving safety and severely affect passenger comfort， making it urgent to conduct research. By employingthe finite element method，an in-depth investigation iscarriedoutintothe stressdistribution，interaction，and their influence mechanisms between high-speed train wheels and turnouts，as wellas the evolving laws with the changes in wheel wear and turnout geometric shapes.The study finds that the interaction between wheelsand turnouts is influenced by multiple factors，including the wear states of wheels and turnouts，cumulative tonnage passd，and track geometric shapes.When a wheel passes through the turnout，as its position changes，the wheel-turnout contact stress and Von Mises equivalent stress fluctuate significantly. When the wheel moves from a position where the top width of the switch rail is 15mm to one where it is 35mm ， the overall contact stress rises notably，with a growth rate of approximately 14.4% ； the maximum Von Mises equivalent stress also shows an increasing trend， with a growth rate of about 4.1% . Wheel wear not only alters the shapes of the wheel rim and tread but also significantlyafects the whel-rail contact relationshipand stress distribution.The wheel-rail contact point gradually deviates from the track center，and this deviation is positivelycorrelated with the increase in operating mileage.The stress distribution along the depth direction becomes more uneven and is greater compared to that ofa newly re-profiled whel.Meanwhile，the changes in stress affect the wheel wear rate.

Key words：high speed trains; whel-turnout relationships; wheel wear; contactcharacteristics;stress distribution Citation format： ZHAO JL， CHANG C， YANG Y H. Study on the evolution law of whe-turnout contact characteristics of high-speed train induced by wear[J].Journal ofEast China Jiaotong University，2O25，42（4）： 70-79.

道岔作為鐵路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)列車線路轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，其性能與安全性直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)恼w效率與乘客的乘坐體驗(yàn)。當(dāng)車輪和道岔出現(xiàn)磨耗，列車高速通過(guò)時(shí)，由于幾何不連續(xù)性的存在，會(huì)引發(fā)顯著的輪軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這不僅影響軌道結(jié)構(gòu)的壽命，還成為制約高速鐵路行車安全與乘坐舒適性的關(guān)鍵因素。因此，深入探究車輪與道岔之間的應(yīng)力分布及其如何隨車輪磨耗狀態(tài)和道岔幾何形狀的變化而演變，對(duì)于優(yōu)化道岔設(shè)計(jì)、提升運(yùn)輸效率及保障行車安全具有至關(guān)重要的意義。

材料磨耗與壽命方面，Clayton[研究了不同材料鋼軌的磨耗速率，李樹(shù)林等[2]，Liu等[3]，李俊琛等[4]研究了利用S-N曲線分析與預(yù)測(cè)車輪壽命的方法；周宇等進(jìn)一步探究了不同輪軌接觸位置對(duì)疲勞的影響；這些研究為后續(xù)考慮車輪磨耗對(duì)道岔應(yīng)力影響提供了關(guān)于材料磨耗和壽命預(yù)測(cè)方面的參考。同時(shí)，F(xiàn)ang等研究了輪軌接觸問(wèn)題的優(yōu)化建模方法；Wen等提出了一種新方法來(lái)量化重載列車的輪軌接觸力；這些研究為準(zhǔn)確模擬輪軌接觸行為提供了更有效的建模手段。Srivastava等雖然通過(guò)Timoshenko方法分析了不同輪軌匹配下的接觸區(qū)分布，但準(zhǔn)確性受到限制；Ma等則通過(guò)分析仿真和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，探索了轍叉區(qū)鋼軌的黏滑及接觸應(yīng)力分布；王璞等[]基于有限元法，構(gòu)建了彈性基底約束下的重載道岔合金鋼組合轍叉模型，揭示了翼軌與心軌上的應(yīng)力區(qū)別。盡管這些研究對(duì)不同工況下道岔應(yīng)力變化進(jìn)行了有益的探索，但大多未充分考慮車輪磨耗這一重要因素。

隨著仿真技術(shù)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段及材料科學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輪軌相互作用的研究也日益深入。在輪軌沖擊與接觸關(guān)系研究方面，Wiedorn等[]基于簡(jiǎn)化的有限元模型研究了輪軌沖擊角和滾動(dòng)接觸半徑對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響；馬俊琦等[]、丁軍君等[13]則研究了兩種不同鋼軌廓形的道岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系；陶功權(quán)等[4建立模型計(jì)算了接觸應(yīng)力，并與CONTACT算法進(jìn)行了對(duì)比。然而，他們的研究未能全面涉及應(yīng)力的分布情況。為此，楊新文等[15]利用切片投影法找出輪軌接觸點(diǎn)，利用有限元法更加精確地求解輪軌法向應(yīng)力。楊逸航等[16-17則探索了道岔小應(yīng)力直尖軌打磨廓形。徐井芒等[18]、鄭兆光等[19研究了 60N 鋼軌的接觸幾何關(guān)系變化和應(yīng)力變化。但未能全面考慮實(shí)際車輪與道岔磨耗、通過(guò)總重等多種因素的影響。

車輪磨耗意味著輪緣與踏面形狀的改變，這將顯著影響輪軌接觸關(guān)系及應(yīng)力分布，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)列車脫軌。因此，針對(duì)磨耗車輪通過(guò)道岔時(shí)的應(yīng)力分析顯得尤為重要，有待深人、全面探索。同時(shí)，現(xiàn)有的研究大多聚焦于單一因素的分析，未能全面考慮車輪磨耗、道岔磨耗、通過(guò)總重等多種因素的交互影響。為此，本文采用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并結(jié)合Abaqus進(jìn)行應(yīng)力分析，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比研究了新輪與磨耗程度不同的車輪（運(yùn)行里程5萬(wàn) km 、10萬(wàn) km，15 萬(wàn) km，20 萬(wàn) km ）在通過(guò)總重為 10Mt 道岔上的相互作用過(guò)程及應(yīng)力變化情況。研究了隨著車輪位置與接觸關(guān)系的變化，接觸應(yīng)力和VonMises等效應(yīng)力的變化規(guī)律。

本文深入探討了車輪磨耗對(duì)高速道岔應(yīng)力分布的影響，綜合分析了車輪、道岔磨耗及幾何形狀改變等多種因素對(duì)車輪與道岔相互作用的影響，探索了磨耗速率變化。這一研究不僅有助于優(yōu)化道岔設(shè)計(jì)，提升運(yùn)輸效率，更為維護(hù)保障高速鐵路系統(tǒng)整體的安全性和可靠性提供了可靠的依據(jù)。

1輪軌有限元模型建立

道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由基本軌、尖軌、轍叉、護(hù)軌等部件組成，各部件協(xié)同工作，確保列車能夠平穩(wěn)、高效地從一個(gè)軌道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)軌道。其中，基本軌承受車輪的垂直壓力，與尖軌共同應(yīng)對(duì)車輪的橫向水平力，維持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；尖軌與轍叉則負(fù)責(zé)引導(dǎo)列車進(jìn)入預(yù)定的線路；護(hù)軌等部件則用于防止車輪脫軌，其基本特征與參數(shù)如圖1所示。

通過(guò)建立有限元模型，精確模擬高速鐵路道岔與輪軌相互作用過(guò)程。車輪模型的踏面形狀基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，車輪采用LMA踏面車輪，具體參數(shù)如表1所示。

圖1高速道岔基本特征與參數(shù)Fig.1Basiccharacteristicsand parametersofhigh-speed turnouts

道岔模型整體依據(jù)18號(hào)道岔設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，道岔各部分鋼軌的廓形基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化建模，以確保幾何參數(shù)與實(shí)際工況高度吻合。道岔模型參數(shù)如表2所示，道岔三維模型如圖2所示。

表1LMA踏面車輪模型參數(shù)Tab.1 ParametersofLMA treadwheel model

使用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在Abaqus軟件中進(jìn)行輪軌接觸分析。

表218號(hào)道岔模型參數(shù)

Tab.2Parametersof18#switchmodel

圖2道岔三維模型

Fig.2 Threedimensional model of turnout

在Abaqus中，主要使用Interaction、Load等幾個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行定義。參考現(xiàn)有研究中的輪軌模型[20-22]，通過(guò)Interaction功能模塊定義輪軌之間的接觸面，即主面和從面;通過(guò)Intprop模塊，設(shè)置接觸屬性，包括法向接觸屬性和切向?qū)傩裕渲校ㄏ蚪佑|屬性設(shè)置為hardcontact，在這種接觸方式下，當(dāng)接觸壓力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，接觸面會(huì)自動(dòng)分離；切向行為設(shè)置為罰。有限元最終得到的方程為

Kδ=Q

式中： K 是總體剛度矩陣； δ 是所有節(jié)點(diǎn)的位移列陣； 是總的節(jié)點(diǎn)載荷列陣； K 是所有單元?jiǎng)偠染仃嚨寞B加

此外，在Property模塊中，定義了車輪和鋼軌材料的力學(xué)屬性。在接觸設(shè)置中，采用面面接觸算法，并設(shè)置車輪踏面與鋼軌頂面之間的接觸，接觸摩擦系數(shù)確定為0.3。接觸區(qū)域使用六面體單元C3D8R進(jìn)行離散，這種離散方式能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，更準(zhǔn)確地捕捉接觸應(yīng)力和變形，確保其可靠性。同時(shí)，細(xì)化部分種子尺寸為 1.5mm 非接觸區(qū)域的種子尺寸偏大，在確保仿真結(jié)果可靠性的同時(shí)優(yōu)化了計(jì)算資源，并確保了接觸區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格密度足夠高，以更好地反映應(yīng)力集中現(xiàn)象。模型中共劃分了216227個(gè)單元和238854個(gè)節(jié)點(diǎn)。部分網(wǎng)格劃分如圖3所示。

材料屬性方面，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，車輪和鋼軌均選用高強(qiáng)度合金鋼，楊氏模量設(shè)為 210GPa ，泊松比為0.3，密度為 7850kg/m³ 。材料的應(yīng)力-應(yīng)變方程表示為

式中： σ 為應(yīng)力； ε 為應(yīng)變； σ_s 為屈服極限； E_e 為彈性模量； ε_s 為屈服點(diǎn)的總應(yīng)變； E₁=tanβ 為應(yīng)變強(qiáng)化模量。

材料的本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

邊界條件和載荷方面，模型中的車輪被約束為只能沿軌道方向滾動(dòng)和繞輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。道岔和軌道則被固定在地基上，限制其所有方向的移動(dòng)。根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC510-5《TechnicalAp-provalofSolidWheels》的規(guī)定，在直線上輪對(duì)的荷載為

σ={F_z=1.25P

本文考慮車輪，則

F_z=0.625P

式中： F_z 為輪軌垂向力； F_y 為輪軌橫向力。

此外，通過(guò)仿真車輪在不同關(guān)鍵截面的應(yīng)力分布，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估車輪與道岔間受力，本文特別關(guān)注了車輪通過(guò)尖軌頂寬15，35， 40mm 這3個(gè)關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化及規(guī)律。如圖5（b）所示，這些關(guān)鍵截面代表了車輪與道岔相互作用過(guò)程中可能產(chǎn)生高應(yīng)力的區(qū)域。

圖4材料的本構(gòu)關(guān)系 Fig.4The constitutive relationship of the material

圖5道岔截面圖 Fig.5Sectional view of switch

為驗(yàn)證所建輪軌計(jì)算模型的合理性，本文與模型參數(shù)相似的文獻(xiàn)[12]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比顯示，在頂寬 15，40mm 處的接觸應(yīng)力均在1800，2 100MPa 左右，兩種模型的結(jié)果高度相似，證明本文所建的轍叉區(qū)輪軌接觸模型能較為準(zhǔn)確地反映轍叉區(qū)受力情況。

2輪軌接觸幾何關(guān)系分析

良好的輪軌接觸幾何關(guān)系是確保列車安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵要素。它直接影響車輪與鋼軌之間的接觸點(diǎn)位置、接觸面積、應(yīng)力分布，進(jìn)而對(duì)列車的多項(xiàng)性能產(chǎn)生顯著影響，如脫軌系數(shù)、輪重減載率等，還與軌道結(jié)構(gòu)的磨耗、疲勞壽命以及噪聲振動(dòng)等問(wèn)題密切相關(guān)。因此，對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系的分析具有重要意義。

首先對(duì)車輪磨耗狀況進(jìn)行評(píng)估，以新車輪、磨耗車輪為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制了車輪磨耗的變化曲線以及主要磨耗發(fā)生位置的分布圖，如圖6所示。磨耗點(diǎn)主要集中在踏面橫向坐標(biāo) -40～60mm 的范圍內(nèi)，隨著運(yùn)行里程的增加，磨耗量逐漸增大，當(dāng)運(yùn)行10萬(wàn) km 時(shí)最大磨耗量已接近 0.4mm ，20萬(wàn) km 時(shí)最大磨耗量接近 0.6mm 。

圖6車輪磨耗分布 Fig.6Distribution ofwheel wear

本文采用跡線法對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系進(jìn)行分析，跡線法是分析輪軌接觸關(guān)系時(shí)常用的一種有效工具，該方法把三維接觸問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維曲線問(wèn)題，用于分析輪軌接觸的非線性特性，能夠準(zhǔn)確地反映輪軌在不同橫移量下的接觸狀態(tài)。

使用LMA踏面新車輪與經(jīng)磨耗后的LMA踏面分別進(jìn)行輪軌關(guān)系分析，軌距為 1435mm ，軌底坡為1/40，車輪名義滾動(dòng)圓半徑為 460mm 。每0.5mm 計(jì)算1次。新輪和磨耗輪與鋼軌的接觸點(diǎn)分布情況如圖7所示，圖7（a）～圖7（f）分別為頂寬15、35、40mm 處輪軌接觸點(diǎn)位置對(duì)比示意圖，其中，磨耗輪的運(yùn)行里程為10萬(wàn) km 。

結(jié)果顯示，新輪與鋼軌的接觸點(diǎn)相對(duì)分散，沿橫坐標(biāo)方向分布較為均勻，這種分布可減少應(yīng)力集中，降低輪軌磨耗和損傷的風(fēng)險(xiǎn)，有助于輪軌系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持穩(wěn)定。而當(dāng)車輪發(fā)生磨耗時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)逐漸偏離鋼軌中心，輪軌接觸幾何關(guān)系呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特性。這種非線性特性導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)位置隨橫移量的分布不均，集中在踏面的幾處橫向位置，即磨耗車輪與鋼軌的接觸點(diǎn)更為集中，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加輪軌磨損擦傷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7接觸點(diǎn)位置圖

Fig.7 Contact point location map

隨著磨耗加重，輪軌對(duì)中接觸時(shí)，易在多個(gè)平衡位置處出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，可引發(fā)兩點(diǎn)接觸和沖擊振動(dòng)，區(qū)域輪軌接觸頻次增多，踏面材料發(fā)生疲勞剝離損傷的概率增大。

此外，由圖7可知，在尖軌頂寬 15mm 的位置處，接觸點(diǎn)還集中在基本軌上，在尖軌頂寬 35mm 的位置處，新車輪和運(yùn)行里程10萬(wàn) km 的車輪，其輪軌接觸點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到尖軌上，尖軌已經(jīng)開(kāi)始承受輪載。且由圖可以看出，隨著車輪磨耗增加，輪軌接觸點(diǎn)會(huì)逐漸偏離鋼軌中心，偏移量隨運(yùn)行里程的增加而增加，進(jìn)而影響了列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。因此，選取幾種不同運(yùn)行里程的車輪作為研究樣本，在后續(xù)研究中基于這些模型可進(jìn)一步探究輪軌相互作用規(guī)律。

3 應(yīng)力變化及分布

3.1 接觸應(yīng)力的變化規(guī)律

圖8展示了不同磨耗狀況的車輪通過(guò)道岔時(shí)接觸斑的變化情況。圖9為不同運(yùn)營(yíng)里程的車輪通過(guò)尖軌頂寬 15、35、40mm 這3個(gè)關(guān)鍵位置處的接觸應(yīng)力。

圖8接觸斑 Fig.8 Contact spot

從單一車輪過(guò)岔的滾動(dòng)過(guò)程來(lái)看，三組車輪的接觸應(yīng)力整體均先增大后減小，主要原因是車輪在滾動(dòng)過(guò)程中，接觸面積和接觸狀態(tài)發(fā)生了變化，特別是在基本軌和尖軌的過(guò)渡階段，車輪在頂寬 15mm 處，接觸面積相對(duì)較大，隨著車輪從頂寬15mm 向頂寬 35mm 過(guò)渡，接觸面積減小，并且接觸點(diǎn)向車輪輪緣偏移，接觸應(yīng)力整體呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)。至頂寬 40mm 時(shí)，接觸面積的位置和大小趨于穩(wěn)定，隨著接觸狀態(tài)的進(jìn)一步調(diào)整，接觸應(yīng)力略有回落。

圖9接觸應(yīng)力變化 Fig.9Changes in contact stress

對(duì)比不同磨耗狀態(tài)車輪的接觸應(yīng)力情況，磨耗車輪與新車輪的變化規(guī)律大致相似，但也存在一定差異。新車輪在尖軌頂寬 15、35、40mm 三個(gè)位置的接觸應(yīng)力分別為 1 507，1724，1667MPa ，行駛10萬(wàn) km 后，分別增加至 1808，2357，2153MPa ，增長(zhǎng)率分別為 20%，36.72%，29.15% 。這是因?yàn)檐囕喬っ娈a(chǎn)生磨耗，接觸區(qū)域的位置和形狀變化較大，導(dǎo)致接觸面積減小和應(yīng)力集中。同時(shí)，隨著磨耗程度的增加，接觸點(diǎn)的分布變得更加分散，這進(jìn)一步加劇了接觸應(yīng)力的增大。隨著車輪繼續(xù)磨耗，接觸狀態(tài)趨于平穩(wěn)，接觸面積由于磨耗增大，應(yīng)力有所回落。

此外，值得注意的是在尖軌頂寬 35mm 處，車輪的接觸點(diǎn)相對(duì)集中，接觸應(yīng)力較大，容易發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞。這可能會(huì)加速道岔的磨耗，影響其使用壽命。

3.2 最大VonMises等效應(yīng)力的變化規(guī)律

VonMises等效應(yīng)力是反映材料在多向應(yīng)力狀態(tài)下綜合應(yīng)力水平的指標(biāo)，圖10所示為車輪過(guò)岔的最大VonMises等效應(yīng)力變化情況，由淺色到深色的色柱分別代表不同車輪在尖軌頂寬 15、35、40mm 位置處的最大VonMises等效應(yīng)力，結(jié)果表明，新車輪在頂寬 15、35、40mm 位置的最大VonMises等效應(yīng)力分別為 436，454，457MPa ，行駛10萬(wàn) km 后，分別增加至 521，535，527MPa， ，增長(zhǎng)率分別為19.49%，17.84% 和 15.32% 。車輪通過(guò)道岔時(shí)，隨著車輪從尖軌頂寬 15mm 向頂寬 35mm 過(guò)渡，最大VonMises等效應(yīng)力整體呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)車輪繼續(xù)從頂寬 35mm 向頂寬 40mm 過(guò)渡時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩甚至下降。

圖10最大VonMises應(yīng)力變化Fig.10MaximumVonMisesstressvariation

對(duì)比不同磨耗狀態(tài)車輪的結(jié)果，磨耗車輪與新車輪類似，最大VonMises等效應(yīng)力隨車輪的滾動(dòng)也呈增大趨勢(shì)，但由于車輪踏面磨耗的作用，磨耗車輪的最大VonMises等效應(yīng)力通常高于新車輪，且隨著磨耗程度的增加，這種差異更顯著。可能加劇車輪材料的疲勞損傷和裂紋擴(kuò)展，對(duì)車輪壽命和安全性產(chǎn)生不利影響

3.3 VonMises應(yīng)力沿踏面深度的變化

圖11所示為VonMises應(yīng)力沿踏面深度的分布，由圖可知，磨耗車輪與新輪的VonMises應(yīng)力分布規(guī)律具有相似性。但隨著車輪踏面的磨耗，接觸區(qū)域的位置和形狀變化導(dǎo)致應(yīng)力分布變化，與新車輪相比，磨耗車輪的VonMises應(yīng)力分布偏大且分布不均勻。

為探究VonMises等效應(yīng)力的影響范圍，進(jìn)一步分析該等效應(yīng)力沿車輪踏面深度方向的變化情況，選擇新輪與運(yùn)行里程20萬(wàn) km 的磨耗車輪通過(guò)道岔的工況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示，圖12（a）為新車輪在尖軌頂寬 15、35、40mm 處的應(yīng)力沿深度變化情況，圖12（b）為運(yùn)行里程20萬(wàn) km 車輪的變化情況。沿踏面深度方向， 0～5mm 范圍內(nèi)，VonMises等效應(yīng)力達(dá)到最大值，超過(guò) 5mm 之后VonMises等效應(yīng)力值緩慢下降。以新車輪 40mm 截面處為例，在此深度范圍內(nèi)的最大應(yīng)力為 457MPa ，而運(yùn)行里程20萬(wàn) km 的車輪則達(dá)到 527MPa ，增長(zhǎng)了 15% 。這是由于在接觸區(qū)，車輪踏面與軌道表面的接觸面積較小，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)力值較大。然而，在踏面深處，由于材料內(nèi)部的約束和應(yīng)力傳遞效應(yīng)，應(yīng)力值總體上小于接觸表面。不同磨耗狀態(tài)車輪間對(duì)比，接觸區(qū)域的VonMises等效應(yīng)力整體呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖11VonMises應(yīng)力沿深度變化 Fig.11VonMisesstressvariationalongdepth

3.4 磨耗特性變化

Clayton對(duì)車輪及鋼軌材質(zhì)的磨耗特性進(jìn)行了如圖13所示的描述[]，文章研究了CrMoA，MnSi-CrV等不同材料的鋼材，鋼軌材料多樣，性能各異。碳素鋼軌通過(guò)調(diào)整含碳量改變硬度和韌性，高碳鋼軌雖耐磨但易脆裂，適用于輕載線路。對(duì)于不同輪軌材料的車輪，磨耗速率與接觸應(yīng)力整體呈線性趨勢(shì)，磨耗速率均隨著接觸應(yīng)力的增加而增大，但不同輪軌材料的磨耗速率不同。碳含量越高，相同條件下的磨耗速率越快。

圖12不同截面處VonMises應(yīng)力沿踏面深度變化 Fig.12 VonMisesstressvariationalongtread depth atdifferentcross-sections

圖13接觸應(yīng)力對(duì)磨耗速率影響 Fig.13Effect of contact stress on wear ratel

將前文通過(guò)仿真得到的新車輪與磨耗車輪的接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)代人，得到了不同含碳量車輪的磨耗速率，如圖14所示，含碳量為 0.52% 的新車輪磨耗工況下，瞬時(shí)磨耗速率在頂寬 15mm 處可達(dá)25.04mg/（m/mm） ；頂寬 35mm 處，新車輪的瞬時(shí)磨耗速率可達(dá) 29.82mg/（m/mm） 。運(yùn)行里程15萬(wàn) km 車輪磨耗工況下，輪軌磨耗速率在頂寬 15mm 處瞬時(shí)可達(dá) 28.37mg/（m/mm） ，增長(zhǎng)率達(dá) 13.29% ；在頂寬 35mm 處可達(dá) 41.26mg/（m/mm） ，增長(zhǎng)率達(dá)38.36% 。隨著時(shí)間的推移，車輪磨耗會(huì)逐漸加劇，會(huì)增大輪軌接觸應(yīng)力，加速磨耗過(guò)程。這一現(xiàn)象在頂寬 35mm 附近區(qū)域尤為明顯，因?yàn)檫@些區(qū)域承受的接觸應(yīng)力更大，磨耗也更為嚴(yán)重，進(jìn)而影響列車的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。建議加強(qiáng)定期檢查，以評(píng)估磨耗狀況并及時(shí)進(jìn)行維修，或通過(guò)優(yōu)化車輪和道岔的幾何形狀，減少輪軌接觸應(yīng)力的集中，從而降低磨耗速率。

圖14不同磨耗工況下的磨耗速率 Fig.14 Wearrate underdifferentwearconditions

4結(jié)論

車輪與道岔的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，受到車輪磨耗、通過(guò)總重、軌道幾何形狀等多種因素的影響。

1）輪軌接觸幾何關(guān)系的分析表明，車輪磨耗會(huì)顯著改變輪軌接觸點(diǎn)的分布。新輪輪軌接觸點(diǎn)沿水平軸相對(duì)分散且均勻，有助于降低應(yīng)力集中并減少輪軌磨耗。當(dāng)車輪發(fā)生磨耗時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)逐漸偏離軌道中心，且偏離量隨運(yùn)營(yíng)里程的增加而增加。

2）車輪磨耗改變了輪軌接觸關(guān)系和應(yīng)力分布，車輪通過(guò)道岔時(shí)，車輪-道岔接觸應(yīng)力顯著波動(dòng)，特別是在尖軌頂寬為 35mm 處，接觸應(yīng)力較大，易產(chǎn)生滾動(dòng)接觸疲勞，可能加速道岔磨耗，建議對(duì)尖軌頂寬 35mm 附近區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和維護(hù)，以減少應(yīng)力集中和滾動(dòng)接觸疲勞的發(fā)生；同時(shí)，隨著車輪的移動(dòng)，VonMises等效應(yīng)力增大，磨耗車輪表現(xiàn)更為顯著，其VonMises應(yīng)力比新輪更大且不均勻，這種應(yīng)力狀態(tài)可能加劇車輪材料的疲勞損傷并促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。

3）磨耗導(dǎo)致的應(yīng)力變化影響車輪的磨耗速率，建議定期監(jiān)測(cè)車輪磨耗和應(yīng)力，進(jìn)一步優(yōu)化維修周期，控制磨耗發(fā)展。

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第一作者：趙俊龍（2000一），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐壍儡囕v輪軌關(guān)系。E-mail：bjzhaojunlong@163.com。

通信作者：昌超（1992一），男，講師，博士，研究方向?yàn)榇笙到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)。E-mail： 3614@ecjtu.edu.cn。

（責(zé)任編輯：李根）