周志軍，李偉，陳斌，溫澤峰

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610031)

地鐵車輛在運(yùn)行過(guò)程中受線路條件、輪軌參數(shù)匹配、運(yùn)行速度和頻繁牽引制動(dòng)等因素的影響，車輪踏面不可避免地發(fā)生磨耗和疲勞損傷等現(xiàn)象。車輪凹陷磨耗是典型的踏面磨耗現(xiàn)象，表現(xiàn)為輪緣磨耗輕微，名義滾動(dòng)圓附近磨耗嚴(yán)重，兩側(cè)磨耗量逐次遞減。車輪出現(xiàn)凹陷磨耗后，輪軌接觸區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)非線性接觸特性，輪軌相互作用關(guān)系惡化。車輪踏面在長(zhǎng)期反復(fù)滾動(dòng)接觸載荷作用下，會(huì)產(chǎn)生局部永久性累積損傷，導(dǎo)致接觸表面產(chǎn)生剝離等疲勞損傷現(xiàn)象，影響列車安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車輪凹陷磨耗和踏面剝離損傷現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值仿真法展開(kāi)了研究。SAWLEY 等[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)北美貨車6 700 個(gè)車輪踏面廓形中21%的車輪凹陷磨耗量大于2 mm，模擬結(jié)果表明，當(dāng)凹陷磨耗量大于2 mm時(shí)，輪軌滾動(dòng)阻力增加，輪軌接觸應(yīng)力明顯增加。黃照偉等[2]的研究表明當(dāng)高速列車凹陷磨耗車輪與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配時(shí)，在多個(gè)平衡位置間跳躍造成“輪緣到假輪緣”的沖擊振動(dòng)，影響車輛運(yùn)行性能。孫宇等[3]基于傳統(tǒng)的Kik-Piotrowski方法，考慮輪對(duì)搖頭和多點(diǎn)接觸問(wèn)題，仿真分析了具有磨耗車輪的輪軌動(dòng)力相互作用關(guān)系，發(fā)現(xiàn)車輪凹陷磨耗會(huì)增加輪軌高頻垂向振動(dòng)，使輪軌橫向力的振動(dòng)幅值顯著增加，影響行車平穩(wěn)性和安全性。陶功權(quán)等[4-5]基于車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，建立了考慮安定圖和損傷函數(shù)的車輪滾動(dòng)接觸疲勞分析模型，研究了車輛通過(guò)3種不同半徑曲線時(shí)輪軌磨耗狀態(tài)對(duì)車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷的影響。陸文教[6]研究了輪軌磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能及輪軌接觸損傷特性的影響，發(fā)現(xiàn)車輪磨耗后(踏面磨耗均勻，輪緣磨耗明顯)，表面疲勞指數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)輪軌時(shí)的大，出現(xiàn)滾動(dòng)接觸疲勞的可能性增大。陶功權(quán)等[7]對(duì)比分析了不同磨耗車輪與標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌匹配時(shí)，利用三維彈性體非Hertz 滾動(dòng)接觸理論及其數(shù)值程序CONTACT 以及三維輪軌接觸有限元模型計(jì)算輪軌接觸應(yīng)力的算法，發(fā)現(xiàn)CONTACT程序計(jì)算得到的輪軌接觸斑面積小于有限元計(jì)算結(jié)果，但CONTACT計(jì)算得到的輪軌間最大接觸壓力和最大等效應(yīng)力大于有限元結(jié)果。針對(duì)車輪磨耗后容易出現(xiàn)的多點(diǎn)接觸問(wèn)題，2 種算法誤差較大，采用有限元計(jì)算結(jié)果更可靠。由于有限元方法計(jì)算輪軌接觸應(yīng)力時(shí)不受彈性無(wú)限半空間和材料彈性假設(shè)限制，趙騰等[8]建立了不同輪緣磨耗程度的輪軌彈塑性接觸模型，發(fā)現(xiàn)車輪輪緣厚度由32 mm 磨耗至27 mm 過(guò)程中，與磨耗鋼軌匹配關(guān)系較好，接觸斑面積較大，輪緣部分的接觸等效應(yīng)力較小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元方法，F(xiàn)R?HLING等[9]研究了車輪踏面凹陷磨耗導(dǎo)致的滾動(dòng)接觸疲勞損傷危害問(wèn)題，討論了車輛曲線通過(guò)性能和凹陷磨耗限值。LIU等[10]基于輪對(duì)縱向振動(dòng)研究車輪踏面剝落機(jī)理，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)縱向振動(dòng)改變了輪軌接觸特性、力學(xué)特性及接觸面上主應(yīng)力方向，導(dǎo)致輪軌接觸面疲勞，最終導(dǎo)致車輪踏面剝落。結(jié)合全尺寸制動(dòng)裝置試驗(yàn)和基于有限元法，ESMAEILI等[11]考慮車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞和反復(fù)制動(dòng)同時(shí)受到的機(jī)械載荷和熱載荷問(wèn)題，對(duì)踏面制動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了制動(dòng)溫度和滾動(dòng)接觸疲勞對(duì)踏面裂紋的影響。我國(guó)某城市地鐵線路車輛運(yùn)營(yíng)后，車輪普遍出現(xiàn)了凹陷磨耗和踏面接觸疲勞剝離現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，車輪踏面剝離位置位于輪緣根部附近，呈不規(guī)則的網(wǎng)狀或魚(yú)鱗狀裂紋，沿裂紋處有層狀剝離掉塊特征。在車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于車輪凹陷磨耗導(dǎo)致其型面發(fā)生顯著變化，惡化了輪軌接觸相互作用關(guān)系。因此，本文作者開(kāi)展車輪磨耗狀態(tài)下對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響的研究，基于地鐵列車運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)的車輪踏面疲勞損傷現(xiàn)象，利用有限元軟件ABAQUS 建立考慮輪軌真實(shí)幾何關(guān)系的三維輪軌彈塑性接觸數(shù)值仿真模型，結(jié)合輪軌接觸幾何關(guān)系分析，計(jì)算車輪不同凹陷磨耗狀態(tài)下踏面材料應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其對(duì)踏面剝離損傷的影響。

1 輪軌接觸幾何關(guān)系分析

輪軌接觸幾何是研究輪軌關(guān)系的基本參數(shù)，輪軌型面的匹配程度直接影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、曲線通過(guò)性能及輪軌接觸力和磨耗等。

1.1 凹陷磨耗車輪廓形及磨耗分布

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)全列車輪中80%以上的車輪踏面磨耗量大于2 mm，50%以上的車輪踏面凹陷量(車輪踏面范圍內(nèi)，凸起與凹陷部分的差值)大于0.4 mm，但鋼軌磨耗比較輕微。定義T1，T2和T3 為3 種不同踏面磨耗量輪對(duì)，其中T1 為標(biāo)準(zhǔn)LM型車輪踏面。

圖1所示為3種不同磨耗狀態(tài)的車輪廓形和磨耗分布情況，車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由圖1 和表1可知：車輪輪緣磨耗輕微，踏面磨耗較嚴(yán)重。由圖1可見(jiàn)：車輪踏面主要凹陷磨耗區(qū)域?yàn)檐囕喬っ鏅M向位置-30 ～ 50 mm，且在-30 ～ -20 mm 處存在較明顯的磨耗突變。

1.2 輪軌接觸點(diǎn)位置

圖1 車輪廓形及踏面磨耗分布Fig.1 Wheel profile and tread wear distribution

表1 車輪磨耗量統(tǒng)計(jì)Table 1 Wheel wear statistics

車輪出現(xiàn)凹陷磨耗后會(huì)嚴(yán)重影響輪軌接觸點(diǎn)位置，選取不同踏面磨耗狀態(tài)(3 種工況)的車輪與60 kg·m-1標(biāo)準(zhǔn)鋼軌進(jìn)行輪軌接觸幾何關(guān)系的數(shù)值計(jì)算(不考慮搖頭角)。其中，車輪名義滾動(dòng)圓半徑為420 mm，軌距為1 435 mm，軌底坡為1/40，輪對(duì)橫移量為-9～9 mm，每隔0.5 mm 計(jì)算1 個(gè)接觸點(diǎn)。

圖2 所示為不同工況下輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布圖。圖2中，正值表示輪對(duì)向左側(cè)橫移，負(fù)值表示輪對(duì)向右側(cè)移動(dòng)，0表示輪軌對(duì)中接觸。圖2(a)中，T1輪對(duì)發(fā)生橫移時(shí)輪對(duì)接觸點(diǎn)位置隨橫移量基本均勻分布，接觸狀態(tài)良好。圖2(b)和(c)中，車輪凹陷磨耗后輪軌接觸幾何呈強(qiáng)非線性特性。T2 左側(cè)車輪橫移-8～0 mm 和右側(cè)車輪橫移 0.5～8.0 mm 時(shí)，輪對(duì)接觸點(diǎn)位置分別集中在車輪踏面橫向位置-30 ～ -20 mm 或 20～30 mm。T3 左側(cè)車輪橫移-8.0 ～-0.5 mm和右側(cè)車輪橫移0～8.0 mm時(shí)，輪對(duì)接觸點(diǎn)位置位于車輪踏面橫向位置-32 ～-20 mm或20～32 mm。另外，輪軌對(duì)中接觸時(shí)，在多個(gè)平衡位置處輪軌接觸點(diǎn)出現(xiàn)了特別明顯的跳躍，導(dǎo)致在跳躍處易產(chǎn)生兩點(diǎn)接觸，輪對(duì)運(yùn)行會(huì)伴隨有一定的沖擊振動(dòng)。

若考慮線路不平順時(shí)輪軌接觸點(diǎn)位置將會(huì)在不考慮不平順時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)位置附近波動(dòng)，因此凹陷磨耗車輪的輪軌接觸點(diǎn)分布位置都較接近。橫移量為0～8.0 mm或-8.0 ～-0.5 mm時(shí)，主要接觸區(qū)域位于車輪車輪踏面橫向位置-32 ～-20 mm 或20～32 mm。當(dāng)車輛頻繁通過(guò)小半徑曲線時(shí)，易造成該區(qū)域輪軌接觸頻次較多，由于踏面磨耗突變導(dǎo)致的輪軌接觸應(yīng)力較大，踏面材料易發(fā)生疲勞剝離損傷。這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的車輪踏面剝離位置基本吻合。

1.3 滾動(dòng)圓半徑差

列車在運(yùn)行過(guò)程中受外界激擾和輪軌系統(tǒng)本身的影響容易產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)，伴隨出現(xiàn)輪對(duì)不同橫移現(xiàn)象[12]。帶有凹陷磨耗車輪的車輛在實(shí)際線路運(yùn)行時(shí)，滾動(dòng)圓半徑差在不同橫移量時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的變化。圖3所示為T(mén)1，T2和T3輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差與輪對(duì)橫移量之間的關(guān)系。由圖3 可知：T1在橫移量為-9～9 mm 范圍內(nèi)滾動(dòng)圓半徑差變化較平緩；T2 和 T3 在橫移量為 0～2 mm 和-2～0 mm 范圍內(nèi)滾動(dòng)圓半徑差增大，在橫移量為2～8 mm 和-8 ～-2 mm 的滾動(dòng)圓半徑差值變化相對(duì)緩慢。當(dāng)凹陷磨耗車輪通過(guò)小半徑曲線時(shí)，輪對(duì)橫移量增大，車輪滾動(dòng)圓半徑差增大，輪軌縱向蠕滑力隨之升高，車輪踏面磨耗和疲勞損傷增大[12]。

圖2 不同工況下的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)圖Fig.2 Wheel-rail contact point diagrams under different conditions

以上輪軌接觸幾何關(guān)系表明車輛通過(guò)小半徑曲線時(shí)，輪軌在磨耗突變區(qū)容易集中接觸，而現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的車輪滾動(dòng)接觸疲勞裂紋就發(fā)生在此區(qū)域，在車輪磨耗突變區(qū)域，輪軌接觸半徑較小，輪軌接觸應(yīng)力較高，材料容易發(fā)生塑性變形，很難用解析法對(duì)其分析[13]。雖然KULKARNI 等[14]建立了彈塑性滾動(dòng)接觸問(wèn)題的分析方法，但方法過(guò)于簡(jiǎn)化，且其前提假設(shè)是滿足赫茲接觸條件，無(wú)法反映真實(shí)輪軌關(guān)系，需考慮非赫茲接觸。下面基于輪軌接觸幾何分析結(jié)果，通過(guò)建立考慮輪軌真實(shí)幾何和材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系的三維輪軌接觸數(shù)值模型，進(jìn)一步探明車輪凹陷磨耗對(duì)輪軌接觸區(qū)域的踏面接觸應(yīng)力及踏面剝離的影響。

圖3 滾動(dòng)圓半徑差與橫移量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between radius difference of rolling circle and transverse displacement

2 三維彈塑性輪軌接觸有限元模型

利用有限元軟件ABAQUS 建立三維彈塑性輪軌接觸有限元模型，如圖4所示。模型考慮了不同凹陷磨耗狀態(tài)車輪、60 kg·m-1標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和軌道板實(shí)體模型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4 三維彈塑性輪軌接觸有限元模型Fig.4 Finite element model of three-dimensional elasticplastic wheel-rail contact

表2 三維彈塑性輪軌接觸有限元模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters for finite element model of three-dimensional elastic-plastic wheel-rail contact

張寶安等[15]的研究表明當(dāng)輪對(duì)橫移量超過(guò)5 mm時(shí)，輪軌的結(jié)構(gòu)柔性會(huì)導(dǎo)致輪軌接觸參數(shù)發(fā)生明顯變化，因此在該模型中將輪對(duì)考慮為柔性是必要的。模型中未將軌枕和扣件實(shí)體考慮在內(nèi)，兩側(cè)離散支撐的扣件系統(tǒng)由間距為50 mm 的20 組彈簧阻尼單元模擬，且考慮了垂橫縱方向剛度阻尼特性。將車輛簧上質(zhì)量M等效為一質(zhì)量點(diǎn)，并通過(guò)一系懸掛(彈簧阻尼單元)與車軸相連。輪軌接觸類型采用“面－面”接觸，法向接觸關(guān)系定義為“硬”接觸，切向接觸關(guān)系采用罰函數(shù)的摩擦公式定義，輪軌摩擦因數(shù)為0.5。為了分辨接觸斑內(nèi)接觸壓力的分布狀態(tài)，將輪軌接觸區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，其他區(qū)域進(jìn)行過(guò)渡稀疏網(wǎng)格劃分，最小單元尺寸為1 mm。車軸對(duì)稱面橫向(x)對(duì)稱約束，端面橫向位移約束；鋼軌端面縱向(y)對(duì)稱約束；軌道板對(duì)稱面橫向?qū)ΨQ約束，端面縱向?qū)ΨQ約束，側(cè)面橫向位移約束。實(shí)體模型采用C3D8R 八節(jié)點(diǎn)六面體單元離散，共673 076 個(gè)節(jié)點(diǎn)和585 688 個(gè)單元。因考慮到軌道、車輪和軌道板的對(duì)稱性，本模型只取車輪、鋼軌和軌道板的一半建模，以提高求解效率[16]。模型中車輪沿橫向平移施加橫移量，沿垂向(z)調(diào)整接觸主從表面的初始位置，且在輪軌接觸時(shí)設(shè)置誤差限度使得車輪與鋼軌法向接觸，確保輪軌接觸求解完全收斂。

考慮車輪磨耗突變接觸區(qū)域的局部塑性變形，輪軌材料采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性材料模型，材料本構(gòu)關(guān)系如圖5 所示。鋼軌材料為U75V，車輪材料為CL60，屈服條件為Von-Mises 屈服準(zhǔn)則。線性強(qiáng)化塑性材料模型的應(yīng)力-應(yīng)變方程[17]為

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；σs為屈服極限；Ee為彈性模量；εs為屈服點(diǎn)處總應(yīng)變；Ep為應(yīng)變強(qiáng)化模量；鋼軌和車輪Ep為17.254 GPa。

圖5 輪軌材料本構(gòu)關(guān)系Fig.5 Constitutive relationship of wheel-rail material

3 結(jié)果分析

利用建立的輪軌接觸有限元模型，計(jì)算分析輪對(duì)不同橫移量下(-9～9 mm)輪軌接觸參數(shù)(包括輪軌接觸斑面積、最大接觸壓力、Von-Mises 等效應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變)及其對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì)。

車輪發(fā)生凹陷磨耗后，輪軌主要接觸點(diǎn)位于車輪踏面橫向位置20～32 mm或-32 ～-20 mm。圖6所示為典型的輪對(duì)橫移量為-6 mm時(shí)輪軌接觸斑情況。圖中，a和b分別為接觸斑長(zhǎng)軸和短軸，A為接觸斑面積，x為接觸斑中心與鋼軌中心線的相對(duì)距離。由圖6 可知：3 種工況輪軌接觸斑形狀有顯著變化(輪軌接觸斑面積分別為107.3，57.3 和57.4 mm2)，T1 輪軌接觸斑近似圓形，T2 和 T3 輪軌接觸斑為沿縱向狹長(zhǎng)橢圓形。值得注意的是，凹陷磨耗車輪相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輪的輪軌接觸斑中心位置向鋼軌內(nèi)側(cè)偏移約6.7 mm，接觸位置在鋼軌軌距角或輪緣根部附近。凹陷磨耗車輪狹長(zhǎng)的輪軌接觸斑面積使得相同載荷下輪軌接觸應(yīng)力較高，導(dǎo)致在該接觸位置中心處容易出現(xiàn)滾動(dòng)接觸疲勞。對(duì)于T1 車輪(標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面)，輪軌最大接觸應(yīng)力為960 MPa；對(duì)于凹陷磨耗T2 和T3 車輪，輪軌最大接觸應(yīng)力分別為1 465 和1 490 MPa，與T1 車輪相比，增加了約53%。

圖6 輪軌接觸斑面積Fig.6 Area of wheel-rail contact patches

圖7 所示為輪對(duì)不同橫移量時(shí)輪軌接觸Von-Mises 等效應(yīng)力變化趨勢(shì)。由圖7 可知：當(dāng)輪對(duì)橫移量為正時(shí)，T2 和T3 的Von-Mises 等效應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同；當(dāng)輪對(duì)對(duì)中接觸時(shí)，T1 的Von-Mises 等 效 應(yīng) 力 最 大 (605 MPa)，T3 的 最 小(460 MPa)，這是因?yàn)榘枷菽ズ能囕喸跈M移量為0 mm時(shí)，輪軌呈曲面接觸，凹陷磨耗量較大的車輪接觸斑面積較大；當(dāng)輪對(duì)橫移量為負(fù)時(shí)，3種工況下輪軌接觸Von-Mises等效應(yīng)力差異明顯，在凹陷磨耗車輪的輪軌頻繁接觸區(qū)域內(nèi)(輪對(duì)橫移量為-0.5～-8.0 mm)，T2 和 T3 輪軌 Von-Mises 等效應(yīng)力劇增。

圖7 Von-Mises等效應(yīng)力隨輪對(duì)橫移量變化趨勢(shì)Fig.7 Trend of maximum Von-Mises equivalent stress of wheel-rail with wheelset transverse shift

圖8所示為車輪橫移量為-6 mm時(shí)輪軌接觸區(qū)域Von-Mises 等效應(yīng)力云圖。由圖8 可知：3 種工況下輪軌接觸區(qū)域均出現(xiàn)了較明顯的等效應(yīng)力集中區(qū)域，凹陷磨耗車輪相比標(biāo)準(zhǔn)車輪的等效應(yīng)力集中點(diǎn)向鋼軌內(nèi)側(cè)偏移傾向，其位置靠近輪緣和鋼軌軌距角。為了表征Von-Mises等效應(yīng)力影響范圍，分析Von-Mises等效應(yīng)力沿車輪踏面接觸斑深度方向的變化趨勢(shì)，如圖9所示。由圖9可知：凹陷磨耗車輪在接觸斑表面以下0～3.6 mm 深度范圍內(nèi)Von-Mises 等效應(yīng)力最大，而標(biāo)準(zhǔn)車輪Von-Mises 等效應(yīng)力較小。另外，與T1 輪對(duì)相比，T2和T3車輪對(duì)Von-Mises應(yīng)力出現(xiàn)的位置更接近車輪表面；隨著深度的增大，3 種工況下Von-Mises 等效應(yīng)力逐漸減小。

圖8 輪軌Von-Mises等效應(yīng)力云圖Fig.8 Von-Mises equivalent stress distribution of wheel-rail

圖9 Von-Mises等效應(yīng)力沿接觸斑深度方向的變化Fig.9 Variation of Von-Mises equivalent stress along depth of contact patch

圖10 所示為輪對(duì)不同橫移量時(shí)輪軌等效塑性應(yīng)變變化情況。由圖10 可知：當(dāng)輪對(duì)橫移量為負(fù)時(shí)，凹陷磨耗車輪相比標(biāo)準(zhǔn)車輪的輪軌等效塑性應(yīng)變急劇增大，且在橫移量為-9～-6 mm時(shí)其值達(dá)到最大。這主要是因?yàn)闄M移量為負(fù)時(shí)輪軌接觸點(diǎn)位置發(fā)生較大偏移，輪軌接觸斑面積變小和應(yīng)力集中導(dǎo)致的。圖11 所示為等效塑性應(yīng)變最大值處的輪軌等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖11可知：T1輪軌等效塑性應(yīng)變較小，塑性變形區(qū)主要集中在車輪次表層。T2和T3輪軌等效塑性應(yīng)變較大，T3等效塑性應(yīng)變約為T(mén)2 的4.35 倍，為T(mén)1 的151 倍，變形區(qū)集中在車輪表面且沿車輪輪緣圓周狹長(zhǎng)分布。凹陷磨耗車輪較大的塑性應(yīng)變?nèi)菀滓鸾佑|表面材料的塑性流動(dòng)和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。車輪踏面出現(xiàn)凹陷磨耗后，車輛頻繁地通過(guò)小半徑曲線，在長(zhǎng)期反復(fù)滾動(dòng)接觸載荷作用下，易在磨耗突變區(qū)造成較高的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變，產(chǎn)生局部永久性累積損傷，導(dǎo)致輪緣根部表面材料剝離損傷，這與現(xiàn)場(chǎng)觀察到的踏面剝離基本吻合。

圖10 輪軌等效塑性應(yīng)變隨輪對(duì)橫移量的變化Fig.10 Change of equivalent plastic strain of wheel-rail with wheelset transverse shift

圖11 輪軌等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Equivalent plastic strain distribution of wheel-rail

4 結(jié)論

1)地鐵列車車輪踏面主要凹陷磨耗區(qū)域?yàn)檐囕喬っ鏅M向位置-30～50 mm，全列車輪中80%以上的車輪踏面磨耗量大于2 mm，鋼軌磨耗輕微。輪軌接觸幾何關(guān)系呈強(qiáng)非線性特性，其接觸點(diǎn)位置主要集中在車輪踏面橫向位置20～32 mm 或-32 ～-20 mm，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的車輪踏面剝離位置吻合。且當(dāng)輪軌對(duì)中接觸時(shí)，在多個(gè)平衡位置處輪軌接觸點(diǎn)位置出現(xiàn)了明顯的跳躍。

2)車輪不同凹陷磨耗狀態(tài)下的輪軌接觸狀態(tài)差異顯著。尤其在磨耗突變區(qū)(-30 ～-20 mm)輪軌集中接觸，接觸斑面積呈狹長(zhǎng)橢圓分布，導(dǎo)致相同載荷下輪軌接觸應(yīng)力較大。

3)當(dāng)輪對(duì)向外軌橫移時(shí)，車輪凹陷磨耗接觸區(qū)域材料易進(jìn)入屈服狀態(tài)，此時(shí)車輪踏面沿接觸斑深度方向0～3.6 mm范圍內(nèi)Von-Mises等效應(yīng)力最大，踏面表層材料等效塑性應(yīng)變最大。當(dāng)車輪踏面出現(xiàn)凹陷磨耗后，車輛頻繁地通過(guò)小半徑曲線時(shí)易在磨耗突變區(qū)造成較高的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變，從而導(dǎo)致輪緣根部表面材料產(chǎn)生剝離損傷。