轨道客车轮轨接触部工况分析

轨道客车轮轨接触部工况分析

韩烨张克木尹晓亮

在轨道客车生产制造过程中，需要牵车、低速行驶经过一些设备和轨道，而设备轨道和铺设在地面的固定轨道之间的接口部位往往并不能严格对齐，两侧轨道存在一定的偏差，形成错牙，而此时的车轮未经过满负荷作用下的碾压，强度较低，因此当车轮经过轨道接口时，经常发生损伤车轮踏面和轮缘的情况。轨道接口在一定程度上破坏了轨道几何形状的连续性，主要表现在：轨缝、错牙，折角等方面(1)。车轮经过时往往会受到很大的冲击附加力作用，根据实测资料(2)，这些附加力为正常轮载的2-3倍，严重时可达4-5倍，极易损伤车轮，因此有必要对车轮经过轨道接口部位时的接触应力进行分析。

1.原理分析

正常条件下车轮和轨道的初始接触均会造成轮轨表层局部的塑性变形，在塑性变形量小时，并不会导致钢轨和车轮的可见损坏，这主要得益两个因素：其一是轮轨表面因初始的塑性变形后会形成较大的残余应力分布，抑制轮轨表面进一步发生塑性变形；其二是轮轨表面在初始的塑性变形后，车轮、轨面接触点曲率半径增大，增加了接触区域面积，降低了轮轨接触应力值，减少了轨道表面进一步发生屈服的可能性。具体到新造的轨道车辆，在制造过程中，车轮并未受到高强度下的长时间滚动碾压，即没有受到应有的安定极限载荷的反复作用，因此车轮踏面强度较低，在经过轨道接口，遭受冲击应力作用时，极易发生损伤。

2.工况分析

图1轮轨接触工况

图1给出了车轮经过轨道接口时可能遇到的6种工况。工况1、2、3是车轮正向通过轨道接口台阶部位的情况；工况3、4、5是车轮逆向通过轨道接口台阶部位的情况。

经过对工况1和工况2的对比，发现工况2中，轨道A端头的部分并未与车轮发生接触，因此，理想状态下，工况1可以涵盖工况2。同理，工况4也能够涵盖工况5。

根据工况1，可以得出如下公式：

式中，R--车轮半径(mm)；

h--两侧轨道的高差(mm)；

d--两侧轨道的间隙(mm)。

目前,已知轨道客车的最小车轮半径约为300mm，最大车轮半径不超过500mm，因此可以得出：

当h=3mm，R=300mm时，d=42mm

当h=3mm，R=500mm时，d=55mm

也就是说，只要将轨道接口部位的轨缝控制在40mm以内，工况3和工况6就不会出现，而这一要求是很容易达到而且是有必要的。

因此，图1.1中的六种工况，可以简化为工况1和工况4两种。

而对于工况4，在理想状态下，车轮并不会在轨道B端部发生应力集中状态的冲击碰撞，因此工况4对车轮造成可见损伤的可能性不大。

在工况1中，是必然会出现轨缝冲击车轮的情况，会产生非常大的接触应力；该应力是一种冲击应力，极有可能使接触点区域的接触应力大于材料的极限强度，从而导致局部破坏。

3.结论

综上，经过对轮轨接触弹塑性变形原理和工况的分析，将轨道客车经过轨道接口的工况进行了简化，为进一步解决此问题奠定了基础。

参考文献：

（1）蔡武，温泽峰，金学松.钢轨接头轨缝对轮轨接触应力的影响.工程力学，2006，9

（2）童大埙.铁路轨道.北京：中国铁道出版社，1996

（3）温泽峰，金学松，张卫华.钢轨轨缝接触冲击的有限元分析.摩擦学学报，2003，23（3）：240-244