輪軌接觸面損傷時(shí)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(shí)輪軌沖擊力是無損傷時(shí)的數(shù)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(chǎn)生的極大的輪軌沖擊力導(dǎo)致?lián)p傷部位應(yīng)力應(yīng)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(kuò)展。

關(guān)鍵詞：踏面損傷;軌面損傷;溫度場(chǎng);輪軌沖擊力;應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U213.42? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(xiàn)有鐵路研究中的重點(diǎn)之一。在鐵路車輛運(yùn)行中，由于緊急制動(dòng)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(zhì)不均勻等導(dǎo)致的輪軌接觸面損傷會(huì)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(shí)應(yīng)力應(yīng)變及溫度變化對(duì)鐵路車輛運(yùn)營(yíng)與維護(hù)有著極其重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輪軌接觸面損傷情況下輪軌力進(jìn)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(zhǎng)度的關(guān)系方面。現(xiàn)有方法大多是通過動(dòng)力學(xué)方法模擬研究輪軌接觸面損傷時(shí)的輪軌接觸力。軌道損傷時(shí)，將損傷深度與軌道不平順耦合;車輪踏面損傷時(shí)，將車輪踏面損傷等效為軌道損傷，或根據(jù)損傷位置車輪半徑相對(duì)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(xiàn)損傷時(shí)，輪軌接觸力會(huì)在滾過損傷時(shí)增大2～3倍，損傷較大時(shí)甚至能達(dá)到5～6倍。此沖擊力遠(yuǎn)超輪軌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)輪軌傷害極大。

對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸應(yīng)力應(yīng)變情況通過數(shù)值方法或有限元方法建立二維理論模型或三維實(shí)體模型進(jìn)行研究[6-8]，結(jié)果顯示車輪經(jīng)過踏面損傷部位時(shí)，輪軌接觸應(yīng)力變化較大，遠(yuǎn)超材料屈服極限，將產(chǎn)生較大的塑性變形。現(xiàn)有研究對(duì)損傷位置進(jìn)行熱彈塑性分析[9-11]，結(jié)果顯示輪軌間做純滑動(dòng)時(shí)或輪軌接觸經(jīng)過損傷位置時(shí)，輪軌接觸區(qū)溫度變化較大，應(yīng)力應(yīng)變情況與不考慮熱應(yīng)力時(shí)差別較大。

現(xiàn)有研究多是從理論分析角度出發(fā)對(duì)輪軌損傷時(shí)溫度-應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，車輪和軌道簡(jiǎn)化成圓柱體和長(zhǎng)方體，輪軌間進(jìn)行純滑動(dòng)等。本文通過動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某型動(dòng)車建立動(dòng)力學(xué)模型，通過設(shè)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(chǎng)有限元仿真軟件建立輪對(duì)-軌道三維實(shí)體模型，運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合方法，對(duì)輪軌損傷時(shí)接觸區(qū)溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等情況進(jìn)行研究。

1 模型的建立

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)某型動(dòng)車相關(guān)參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)模型，主要參數(shù)如表1所示。模型中采用多剛體組合結(jié)構(gòu)，車體、構(gòu)架、輪對(duì)保留6自由度，軸箱僅保留轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模型如圖1所示。其中車輪踏面導(dǎo)入繪制好的LMA踏面，軌面導(dǎo)入60kg/m鋼軌軌型。車輪踏面損傷長(zhǎng)度按圓周方向測(cè)量，軌道軌面損傷長(zhǎng)度按照軌道縱向測(cè)量，在動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置不同的損傷長(zhǎng)度，模擬研究輪軌踏面損傷時(shí)的輪軌沖擊力，并生成時(shí)變的輪軌沖擊力譜。其中損傷長(zhǎng)度與損傷深度關(guān)系采用扁疤計(jì)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(diǎn)位置，0

1.2 有限元模型

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)繪制LMA踏面高速動(dòng)車車輪、60kg/m軌道及對(duì)應(yīng)車軸模型，軌底坡為1：40，由于模型關(guān)于車軸中心面對(duì)稱，采用半軸模型對(duì)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(dòng)盤座等結(jié)構(gòu)。將動(dòng)力學(xué)模擬得出的不同長(zhǎng)度損傷下輪軌沖擊力譜導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)關(guān)系，輪軌泊松比彈性模量等參數(shù)與材料溫度相關(guān)，參考文獻(xiàn)[12]，輪軌材料屬性如表2所示。

2 計(jì)算分析

2.1 動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算及結(jié)果分析

《高速試驗(yàn)列車動(dòng)力車強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)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(xiàn)20mm長(zhǎng)扁疤損傷滾過平直軌道時(shí)產(chǎn)生的輪軌沖擊力P隨時(shí)間t變化圖如3所示。當(dāng)車輪滾過損傷位置時(shí)，輪軌力出現(xiàn)從Q1先減小到Q2后迅速增大Q3的劇烈變化，輪軌力達(dá)到最大值后呈現(xiàn)波形衰減。Q1、Q2對(duì)應(yīng)位置為損傷前中側(cè)，Q3對(duì)應(yīng)位置為損傷后側(cè)。

圖4所示為平直軌道軌面出現(xiàn)按照公式（1）給定的損傷長(zhǎng)度深度公式設(shè)置的20mm損傷時(shí)，損傷深度H/輪軌沖擊力P-軌道位置x關(guān)系。由圖可知當(dāng)無損傷車輪滾過存在損傷的軌面時(shí)，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(xiàn)波形衰減趨勢(shì)。在出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的車輪踏面/軌道軌面損傷時(shí)，車輪在京津?qū)崪y(cè)軌道譜線路上以200km/h速度運(yùn)行，將踏面/軌面損傷與軌道譜耦合。輪軌力計(jì)算結(jié)果如圖5所示，隨著車輪踏面/軌道軌面損傷長(zhǎng)度的增加，輪軌沖擊力成倍增長(zhǎng)。這對(duì)車輪及軌道結(jié)構(gòu)安全性可靠性及相關(guān)結(jié)構(gòu)件使用壽命影響極大。

2.2 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

2.2.1 單次沖擊模擬

由于損傷過大時(shí)輪軌力將超過《高速試驗(yàn)列車動(dòng)力車強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)性能規(guī)范》（95J01-L）中輪軌垂向力170kN的限定值，在實(shí)際運(yùn)用中已達(dá)到旋修標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)長(zhǎng)期存在，因此以下主要研究損傷長(zhǎng)度為10mm/20mm情況。將動(dòng)力學(xué)輪軌力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理，不考慮速度對(duì)輪軌沖擊力大小的影響，僅考慮速度對(duì)沖擊頻率及作用時(shí)間的影響。設(shè)定有限元分析幾種工況如表3所示。

設(shè)置初始環(huán)境溫度為20℃。將對(duì)應(yīng)輪軌沖擊力及作用時(shí)間輸入有限元模型中進(jìn)行有限元分析。對(duì)有限元模型進(jìn)行不同工況下單次損傷沖擊的瞬態(tài)分析，當(dāng)輪軌接觸區(qū)溫度和應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，輪軌接觸區(qū)截面溫度及應(yīng)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(diǎn)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(yīng)力分布云圖如圖7所示，應(yīng)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(nèi)部應(yīng)力更大。表4為表3所示四種工況下車輪最高溫度、最大應(yīng)力的具體數(shù)值。較大的沖擊力作用下，車輪最大應(yīng)力大于表2中對(duì)應(yīng)溫度下的材料屈服應(yīng)力，會(huì)發(fā)生塑性變形。

圖8為表3對(duì)應(yīng)編號(hào)的四種工況下，接觸區(qū)最高溫度T隨時(shí)間t變化圖。由圖可知，經(jīng)過極短時(shí)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(dá)3℃，溫度升至最高點(diǎn)后，熱量從溫度最高區(qū)域擴(kuò)散，溫度開始下降。極短的沖擊時(shí)間內(nèi)極大的沖擊力作用下，沖擊力產(chǎn)生的變形不充分。相同沖擊力下，作用時(shí)間更長(zhǎng)的的溫升更大（Ta>Tb，Tc>Td）;相同的作用時(shí)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(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可知單次沖擊力與沖擊力作用距離。輪對(duì)存在20mm長(zhǎng)損傷時(shí)輪軌力與輪軌力作用距離關(guān)系如圖9所示。通過運(yùn)用樣條插值及梯形公式將沖擊力與作用距離進(jìn)行積分可知單次沖擊功。20mm長(zhǎng)損傷沖擊的單次沖擊功為9J，在不考慮速度對(duì)沖擊力的影響情況下，速度越快，每秒沖擊次數(shù)越多，沖擊產(chǎn)生功率越大。當(dāng)車輪踏面出現(xiàn)20mm損傷時(shí)，200km/h速度下，每秒車輪轉(zhuǎn)數(shù)約20次，沖擊功率為180W;當(dāng)軌道軌面出現(xiàn)20mm損傷時(shí)，考慮不同車型的火車以200km/h速度通過時(shí)，損傷位置每秒約通過9個(gè)車輪，沖擊功率約為81W。分別對(duì)車輪損傷及軌道損傷兩種情況進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖10所示。當(dāng)車輪損傷時(shí)車輪溫升大于軌道損傷時(shí)軌道的溫升，且溫度經(jīng)過一定的沖擊次數(shù)后上升速度減慢。

3 結(jié)論

通過對(duì)輪軌接觸位置設(shè)置損傷，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)及有限元多物理場(chǎng)耦合的方法，對(duì)輪軌接觸區(qū)沖擊力-溫度-應(yīng)力進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）車輪滾過車輪踏面或軌道軌面損傷位置時(shí)，輪軌力變化較大，可達(dá)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(cè)，使損傷易于向后發(fā)展。

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

（3）當(dāng)損傷長(zhǎng)度大于等于10mm時(shí)，輪軌接觸區(qū)應(yīng)力較大，已超過材料的屈服極限，損傷會(huì)隨著車輛運(yùn)行繼續(xù)向后擴(kuò)展。

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