不同轨底坡设置对钢轨轨头受力影响分析

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摘要：为研究我国重载铁路钢轨轨底坡对钢轨轨头受力的影响，本文结合我国国内重载铁路两种不同轨底坡（1：20和1：40）的设置情况，采用ANSYS有限元计算分析软件建立轮轨接触模型，对钢轨轨头受力做了简单的受力计算分析。得到不同轨底坡设置对轨头接触应力变化的影响规律，以供大家学习参考之用。

关键词：轮轨接触应力；踏面；轨底坡

Abstract: For the study of China's heavy rail bottom slope on the rail head stress influence, this paper unifies our country domestic heavy haul railway two different rail base slope ( 1:20 and 1:40 ) set of circumstances, by using ANSYS finite element analysis software to establish the wheel-rail contact model, the rail head force made simple stress analysis. Get different rail bottom slope on the rail head contact stress variation law, to study for reference use.

Key words: wheel rail contact stress; tread; rail base slope

中图分类号：F530.33文献标识码：A

由于车轮踏面与钢轨顶面主要接触区域具有一定锥度，为使钢轨轴心受力，减小附加横向弯矩，钢轨应有一个向内的倾斜度，此即形成轨底坡。钢轨轨底坡的合理设置，可使轮轨接触集中在轨顶中部，提高钢轨的横向稳定能力，减轻轨头不均匀磨耗，同时也有利于减小轨头塑性变形，延长使用寿命。轮轨接触应力的计算则是研究轮轨关系的基础。它是进一步研究车轮在轨道上的运行性能及轮轨表面损伤等问题的理论依据。不同的轮轨关系对轨头的受力方式有着及其重要的影响。从理论上讲，轨底坡的大小应与轮踏面的斜度相同，即1:20。世界各国钢轨轨底坡的取值不尽相同，欧洲大部分国家、澳大利亚、东南亚、香港等国家和地区按UIC标准采用1／20的轨底坡，这是因为他们的车轮大多采用了1／20的锥型踏面或接近1／20的磨耗型踏面，日本、美国等国采用了1／40轨底坡，也有个别国家(瑞典)采用1／30轨底坡。我国铁路在1965年以前，轨底坡定为1:20。但在机车车辆的动力作用下，轨道发生弹性挤开等因素，实际轨底坡与原设计轨底坡有较大的出入。另外车轮踏面经过一段时间的磨耗后，原来1:20的斜面也接近1:40的坡度。所以1965年以后，我国铁路的轨底坡统一改为1:40。主要是由于①当时的轨道结构标准较低，采用钩头道钉扣压钢轨，经过一段时期的运营后，钢轨动态翻转较普遍，使钢轨内扣道钉浮起，实际轨底坡变小，接近1／40；②车轮踏面经过一定时间的磨耗后，原1／20踏面锥度接近1／40。本文对我国铁路（重载）目前轨底坡分别采用1:20和1：40两种不同轨底坡时的钢轨轨头部分受力进行有限元计算分析。

1、计算模型概况：

（1）钢轨采用标准75Kg/m轨；

（2）车轮踏面采用JM3型踏面；

（3）车轮内背距轨距测点取41mm；

2、计算模型的建立：

（1）按照机车轮对和轨道的实际尺寸建立计算模型。我闰货车标准轮径为840 mm，内燃机车标准轮为l 050 mm，分别对两种轮径建立模型并做了计算。模型中，车轮选择TB锥形踏面以及IM磨耗形踏面，轨道选择75 kg／m标准钢轨，由于结构和载荷都是对称的，建模时只取轮对的一半，轨道也只取单侧。对于单侧车轮，其结构和载荷也是对称的，所以为节省计算资源只选l／2车轮进行建模和分析，在后处理当中再进行扩展得到整个结构的结果。在l／2车轮的对称位置对所有节点采用称约束边界条件。因主要对轨头部位进行受力分析，考虑其对称性，建立对称模型；

（2）其接触斑较小，故车轮模型只取其圆心角10度的车轮建立模型；

（3）钢轨取20cm长度建立模型；

3、计算参数的选取：

（1）轴重按28t计；

（2）动力系数按2计；

（3）横向力按7t计；

（4）钢轨弹性模量取为2.1*105MPa；

（5）钢轨的泊松比取为0.3；

（6）轮轨间摩擦系数取为0.2；

4、ANSYS模型网格划分

主要对轮轨接触部位进行加密处理，以使其模拟尽可能接近现实，同时考虑尽量节省计算能力的原则，对钢轨底部及车轮中心部位网格进行适当加大。

5、两种不同轨底坡变形图：

经ANSYS有限元计算软件计算在其它参数相同的条件下，两种不同轨底坡（1：20和1：40）钢轨轨头受力变形情况如图1及图2所示。

图1轨底坡为1：20变形图 图2轨底坡为1：40变形图

6、两种不同轨底坡应力图：

经ANSYS有限元计算软件计算在其它参数相同的条件下，两种不同轨底坡（1：20和1：40）钢轨轨头应力云图如图3及图4所示。

图3轨底坡为1：20应力图 图4轨底坡为1：40应力图

7、钢轨轨头受力结果分析

由图1～图4可以看出：

（1）随着轨底坡的加大，轮轨接触斑沿轨头逐渐外移至钢轨断面的中轴外侧。

（2）随着轨底坡的加大，轮轨接触应力增大。轨底坡为1：20时较轨底坡为1：40时轮轨接触应力增大约10% 。

8、动态响应分析

轨底坡的取值影响到轮轨接触点的位置，改变轮轨接触参数，使得轮轨动态接触行为发生变化，车辆的动力学响应随之发生改变。当轨底坡由1／40改为1／20后，圆曲线上轮对横移量由7．3 mm变为6．5 mm，轮对横移量的减小由轮对重力刚度增大所致，轮对冲角、轮轨横向力的减小亦和轮对重力刚度的增大有关，并均有所减小，提高了轮对蠕滑导向的能力；轨底坡的增大对减小曲线钢轨的磨耗起到积极作用。与此同时，轮轨接触斑面积有所增大降低了接触应力，减少了轮轨接触疲劳损伤。

9、结束语

轮轨接触应力较为复杂，不同的轨对踏面及不同的钢轨轨头断面都对轮轨接触应力有很大影响。本文针对国内重载铁路1：20及1：40两种不同的轨底坡设置对轨头应力的影响做了简单静态计算分析，其中做了部分假定，简单地计算了在两种不同轨底坡的设置情况下钢轨轨头的受力情况，为今后的工作积累一定的经验。

佐藤吉彥，新轨道力学[M].北京：中国铁道出版社，2001.

莫培杰，轮轨接触应力分析[J]. 北京：国外铁道车辆.1983(06).

俞展猷，轮轨接触应力的研究[J]. 北京：铁道学报.1988(04).

程育仁，轮轨接触应力及其有关问题[J]. 北京：铁道标准设计.1983(02).