轮径和轴重对轮轨接触特性的影响.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.1(下)-60-工 业 技 术从 1964 年高速列车诞生之日起,国内、外陆续生产了一系列高速列车。从世界各国高速列车发展历程来看,低轴重是一个共同发展趋势。减少轴重并增加轮径可降低轮轨接触应力,还可降低轮轨滚动接触疲劳的风险,但是轴重过小会引起一系列问题,如轮轨黏着利用率低和侧风倾覆危险性等。因此在高速列车设计中选取合适的轮径和轴重十分重要。本文基于三维弹性体非 Hertz 滚动接触理论、CONTACT程序1和有限元法2,针对 LMA 车轮踏面与 CN60 钢轨匹配3-4问题,通过仿真分析不同车轮半径和轴重对轮轨蠕滑力、轮轨滚动接触疲劳和轮轨接触应力等的影响,
2、以期为车辆设计过程中车轮半径和轴重的选择提供参考。1 计算模型1.1 轮轨三维非 Hertz 滚动接触力学计算模型20 世纪 90 年代初 Kalker 进一步研究了非 Hertz 滚动接触理论,借助弹性力学理论、边界元理论和数学规划法,发展了三维弹性体非 Hertz 滚动接触理论和相应的数值程序CONTACT,并利用该程序分析轮轨滚动接触问题,可得到更多、更详细的轮轨滚动接触行为,如轮轨蠕滑力、接触斑大小、黏滑区的大小/形状以及轮轨体内应力/应变等5。1.2 轮轨接触有限元模型应用 AutoCAD 软件建立新轮新轨的二维平面模型,导入 ANSYS,建立轮轨三维接触有限元模型。由于轮轨接触区的
3、尺寸远小于车轮和钢轨的尺寸,因此模型只考虑 1/2 车轮和钢轨,钢轨长度取 0.3m,车轮、车轴和钢轨使用 SOLID45单元进行离散,共划分 102873 个单元和 11146 个节点。车轮与钢轨的相互作用采用接触单元 CONTA174 和目标单元TARGE170 来模拟,接触单元定义在车轮上,目标单元定义在钢轨上。在钢轨、车轮和车轴对称面施加对称约束,在车轴中间剖面节点施加纵向和横向约束,并在钢轨底面施加固定约束,忽略钢轨弯曲应力的影响。轮轨三维接触有限元模型如图 1(a)所示,其中 P 为轴重,局部网格图如图 1(b)所示。在有限元计算中采用双线性随动强化弹塑性材料本构模型,屈服条件为
4、Mises 屈服准则。车轮和钢轨的弹性模量轮径和轴重对轮轨接触特性的影响唐国梅吴永深李百毅罗庚峰(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111)摘 要:本文基于三维弹性体非 Hertz 滚动接触理论、CONTACT 程序和有限元法,针对 LMa 车轮踏面与 CN60钢轨匹配问题,通过仿真分析不同轮径和轴重的车轮对轮轨蠕滑力、轮轨接触应力和轮轨滚动接触疲劳等的影响。结果表明,在相同轮对横移量和轮径条件下,轴重每增加1t,轮轨蠕滑力平均增加7%8%,接触斑面积、接触压力和等效应力平均增加2%3%;在相同轮对横移量和轴重条件下,轮轨接触斑面积随轮径增加而增加,轮轨接触压力、等效应力随轮
5、径增加而降低,但变化幅度均较小。计算结果可为车辆轮径和轴重的选择提供参考依据。关键词:轴重;蠕滑力;轮轨接触应力;滚动接触疲劳;有限元法中图分类号:U211文献标志码:A图 1 轮轨接触有限元模型(a)完整网格(b)局部网格中国新技术新产品2024 NO.1(下)-61-工 业 技 术分别为 Ew和 Er,Ew=Er=210GPa,车轮和钢轨的泊松比均为0.28;车轮和钢轨的屈服强度分别为 ws和 rs,ws=500MPa,rs=550MPa;车轮和钢轨的应变强化模量均为 Ep=0.1Ee。1.3 滚动接触疲劳分析模型为了快速、直观地比较不同车轮半径和轴重条件下车轮的滚动接触疲劳特性,采用英国
6、剑桥大学 Johnson 提出的安定图定性的分析车轮滚动接触疲劳发生的机理和可能性。安定图如图 2 所示,图 2 中纵坐标轴表示法向载荷(用无量纲化的接触应力 p0/k 表示),横坐标轴表示切向载荷(用牵引系数 表示)。p0为最大接触压力,k 为纯剪切屈服强度。牵引系数22n=+/FFF,其中 F和 F分别为纵向蠕滑力和横向蠕滑力,Fn为法向力。注:BC为安定极限;FIsurf为表面疲劳指数。图 2 安定图FIsurfBC2 计算结果及分析本文研究了车轮半径(以下简称轮径)为 395mm、430mm和460mm,轴重为14t18t的LMA踏面与CN60钢轨匹配时轮径和轴重对轮轨蠕滑力、轮轨接触
7、应力、接触压力、接触斑面积和滚动接触疲劳等的影响。其中轮轨蠕滑力由 CONTACT计算得到,轮轨接触应力、接触压力和接触斑面积由有限元计算得到。轮对内侧距为 1353mm,轨距为 1435mm,轨底坡为 1/40。2.1 轮径和轴重对轮轨蠕滑力的影响在轮径 430mm、轴重 14t18t 条件下左轮轮轨纵向和横向蠕滑力随轮对横移量(向左侧横移)的变化如图 3 所示。由图 3(a)可知,轮对横移为 0mm8mm、8mm9.5mm和 9.5mm12mm 时,纵向蠕滑力随轮对横移量分别呈递增、递减和递增的变化趋势。主要原因是轮对向左横移时,左轮瞬时滚动圆半径随轮对横移的增加而增加,从而导致纵向蠕滑率
8、的绝对值随轮对横移的增加而增加,当轮对横移为 8mm时轮轨摩擦力达到饱和。摩擦力达到饱和后,轮轨蠕滑力不再随蠕滑率的增加而增加,当横移为 8mm 时纵向蠕滑力最大。在不同轮对横移量条件下,轴重每增加 1t,纵向蠕滑力平均增加约 7%。由图 3(b)可知,轮对横移为 0mm7.5mm、7.5mm9.5mm和 9.5mm12mm 时,横向蠕滑力随轮对横移量分别呈递增、递减和几乎不变的变化趋势。主要原因是轮对横移 9.5mm时,轮对向左横移,左轮接触角随轮对横移的增加而增加,从而导致自旋蠕滑率的绝对值随轮对横移的增加而增加。当轮对横移为 8mm 时,轮轨摩擦力达到饱和。摩擦力达到饱和后,轮轨蠕滑力不
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