（道路与铁道工程专业论文）合金钢组合辙叉轮轨接触应力及其影响因素分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 跨区间无缝线路是与高速重载铁路相适应的轨道结构，是提速重载道 岔必须采用的关键技术。目前我国铁路提速道岔大多数使用的是高锰钢整 铸辙叉和钢轨拼装式组合辙叉。高锰钢整铸辙叉整体强度较低，使用寿命 离散度大和可焊性差；而钢轨拼装式固定辙叉机械性能差，心轨较早的出 现了压塌和剥离掉落，致使辙叉很早下道。由此可见，这两种辙叉满足不 了我国铁路提速的要求，因此我们就必须要找出一种更好的辙叉代替这两 种辙叉。 随着通过能力高、强度高的合金钢组合辙叉的出现，已经慢慢代替了 高锰钢整铸辙叉和拼装式组合辙叉。但是由于翼轨采用的是p d 3 钢，而心 轨采用的是奥贝氏体钢，心轨强度高于翼轨，当车轮通过时，翼轨的破坏 比心轨厉害，因此需要计算出翼轨受力区域和接触压力的大小。因此本文 利用有限元分析方法建立起弹性基底约束条件下的合金钢组合辙叉区轮轨 接触计算模型，并考虑车轮和钢轨的真实的几何形状和边界情况，对从咽 喉到心轨顶宽2 0 - - 5 0 r a m 范围内进行分析，通过改变轮轨接触的摩擦系数、 轴重、不同接触位置、基底竖横向刚度、心轨降低值和半径，对心轨和翼 轨的接触压力进行较为细致的分析，为道岔合理设计提供一定的数据支持。 研究表明，心轨半径、轴重和心轨降低值对轮轨接触的影响最大，其 次是摩擦系数和竖向刚度，横向刚度对轮轨接触影响不明显。在咽喉至心 轨顶宽3 0 m m 段，翼轨应力比较大，长期下来容易造成破坏，对运营非常 不利，在设计中应考虑对翼轨的加强。 关键词：提速道岔；辙叉；接触应力；奥贝氏体钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t r a n s - i n t e r v a lj o i n t l e s sl i n ei st h et r a c ks t r u c t u r et h a tl ss u i t e dt o h i g h s p e e da n dh e a v yh a u lr a i l w a ya n dt h en e c e s s a r yk e yt e c h n i c a li nt h e s p e e di n c r e a s ea n dh e a v yh a u ls w i t c h a tp r e s e n t ，t h em a i ns p e e di n c r e a s e s w i t c h so fo u rc o u n t r ya r et h eh i 曲m a n g a n e s es t e e li n t e g r a lc a s t i n gf l o g sa n d t h er a i la s s e m b l i n gc o m b i n e ds t e e lf l o g s t h eh i g hm a n g a n e s es t e e li n t e g r a l c a s t i n gf r o gi st h ef r o gt h a th a sl o wi n t e g r a ls t r e n g t h 、h i g hd i s c r e t es c a l es e r v i c e l i f ea n dp o o rw e l d a b i l i t y h o w e v e r , t h er a i la s s e m b l i n gc o m b i n e ds t e e lf r o gh a s p o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h en o s er a i la p p e a r st h ep h e n o m e n o no ft h e f l a k i n ga n ds p a l l i n gi ne a r l yt i m e t h e nt h ef r o gi sd e s t r o y e d i tc a nb es e e nt h a t t h et w of l o g sc a n tm e e tt h ed e m a n do ft h es p e e di n c r e a s ef r o ga n dw em u s t j f i n da n o t h e rk i n do ff r o gt os u b s t i t u t et h et w of r o g s 。 w i t ha p p e a r a n c eo ft h ea l l o ys t e e lc o m b i n e df r o gt h a th a sl a r g ec a r r y i n g c a p a c i t ya n dh i g hs t r e n g t h ，t h ef o r m e rt w of r o g sa les u b s t i t u t e db yi t b u tw i n g r a i l su s ep d 3s t e e la n dn o s er a i l su s et h ea u s t e n i t es t e e l t h es t r e n g t ho fn o s er a i l s i sl a r g e rt h a nt h a to fw i n gr a i l s t h ew i n gr a i l sd e s t r o y e da r em o r et h a nn o s e r a i l sw h e nw h e e l sp a s sh e r e s ow em u s tc a l c u l a t es t r e s si n f l u e n tf i e l da n dt h e m a g n i t u d eo fc o n t a c ts t r e s s c o n s i d e r i n g t h er e a l g e o m e t r ya n db o u n d a r y c o n d i t i o n s ，t h ep a p e rm a k e su s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oe s t a b l i s h w h e e l r a i lc o n t a c tc a l c u l a t i o nm o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ee s l a s i cb a s e m e n t c o n s t r a i n t si nt h ef r o gs e c t i o n i tm a k e ss o m ed e t a i l e da n a l y s i sf r o mt h et h r o a tt o t h e2 0 5 0 m mw i d t hn o s er a i l b yc h a n g i n gt h ev a r i a b l eo ft h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t 、t h ea x l el o a d 、t h eb a s e m e n tv e r t i c a la n dl a t e r a lr i g i d i t y 、t h en o s e r a i l sr e d u c t i o nv a l u ea n dr a d i u s ，w ed os o m ec a r e f u lc o n t a c ta n a l y s i st on o s e r a i l sa n dw i n gr a i l s t h er e s u l tc a np r o v i d ed a t af o rt h er e a s o n a b l et u r n o u t d e s i g n t h er e s e a r c hs u g g e s t st h a tt h eb i g g e s ti n f l u e n tf a c t o r sa r et h ea x l el o a d 、 t h en o s er a i l sr e d u c t i o nv a l u ea n dr a d i u sa m o n ga l lt h ef a c t o r s ，t h e na r et h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dv e r t i c a lr i g i d i t y t h ei n f u e n c eo ft h el a t e r a lr i g i d i t y i sn o to b v i o u s t h es t r e s so fw i n gr a i l si st h eb i g g e s tb e t w e e nt h r o a ta n d3 0 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i i 页 o ft h en o s er a i l t h ew i n gr a i lw i l lb ee a s i l yd e s t r o y e da f t e ral o n gt i m et h a tw i l l b en o tb e n e f i tt ot h eo p e r a t i o n t h e r e f o r e ，w em u s tc o n s i d e rs t r e n g t h e n i n gw i n g r a i l si nt h ed e s i g n k e y w o r d s ：s p e e di n c r e a s e ；f l o g ；c o n t a c ts t r e s s ；a u s t e n i t es t e e l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书： 2 不保密钞陵用本授权书。 ( 请在以上方框内打“1 j ”) 警焉嘲嚣嚣y 日翟：p “ j 1 日期晴_ 7 。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、本文根据合金钢组合辙叉翼轨易剥落掉块的病害，对合金钢组合辙 叉咽喉、心轨顶宽2 0 m m ，3 0 m m ，5 0 m m 四个典型断面进行了轮轨接触分 析。 2 、计算得出咽喉至心轨项宽3 0 m m 断面，翼轨受力超过或接近其材料 强度极限；并在实际模型中改变心轨项宽2 0 m m 的降低值和心轨项宽5 0 m m 的轮廓半径，用来分析对轮轨接触的影响分布规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路运营中存在的问题 近几十年来，由于列车的轴重、速度及运量不断提高，在国内外铁路 上轨头接触疲劳伤损增多，如剥离或由它引起的黑核，轨头纵向疲劳裂纹 等，成为钢轨失效的主要原因。接触疲劳伤损的形成大致分为三个阶段： 第一期是钢轨踏面外型的变化；第二期为轨头接触疲劳的形成；第三期是 轨头表面金属的破坏。由于金属接触疲劳强度不足和重载车轮的多次作用， 当最大剪切应力作用点之剪应力超过剪切屈服极限时，会使该处成为塑性 区，车轮的多次通过最终导致疲劳裂纹的形成。处于工作状态的轮轨一旦 接触表面或表面以下裂纹形成，这些裂纹将会沿着不同方向扩展。如果表 面裂纹尖端在次表面上平行于接触表面发展，则分布在接触表面上的裂纹 将会贯通，再经车轮碾压接触表面材料将破碎剥离，次表面上的裂纹暗裂 纹其尖端也会延伸到接触表面上，产生类似的破坏现象。如果这些裂纹在 轮轨体内沿着纵向或横向发展很容易使轮箍和钢轨沿纵向或横向产生灾难 性断裂导致脱轨翻车。尤其是轮轨体内的暗裂纹的产生和发展，是不易被 发现的，一旦在轮轨体内扩展到一定程度，将会导致突发性的断裂，酿成 重大脱轨事故。目前国际上还不能完全解决控制、预测高速列车轮轨滚动 接触疲劳、磨损与寿命方面的技术问题。 而我国的车轮与钢轨的严重磨损已成为十分突出的问题。在使用 t b 4 4 9 7 6 型锥形车轮踏面时曾作过统计，我国客车车轮的使用寿命仅5 - 6 年，大约有1 5 3 0 的旅客快车车轮使用不到一年就因踏面或轮缘磨耗到限 而需换轮维修。货车车轮的使用寿命也只有1 l - 1 2 年。机车车轮的磨耗要 比车辆车轮严重得多，一般轮缘部分先期磨耗到限；而在一些曲线半径较 小的区段，钢轨与车轮甚至发生了“两点接触 ，轮缘长期贴靠钢轨滑动运 行，造成钢轨侧磨到限，严重影响了钢轨的使用寿命。这些都是由于轮轨 相互作用引起的，而轮轨关系又非常复杂，至今仍然没有得到根本的解决。 如果我国既有铁路要提速到2 0 0 蛔h ，高速铁路和客运专线时速要达到 2 5 0b h 以上，这样的轨道结构肯定不行。然而在铁路线路中，道岔是使机 车车辆从一条线路转向另一条线路的轨道连接设备，它是由指引机车车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的轮对沿线路行进或转入另一条线路的转辙器部分、使轮对能顺利地通过 两条线路钢轨的连接点而形成的辙叉的连接部分以及岔枕和连接零件等组 成。由于道岔区零部件多而且结构很复杂，因此道岔区钢轨的磨耗比普通 线路上的钢轨更加严重，但是由于道岔区比较长，更换起来很麻烦，因此 就必须要设计一种比较耐磨的道岔来替代以前的。 客运专线为道岔的发展带了时机。为了要达到更高的时速，我们就必 须要改进现有道岔的结构，用更新的设计理念，这样可以更好的解决道岔 区轮轨接触关系，否则随着速度的提高，钢轨的磨耗将加剧，就会有更多 的道岔未达到使用寿命就要下道。以提高旅客舒适度为首要设计目标，在 保证高速行车安全性的前提下，道岔设计均十分重视旅客列车在道岔中的 舒适性，使之能尽量与区间线路相同。德国、法国和日本是高速铁路发展 最前沿的三个国家，他们很早就开始了道岔的研究，而我国铁路道岔和这 几个国家相比，存在的差距是明显的。虽然在秦沈客运专线道岔和遂渝线 的无砟道岔研制过程中，开展了部分理论研究，但其研究成果已不能完整 地指导目前的高速道岔设计。因此，我们必须按照“先进、成熟、经济、 实用、可靠”的技术方针，引进先进技术，联合设计制造，打造中国品牌， 实现我国铁路道岔整体技术的跨越式发展。 1 2 国内外轮轨接触研究现状 轮轨关系问题的研究十分复杂，涉及弹塑性力学、摩擦学、材料学、 有限元理论方法，结构动力学、强度理论、数值方法，如不能很好地将它 们交叉运用在轮轨关系问题的研究，就不能真正地解决轮轨关系问题。而 轮轨接触理论是研究列车运动时轮轨相对运动状态和接触上的作用力的关 系。由于轮轨之间的相对运动量往往是非常小的，所以轮轨接触理论又叫 做轮轨蠕滑理论。轮轨接触是三维的具有很复杂多变的接触边界条件，其 研究基础是接触理论和滚动接触理论。研究牵引力和制动力离不开轮轨接 触；研究滚动接触时的蠕滑，应将轮和轨作为弹性体，考虑其接触变形、 剥离、擦伤等各种损伤，这些与轮轨接触同样也分不开：在车轮踏面设计、 轴重选择、轮径选择等研究课题中，轮轨接触应力是必须要考虑的一个因 素；研究钢轨，除了考虑它作为梁而产生的弯曲应力外，还应考虑接触应 力。轮轨接触是轮轨作用的具体表现，轮轨相互作用问题即轮轨关系问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 所在。就是因为这个原因，轮轨接触问题现在仍然是全世界研究的一个重 大的铁路运输课题。国内外对这方面做了非常多的研究，也得到了很多的 结果，下面将会给出介绍。 1 2 1 国外轮轨接触研究现状 列车飞驰在轨道上，车轮与钢轨之间的相互作用是列车前进的动力， 是保障列车行车的基础，也是噪音的主要来源【伸】，并且产生了各种各样的 现象，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 轮轨接触产生的各种现象图 在国外对于轮轨相互作用的研究很早就开始了，而分析轮轨之间相互 作用的关键在于了解轮轨之间的的作用力，这种接触应力只能通过测试车 轮和钢轨出现的应变或列车加速度来简单估算。国外测试接触是用现有的 列车一轨道来进行的，车轮是处于滚动而非静止状态，通过反复的试验， 摸索确定一个动态系数，用它乘以所测出的静负载来预测接触应力。较为 精确的方法是根据车轮的踏面和钢轨轨头的粗糙程度来定量估测列车在轨 道上的接触应力大小，而这样需要预先确定频率范围。 测定轮轨接触力是测量工作的第一步，关键还在于搞清楚接触应力的 分布情况。尤其是轮轨接触应力的空间立体分布。采用现有的技术无法模 拟行驶中的列车一钢轨的接触应力，工程技术人员只能用数字进行估算。 1 8 8 2 年，赫兹首次提出这方面的理论。他指出：“两个接触面之间的 接触区域是椭圆形的”。按照这个理论，可以设计出一种简单而又快捷的“接 触应力分布计算法”。然而这种计算方法的假设条件是否适用于铁路轮轨系 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 统却值得怀疑，因为在产生高接触应力的情况下必须考虑轮一轨接触区内 的塑性变形，因而必需采用耗费大量时间的数字模拟法( 即有限元法) 来估 算。 轮轨间的相互作用只有开始时才发生塑性变形，其后由于材料的逐步 硬化并在车轮( 与钢轨) 中形成残留内应力，从而产生弹性响应。然而当列车 行驶在急转弯之类极端情况下时，也可能多次发生塑性变形，并在短期内 发展成裂纹。迄今已有许多能用于分析轮轨接触面上接触应力分布的计算 方法。具体采取什么计算方法取决于人们对接触应力的考虑深度和广度。 一般来说，如只想进行轮一轨动力学分析，只要用简化算法即可；如想继 续分析一下金属疲劳和磨损程度，则必须详细分析轮轨接触区应力的分布 情况。 群螺帮荔 ；了b t 爆枣零守睁| ： ：，l 纛爆! ，褫 i豢溅黼黼暖髫携獠餮 ； ；缀臻声鸳 一一麓 图1 2 塑性变形产生裂纹在液体内压力作用下扩展图 轮轨间的相互摩擦会磨损车轮与钢轨。具体的磨损值用轮廓仪可以直 接测出。车轮和钢轨的相互作用和相应的磨损会在车轮踏面和轨头上形成 周期性磨损。久而久之，引起车轮在钢轨上“颠簸”与“跳跃”式运动，从而加 剧轮和轨之间的磨损，就会产生“皱纹”，并使车轮逐渐从开始时圆柱体变 成多面体，如不及时维修，便势必导致车轮进一步磨损。此外由于摩擦生 热，导致轮轨表面温度升高，从而形成局部高温区，接着冷却，以致在轮 轨表面层形成易碎的马氏体【1 9 1 ，当这种体承受重负荷时，便会塌陷脱落， 进而加剧钢轨的破坏速度。不良的轮轨接触几何面形状会在车轮和轨道表 面层下产生高应力，使得在二者的表面产生裂纹。如再存在材料缺陷，就 往往会在局部产生高度集中的应力，进而形成深层裂纹。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 上述虽然得到了轮轨接触应力的大小、分布和影响因素，但是我们要 提高速度，就要从根本上解决该问题。增大货车轴重是提高铁路生产效率 的一条重要途径，但同时增加了线路的维修工作量。解决途径主要有：采 用新技术降低轮轨接触应力；加强轨道结构以承受更大的应力或冲击。而 通常降低轮轨接触应力状态的方法有4 种：降低稳态轮轨横向力；降低竖 向力；降低轮轨接触应力；降低车辆动力作用。 降低以上一个或几个变量均可降低轮轨接触斑的能量输入1 2 训，相应减 少轨道磨耗，图1 3 给出了改善车辆动力性能和加强轨道结构在降低轮轨接 触作用力的对比。 图1 3 降低车辆动力作用或加强轨道结构才能降低轨道应力图 研究实验表明，采取以下措施可以降低轮轨接触应力：尽量采用具有 优良悬挂特性的转向架；研究并采用钢轨顶部润滑技术；改进钢轨和车轮 外形维修方法；加速配电监控网络以监测高动力作用的车辆；开发运用基 于车辆运行状态的轨道几何形位检测系统：采用经优化的转向架部件和检 修方式；加速研究更耐用的心盘的润滑剂和润滑技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 4 基于车辆运行状态的轨道几何形位检测系统图 1 2 2 国内轮轨接触研究现状 而在国内金学松等【3 4 j 根据变分和应力虚功的概念推导一般有限弹性 体接触问题的余虚功原理，并分析其在轮轨接触中的应用。金学松、张卫 华等【35 j 应用k a l k e r “完全理论”和c o n t a c t 程序研究了轮轨滚动接触中 横向运动对蠕滑力的影响。金学松等【36 j 应用c o n t a c t 程序计算了轮轨三 维非赫兹滚动接触问题，编制了相应的蠕滑率力t p l r 数表。王喜成和俞 展酞【57 j 用c o n t a c t 程序计算了接触区的摩擦功。k a l k e r 的“完全理论” 和c o n t a c t 程序是当今国内外最有代表性的三维弹性滚动接触理论。就 其确定轮轨接触斑形状和大小，正压力和蠕滑率等参数来看，c o n t a c t 程序有相当的精确度。但是k a l k e r 的“完全理论”和c o n t a c t 程序并非 绝对意义上的完全理论，它仍具有其不可避免的弱点。对于真实的轮缘接 触、两点接触或多点接触的情况弹性半空间假设并非完全成立，有时可能 存在较大的误差。 1 。2 3 轮轨关系在道岔设计中的作用 道岔与一般线路的主要区别就是在于其复杂的走行线路转换和多变的 轮轨接触几何关系。在以往的研究中，轮轨接触状态处理为与一般线路一 致的单点接触问题来完成，这显然与实际的轮轨接触有很大的差异，而且 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 复杂的车轮和道岔的接触几何关系是道岔区轮轨相互作用的本质特征，如 果忽略或者简化其求解方法必然影响到研究结果的准确性。 事实上，当车轮进入转辙器区到离开辙叉区这段，轮轨接触状态不断 的发生着改变。在道岔区的转辙器部位和辙叉部位，车轮和道岔的接触状 态主要有四种：车轮与基本轨踏面一点接触；车轮与同一股钢轨同时 发生踏面接触和轮缘接触的两点接触；三点接触，这种接触是前两种接 触状态的组合；车轮分别与同侧并列的两股钢轨同时接触，即一接触点 在基本轨上而另一接触点在尖轨上，或者一接触点在翼轨上而另一接触点 在心轨上，简称“两点接触 。 就拿组合辙叉为例，每一轮对从道岔前端进入转辙区，然后完全滚动 上导曲线这一过程中，轮轨间接触状态是从一点接触到两点接触再到一点 接触的变化。具体地说，当车轮踏面与基本轨接触且即将与尖轨接触之前， 轮轨间应为一点接触，此时车轮与尖轨间弹性压缩量为零，轮轨的法向作 用力完全由车轮与基本轨接触点提供；当轮对从两点接触变化到一点接触 后，轮轨的法向作用力则完全由车轮与尖轨接触点提供；在这两种状态之 间一般为两点接触，即基本轨和尖轨共同承载，且当车轮与两股钢轨间的 弹性压缩量完全一致时，轮轨力在这两股钢轨上平均分配。当车轮从辙叉 咽喉进入辙叉区时，翼轨和车轮发生的是一点接触；车轮继续前进到了心 轨项宽为2 0 m m 时，心轨开始受力的作用，轮轨从发生一点接触过渡到了 两点接触，即心轨和轮缘的接触与翼轨和车轮踏面的接触；而到了心轨顶 宽5 0 m m 时，轮轨间又回到了一点接触，心轨承担所有车轮传下来的力， 翼轨基本不受力。 根据上述可知，道岔区的轮轨接触状态不断的在发生着改变，心轨、 翼轨及基本轨上所受的接触压力也因此发生了重新分配。要设计一组道岔， 我们就必须要了解道岔区的力的分配和变化规律，还有接触状态，以便我 们可以得出道岔的哪些地方是薄弱环节需要加强，并使用什么材料来加强 来满足要求，而哪些地方可以简化，只有这样才能更好的设计出一组好的 道岔。因此本文选择了辙叉区作为轮轨接触研究对象，以便更好的了解该 段的轮轨接触应力状态，为设计合理的道岔提供一定的理论依据。 1 3 本课题的研究内容、方法及现实意义 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 1 本文的研究意义 本文主要研究的是辙叉区的轮轨接触的问题。辙又是使车轮由一股钢 轨越过另一股钢轨的设备。目前我国铁路线路辙叉大多数使用的是9 2 型的 高锰钢整铸辙叉和普通钢轨拼装式辙叉p 们。高锰钢辙叉虽然整体性好、易 于成型、韧性好和加工硬化等特点，但其初期硬度低( 1 7 0 - - 一2 2 9 h b ) ，铸造 后不可避免的出现疏松缩孔以及与高碳钢轨的焊接难度大等不足，导致了 整体强度降低，质量不易控制，使用寿命离散度大( 最少通过量不到3 0 0 0 万吨，最高不超过3 亿吨) ，平均使用寿命约1 5 亿吨，并且维修成本高， 安全隐患大，现场无法进行探伤；而钢轨拼装式辙叉由于心轨和翼轨都使 用的是p d 3 钢，能与区间钢轨进行焊接，但其机械性能较差，特别是室温 冲击韧性更差，在使用过程中，心轨2 0 - - 5 0 m m 断面和咽喉部分的翼轨受 到来自列车荷载的冲击力，使得该段钢轨很早就磨耗到限和剥落掉块，最 后辙叉下道。 然而我国铁路要满足高速重载的要求，这无疑是一种挑战，因此我们 就必须要找一种更好的辙叉替代高锰钢辙叉和钢轨拼装式组合辙叉。 近年来，随着高强度、高硬度、高耐磨性的奥贝氏体钢的研发成功， 它的硬度达到3 8 4 2 h r c ，抗拉强度o b 1 3 0 0 舰，冲击韧性 a c u 7 0 j c ，用奥贝氏体钢制成的叉心、普通钢制成的翼轨和叉跟轨组 合而成的新型组合辙叉，因使用寿命长，年通过能力至少能在2 亿吨，可 与道岔前后钢轨焊接而逐渐在推广应用。 然而经过现场调研，心轨是达到了预期的效果，比较完整基本没有什 么伤损，可是翼轨的破坏非常厉害，如图1 5 所示，主要就是由于翼轨使用 的钢材是普通钢，材质较软，而心轨比较硬，这样一硬一软，没有满足道 岔区要求的刚度匹配的要求。本文就是针对这种现象对组合辙叉区进行了 比较详细的轮轨接触应力分析，主要为了得到翼轨上的接触压力以及有可 能破坏的范围，以便为翼轨的更换提供一定的依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 5 合金钢组合辙叉磨耗图 1 3 2 本文的研究内容和方法 依据上述原因，本文基于有限元理论建立了合金钢组合辙叉实体模型， 并采用a n s y s 力学分析软件中的接触摩擦单元对辙又的心轨和翼轨部分 的轮轨接触进行了模拟。在辙叉区咽喉部位轮轨间只发生“一点接触 ，只 有翼轨承受来自车轮的力；而到了心轨顶宽2 0 m m 截面时，轮轨发生了“两 点接触”，心轨和翼轨共同受力；到了5 0 m m 截面时，翼轨不承受力的作用， 力由心轨单独承受，因此本文选取了咽喉、心轨顶宽2 0 m m 、3 0 m m 、5 0 m m 四个具有代表性的截面来进行力学分析。提取了钢轨的接触压力来进行具 体的力学分析，通过改变钢轨和车轮的摩擦系数、轴重、基底的横向和竖 向刚度，还有改变心轨顶宽2 0 m m 截面的降低值和心轨顶宽5 0 m m 半径来 分析它们对轮轨接触的影响。 通过分析对比得到，改变心轨降低值和改变心轨半径对接触应力影响 最大，其次是轴重、摩擦系数和竖向刚度的影响，而横向刚度影响较小。 心轨除了在项宽5 0 m m 受力非常大之外，基本受力在1 3 7 4 1 7 6 5m p a ，基 本在它的承受范围之内，而翼轨在咽喉至心轨顶宽3 0 m m 这段最大接触压 力值在1 9 6 3 2 1 7 4 m p a ，远超过了它的抗拉极限，这对翼轨正常工作非常 不利，因此需要考虑对翼轨更换材料。最后，建议增大心轨项宽5 0 m m 处 的轮廓半径，还有增大心轨顶宽2 0 m m 的降低值，这样可以减小接触压力 值，将咽喉至心轨顶宽3 0 m m 段的翼轨用奥贝氏体钢替代，这样可以减小 翼轨的磨耗，延长辙叉的使用寿命，这样非常有利。但是我们必须要了解 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 合金钢组合辙叉这种结构，在下面一章将会主要就介绍合金钢组合辙叉这 种结构的发展以及在实际过程中的优缺点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 第2 章无缝道岔结构 跨区间无缝线路是与高速重载铁路相适应的轨道结构，是提速重载道 岔必须采用的关键技术，是普通无缝线路的进一步的发展。在下面章节将 主要介绍跨区间无缝线路的推广应用和意义。 2 1 跨区间无缝线路的意义及其推广应用 现代铁路为实现重载、高速而采取的改善轨道结构的最佳措施，当属 扩大无缝线路的应用。随着全路提速工作的深入和重载的发展，对线路平 顺性的要求越来越高，接头病害不解决，对运输质量和经济效益都将造成 严重的影响。无缝线路是把标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，可以 解决接头病害的问题。 无缝线路的长钢轨，从理论上讲，可以无限长，实际上普通无缝线路 轨条长度受信号、道岔、特大桥等因素的限制，一般只有l - - 2 k m ，但是随 着钢轨胶接绝缘接头和无缝道岔这两项关键技术的发展，跨越闭塞分区的 区间无缝线路，以及跨越车站的跨区间无缝线路得以实现，消除了普通无 缝线路接头造成的“记忆病害 ，可以大幅度的提高轨道的平顺性。但是铺 设跨区间无缝线路有着非常严格的技术要求：稳固的基础和道床；先 进的施工技术；平顺的轨道几何形状。这些要求必须要一步到位，这样 才能保证在竣工之后即按设计速度运行。秦沈客运专线新建铁路一次铺设 跨区间无缝线路的成功，标志着我国铁路无缝线路的发展进入一个新的时 代。 跨区间无缝线路优点是非常明显的：无缝线路的长轨条贯通区间，并 与车站道岔焊连，取消了缓冲区，彻底的实现了线路的无缝化，全面提高 了线路的平顺性与整体强度；取消了缓冲区，轨道部件的损耗和维修工作 量进一步减少；钢轨接头的消灭，进一步改善了列车运行条件；伸缩区和 固定区交界处因温度循环而产生的温度力峰以及伸缩区过量伸缩不能复位 而产生的温度力峰，都由于伸缩区的消失而消失了。 跨区间无缝线路还是在完善了桥上无缝线路、高强度胶接绝缘接头、 无缝道岔等多项技术以后，把闭塞区间的绝缘接头乃至整区间甚至几个区 间( 包括道岔、桥梁、隧道等) 都焊接( 或胶接、冻结) 在一起，取消缓冲区 的无缝线路，是与高速重载相适应的轨道结构。跨区间无缝线路中无缝道 岔的技术的发展，成为提速道岔的发展的必然趋势，但是现有铁路中的道 岔要实现无缝化，还存在很多的问题，在下面将会给予介绍。 2 2 无缝道岔存在的问题 无缝道岔是跨区间无缝线路的一项关键技术，是跨区间无缝线路重要 的技术难点之一。无缝道岔是将道岔内所有的钢轨接头焊接、胶接或者冻 结起来，并在道岔两端与无缝线路长轨条焊在一起，当实际轨温相对于锁 定轨温变化时，道岔区钢轨的受力和变形是非常复杂的，如图1 所示，但 是道岔基本轨温度力是自行平衡的，而道岔里股钢轨则只在一端承受温度 力该，该力将使道岔里股钢轨产生伸缩位移，同时又通过辙跟结构、岔枕 的弯曲刚度、钢轨扣件的阻矩把一部分力传给基本轨，最终形成基本轨的 附加温度j - 1 3 8 1 。 或一 只4 - 囊 一 置 只 图2 1 无缝道岔承受温度力不意图 由于无缝道岔要与无缝线路长轨条焊在一起，因此就必须要考虑道岔 与区间线路钢轨的可焊性，这样才能把道岔承受巨大的温度力传递给区间 线路的同时，还要保证道岔本身的安全性。 目前我国铁路上使用的无缝道岔大多数使用的是高锰钢整铸辙叉和钢 轨拼装式组合辙叉的单开道岔。高锰钢整铸辙叉本身由于机械性能差，抗 拉强度仅有7 3 5 8 0 0 m p a ，表面硬度约为h b l 7 0 - - 2 3 0 ，并且存在各种铸 造原因导致质量不易控制，整体强度降低，使用寿命离散度大，平均使用 寿命约1 5 亿吨，加上可焊性差，很难与区间钢轨焊接；而钢轨拼装式组合 辙又是用钢轨和其他零件刨切拼装而成的，结构复杂、病害多养护维修量 大，加上使用的是普通p d 3 钢，虽然能与区间钢轨进行焊接连接，但是机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 械性能差，特别是室温冲击韧性近为9 8 j e m 2 ，在使用过程中，心轨2 0 - - - , 5 0 r a m 断面受到来自列车荷载的强烈冲击，导致心轨较早的出现了压塌和剥 离掉落，导致这种辙叉很早下道，因此这两种道岔不适合用于无缝道岔； 而可动心轨辙叉可焊性好，整体强度也高，但是可动心造价比一般的道岔 要高很多，一般用于高速线路上，而提速线路使用的比较少，因此我们就 必须要找出一种更好的辙叉来适用于无缝道岔中，而合金钢组合辙叉则正 好能满足无缝道岔的要求。 而在下小节将具体介绍合金钢组合这种辙叉。 2 3 合金钢组合辙叉 要实现道岔的无缝化，道岔就必须要有良好的可焊性还要较高的强度。 随着高强度的奥贝氏体钢的成功研制，并且用它制造出的合金钢组合 辙叉通过能力高、强度高，与区间可焊性好，已经慢慢代替了高锰钢整铸 辙叉和钢轨拼装式组合辙又，并且效果很好，但是也出现一些新的问题。 在下面的小节将会详细的介绍。 2 3 1 合金钢组合辙叉结构 合金钢组合辙叉是由抗拉强度c r 6 1 2 4 0 m p a 的奥贝氏体钢制造的心 轨、仃6 9 8 0 m p a 的钢轨的叉跟轨、翼轨组成，采用间隔铁、m 2 7 高强度的 螺栓，n s 防松螺母联结，辙叉下设钢垫板，轨下设功能纳米复合材料橡胶 垫板。它的心轨上部为菱形结构，尖端尺寸与高锰钢整铸辙叉相同，在其 跟端自1 0 5 断面处开始与叉跟轨相连，辙叉工作面l ：5 斜度在叉跟轨弯折处 过渡到1 ：2 0 ，它的布置图和细部尺寸图如附图1 、2 所示。 合金钢组合辙叉虽然解决了高锰钢整铸辙叉和钢轨拼装组合辙叉的问 题，但是由它本身的缺陷，导致在使用过程中又出现了新的问题，在下小 节将介绍。 2 3 2 合金钢组合辙叉现存问题 合金钢组合辙叉虽然心轨强度很高，可焊性也好，安装维修都很方便， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 但是也由于本身的缺陷也出现了新的很严重的问题。由于翼轨采用的是普 通p d 3 钢，而心轨采用的是奥贝氏体钢，心轨强度高于翼轨，当车轮通过 此时，造成翼轨的撞击破坏比心轨厉害，如图1 5 所示，这对运营非常不利， 这就需要在设计时，要充分考虑翼轨的受力大小及其影响区域，这样才能 用更合适的材料以防出现图1 5 所出现的现象。 根据上述原因，本文使用合金钢组合辙叉实体模型，利用有a n s y s 软 件，建立了轮轨接触有限元模型，对心轨2 0 - - 一5 0 m m 断面和咽喉部位的翼 轨进行了轮轨接触局部应力的有限元分析，这样计算可以得到翼轨在辙叉 区接触压力值的范围及受力影响的区域，以便为翼轨更换更合适的材料提 供一定的理论依据，因此我们就需要了解一些关于轮轨关系和轮轨接触理 论，以便为更好的计算作准备，在下面一章将会给出具体的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章轮轨接触理论 钢轨的磨耗已严重的影响了我国的铁路发展，而钢轨的磨耗主要是由 于轮轨接触的影响。轮轨接触问题是一个较为复杂的高阶非线性问题，非 常复杂，牵涉到摩擦学、接触力学等，轮轨接触还是轨道重点研究课题之 一，在实际过程中一般都需要考虑物体之间的接触摩擦，本文采用了赫兹 局部接触应力分析方法，然后采用了接触摩擦单元来模拟车轮与钢轨之间 的接触问题，在下面章节将会给出具体的介绍。 3 1 接触力学 接触力学是研究可变形固体相互接触时的相互作用状况，所产生的位 移、应变和应力。按照接触区相对大小划分，接触现象可分为两类：非共 形接触和共形接触【7 j 。非共形接触也称集中接触，是指两种接触体表面最初 在一个点或一条线首先接触。在加载过程中逐渐产生“接触区”，它的大小 相对于两接触体的任何局部尺寸来说都一直保持为很小，而共形接触则是 指没有明显接触区的情况。 而h e r t z 解是对于几何形状规则弹性体的无摩擦的非共形接触问题的 最好的解析解。在h e r t z 假定了两弹性球体圆形接触面上的正压力分布，得 到了满足所有条件的解，并推广到表面光滑的两弹性体接触的一般情况。 这时在一定简化条件下，接触是呈椭圆形，不过应该注意到接触现象是发 生在两接触物体的接触表面，因此一定会存在摩擦力。然而考虑摩擦力的 接触力学问题的研究要复杂得多，通常使用的摩擦定律是c o u l o m b 定律。 然而如果需要精确确定接触区及其应力状态时，必须使用有限差分、有限 元或者边界元等数值方法，这时不必对几何形状做任何假设，可以完全按 照真实工况做计算。 下面就来简单介绍了一下经典接触力学理论一h e r t z 理论。在随后的章 节中将对有限元理论加以介绍，由于本文主要利用a n s y s 来分析，因此对 a n s y s 中关于接触的问题进行了比较详细的介绍。 3 2 两弹性体接触的赫兹理论 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 接触理论的创始人是h e r t zh e i n r i c h 7 ，1 8 8 2 年他在德国一家杂志上发 表了一篇具有开创性的论文论弹性固体的接触。他对接触问题的研究起 因于对玻璃间光学干涉的实验。他在研究轴线成4 5 0 的圆柱形透镜相互作用 所发生的弹性变形是否对干涉条纹影响时，提出了椭圆斑的假设。在考虑 弹性物体椭圆接触斑上的压力分布和法向弹性变形时，认为弹性力学问题 与静电势问题相似，注意到导体表面的椭圆接触斑上，电荷密度按椭球的 高度变化，电荷引起电位呈抛物面形状变化。通过类比，认为弹性接触斑 上的压力分布形状是半椭球状的，法向弹性变形是抛物面状的。理论中也 系统地阐述了物体表面由于压力所引起的法向弹性位移所必须满足的几何 条件。为了计算局部变形，进行了如下简化：接触物体被看作弹性无限半 空间，接触载荷仅仅作用在平表面上的一个小的椭圆区域内，接触区附近 的应力分布是高度集中的，并和物体接触区附近的几何尺寸有关。这就要 求接触几何尺寸远小于物体的几何特征尺寸和接触区附近的曲率半径，物 体之间形成非共形接触表面。h e r t z 在研究中又假设表面是光滑的，无摩擦 效应，接触物体的接触表面仅传递法向力。 考虑任意两弹性体i 、的接触，设弹性体i 、在接触点处的主曲 率半径分别为冠、冠和足、足，如图3 1 。 o o l 图3 1 两弹性体接触图 当没有压力作用时，两球体仅在一点o 接触。设两弹性体表面上距公共 法线为，的m 点及鸠点，距公共切面的距离分别为z l 和z 2 。只要两弹性 体在接触点附近的表面均为平滑曲面，则该处的表面总可以近似地用下列 两个二次方程来表示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 幻囊1 ：2 7 x y + 凡y - ，( 3 - 1 ) i z 2 = 口l x 2 + b 2 x y + b 3 y 2 于是m 与m ，之间的距离为 z l + z 2 = ( 彳l + b o x 2 + ( a 2 + b 2 ) x y + ( a 3 + b 3 ) y 2( 3 2 ) 由解析几何知，总可以选择，x 和y 轴的方向，使得上式中的x y 项消 失。这样，就简化为 z l + 9 2 = a x 2 + b y 2 ( 3 3 ) 其中的a 和b 具有相同的符号，它们的数值取决于二曲面的主曲率大小以 及二曲面的主曲率平面所成的角度。 彳+ b ：! ( 上+ 上+ 一1 + 上) b 一彳：至f 芒姜f ：- ( 姜二去) 2 + 2 ( 去一寺) ( 去一去) s y 1 2 ( 3 4 )b 一彳= 兰l ( 去一寺) 2 + ( 去一去) 2 + 2 ( 去一寺) ( 去一去) c o s yl z 。j v 式中沙表示二曲面主曲率平面尺t 方向和r ：方向所成的角度。 因为z i + z 2 方向总是正的，而4 和召又具有相同的符号，所以彳和曰都 将是正的。于是由( 3 3 ) 式可见，凡是z - + z 2 相同的所有各点都在同一个椭圆 上。这就说明，两弹性体的接触面将具有椭圆边界。 当两弹性体以某力尸相压时，在接触点附近将发生局部变形而出现一 个边界为椭圆的接触面。由于接触面的边界半径总是远小于主曲率半径， 故可用半空间体在边界上受法向分布力解的成果来分析此种局部变形。命 m t 沿z t 方向的位移及尬沿z ，方向因变形而发生的的位移分别为劬及鸱， 也就是，在与两物体趋近的距离为口，则m i 与m ，之间距离的缩短为 口一( w l + w ) 。这里所谓“距0 较远处”，是指该处的变形已经可以略去不计。 假定在发生局部变形后，m 与m ，成为接触面上的同二点m ，则由几何关 系有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 即 将( 3 3 ) 式代入上式，得到 口一( + w 2 ) = z l + z 2 w l + w 2 = 口一( z l + z 0 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) w t + w 2 = 口一a x 2 一b y 2( 3 - 7 ) 另外，当半空间体在边界上受法向集中力时，水平边界上的任意一点 铅直位移的解可由( 3 8 ) 得到 普+ 普 ，伴r p 8 ， 式中出接触面上距m 点为，的任一微分面积 g 微分面积处的压力 于是由( 3 7 ) 、( 3 - 8 ) 两式得 ( 向+ 乞) ，_ q d s = 口一血2 一缈2 ( 3 - 9 ) 式中毛：弩，乞：警 - ：刀厶， 赫兹证明，如果在接触面上的椭圆边界上作半椭球面，而用它在各点 的高度代表g 在各点的大小，则( 3 9 ) 式可以满足，最大压力p 。发生在接触 面的中心o ，半椭球体的体积等于总的压力p ，即得 3p p 萨丽( 3 - 1 0 ) d 它等