重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究

JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.33　No.3March2011

文章编号:1001-8360(2011)03-0028-07

重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究

李　霞,　温泽峰,　金学松

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都　610031)

摘　要:基于车辆动力学、非Hertz轮轨滚动接触理论和Archard磨损模型建立车轮磨耗预测模型。利用该模型和安定图对重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳性能进行定性分析。在数值计算中,主要考察轴重为25t和30t货车的车轮硬度对车轮磨耗和滚动接触疲劳性能的影响。研究表明,轮轨间高应力水平的出现频次、车轮磨耗和疲劳破坏的几率随着轴重的增加而增大;随着硬度的增加,车轮磨耗和疲劳破坏现象得到改善。结合国外重载铁路轮轨匹配经验,建议轴重为30t车轮的硬度大于340HB。关键词:重载铁路;车轮;轴重;磨耗;疲劳;硬度

中图分类号:U211.5　　文献标识码:A　　doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2011.03.005

InvestigationintoWheelWearandFatigue

ofHeavy-haulRailways

LIXia,　WENZe-feng,　JINXue-song

(StateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:Thewheelwearpredictionmodelwasbuilt,inwhichthevehicledynamicsmodel,thenon-HertzianrollingcontacttheoryofwheelandrailsystemsandtheArchardwheelmaterialwearmodelwerecombined.Thewearandrollingcontactfatigueoftheheavy-haulrailwaywheelwereanalyzedqualitativelybyusingthewheelwearpredictionmodelandshakedowndiagram.Theinfluenceofhardnessonwheelwearandfatigue

wereinvestigatedunder25tand30taxleloads.Theresultsindicateasfollows:Theoccurrencefrequencyofthehighcontactstresslevelandthefailureprobabilityofwheelwearandfatiguearehigherunderthe30taxleloadthanunderthe25taxleloads;thedamageduetowheelwearandfatiguecanbealleviatedbyincreaseofthematerialhardness.Itisrecommendedthatunderthe30taxleloadthesurfacematerialhardnessofthewheelsshouldbeabove340HB.

Keywords:heavy-haulrailway;wheel;axleload;wear;fatigue;hardness　　为进一步提高重载货运能力,我国已成功开发并运行轴重为25t的转K5型(摆动式)和转K6型(侧架交叉支撑)转向架,目前正在研发轴重为25t的货车转向架。随着列车轴重和车速的提高,轮轨间的动力作用增加,轮轨磨耗和滚动接触疲劳现象随之加剧。车轮磨耗和滚动接触疲劳都是十分复杂的问题,其研究涉及多个学科,如固体接触力学、滚动接触理论、结构动力学、计算方法、材料学、摩擦学、传热学等。为改

收稿日期:2009-08-17;修回日期:2009-12-28

基金项目:四川省青年科技基金(08ZQ026-021);

教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-08-0824);高等学校博士学科点专项科研基金(20060613020)

作者简介:李霞(1986—),女,重庆人,博士研究生。E-mail:xiali200341@126.com

善车辆动力学性能,减少轮轨间的磨耗和疲劳等问题,国内外学者进行大量研究。许多学者基于车辆轨道动

力学、轮轨接触力学和材料摩擦学建立车轮磨耗仿真模型,并以此对不同线路条件下车轮型面的磨耗演化

[1-5]

规律展开研究。文献[6]指出,轮轨接触应力、轮轨接触几何关系和轴重是影响重载铁路轮轨磨耗的主要因素。文献[7]对重载列车车辆轮轨作用力进行研究,通过理论计算和试验,研究不同轴重、不同踏面外形、不同钢轨外形对轮轨接触应力和轮轨磨耗的影响。文献[8]基于等效应力建立车轮滚动接触疲劳模型,并利用该模型详细分析法向力、轮径、残余应力等对车轮疲劳寿命的影响。文献[9-10]利用安定图对车轮产生滚动接触疲劳的可能性进行估计。还有一些研究者借第3期重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究　

[18]

29

助于有限元法对疲劳裂纹的产生和发展进行研究[11-13]。文献[14-16]通过试验研究轮轨磨耗和滚动接触疲劳的耦合关系,并提出相应的预防措施。现场调查发现,大秦铁路C76和C80型货车上使用的CL60和ZL-B车轮相继出现严重的辗边、剥离和踏面磨耗等问题,表现出车轮硬度不足,尤其是在轴重较大或线路条件不好的情况下更为严重

[17]

析轮轨间的滚动接触行为十分理想。该理论在求解轮轨接触问题时,首先将可能接触斑进行离散,然后基于余能原理和序列二次规划进行求解。图2为轮轨可能接触区的矩形网格离散模型。图中,o为坐标原点,x1、x2和x3分别表示轮轨局部接触坐标系的纵向(车轮前进方向)、横向(指向轨道外侧)和法向(垂直指向地平面);Δx1和Δx2分别代表x1和x2方向上网格的大小;I和J为矩形单元的编号;PJ是作用在J单元上的切向力;A(xJ)和B(xI)为接触斑内的任意网格;Ac为可能接触斑的面积。

。因此,本文

利用车轮磨耗预测模型和安定图分析轴重和硬度对车

轮磨耗和滚动接触疲劳破坏的影响。其中,车轮磨耗研究基于文献[4-5]建立的预测模型,它包含3个子模型,即:车辆动力学模型、Kalker的非Hertz轮轨滚动接触模型[18]和Archard磨损模型[19]。最后,本文利用安定图定性地分析车轮发生滚动接触疲劳的可能性。

1　计算模型

1.1　货车动力学模型

本文以C80型货车配置带有下交叉支撑拉杆的转K6型转向架为研究对象。利用SIMPACK软件建立货车系统动力学模型,其模型如图1所示。

为将其应用于车轮磨耗研究,需要对Kalker的模型做适当改进,即考虑车轮磨耗深度对瞬时轮轨滚动接触的影响,将该模型改写为

1pIiAIiJjpJj+[(mm

minC=hJ+w3J-p2Jj

　　hmin)-q]pJ3+WJτ-uJτpJτ

　　　s.tpJ3≥0

pJτ≤bJ

模型中车体、侧架、摇枕和轮对等主要部件均被处

理为刚体。K6转向架的一系悬挂系统采用橡胶垫有效降低簧下质量,并提供纵向和横向定位刚度;二系悬挂采用钢簧支撑,并由斜契提供横向和垂向的摩擦减振;车体和摇枕之间装有常接触弹性旁承,采用平面心盘支撑。模型中,车体考虑6个自由度,摇枕考虑垂向、摇头和侧滚3个自由度,侧架考虑6个自由度,承载鞍考虑1个点头自由度,轮对考虑6个自由度。整个车辆系统共有68个自由度。轨道模型采用集总参数模型。模型中,车轮踏面为LM型踏面,钢轨为CN75轨,轨底坡1∶40。

1.2　轮轨非赫兹滚动接触力学模型

Kalker的三维弹性体非Hertz滚动接触理论是滚动接触理论方面最完善的理论,它突破Hertz接触的条件,其适用范围更广,计算结果更精确,用它来分 x∈Ac

M

m

′

(1)

A0

∑p

J

J3

=P

式中,下标i,j=1,2,3分别代表x1、x2和x3方向;=1,2分别代表x1和x2方向;AIiJj为力和位移之间的影响系数;pIi为接触单元I处作用力密度分量;hJ为第m次磨耗计算时轮轨接触面之间法向间隙在单元J中心处的分量;wm3J为车轮第m次磨耗计算时在x3方向的磨耗深度;hmmin为车轮m次磨耗计算时轮轨接触面的最小法向间隙;q为轮轨在x3方向的接近量(未知);WJ为J单元处轮轨界面相对刚性滑动量;uJτ为轮轨滚动计算过程中在时间步t′时J单元处接触质点对之间的弹性位移差;bJ是J单元中心处Coulomb极限摩擦力;A0为任意矩形接触单元的面积。这些参数详细描述见文献[18]。按照数学规划法求得式(1

′

[18]

m

30

[18]

　铁　　道　　学　　报第33卷

)的解。计算中静、动Coulomb摩擦因数均取0.3。A0=Δx1×Δx2=0.mm2。每一时间步内,可能的接触单元总数M为x1、x2方向接触单元数量Mx1和Mx2之积,即:M=Mx1×Mx2=21×21=441。1.3　车轮材料摩擦磨损模型

车轮磨耗分析中采用滑动磨损模型-Archard磨损模型

[19]

将整个区域划分为4个子区域:弹性状态、弹性安定、

塑性安定和棘轮效应。

计算车轮的磨耗深度。模型中,材料磨耗的

体积与所受法向力、滑动距离成正比,与材料的强度成反比,用公式表示为

Fn·sVwear=αH

(2)

式中,Vwear为磨耗的体积;α为磨耗系数,其值由单元上的滑动量和正压力决定;H为材料的硬度,MPa;Fn为轮轨法向力;s为滑动距离。根据Archard理论模型,磨耗系数α与接触单元的正压力p和滑动速度vslip密切相关,见图3。图中α在干燥清洁的条件下试验得到。为方便计算,本文对不同区域里的磨耗系数

-4

代以其中间值,即α1=350×10,α2=α4=5×

为便于理解安定图,以图5说明循环载荷作用下接触体的材料局部特性

[20]

。循环载荷作用下接触体

10-4,α3=35×10-4。

的材料局部特性可能处于弹性、弹性安定、塑性安定及棘轮效应4种情况之一。影响这些特性发生相互转化的关键因素是接触载荷的大小、材料硬化特性、残余应

力状态及由于塑性变形引起接触状况的变化等。在循环载荷作用下,当接触体局部最大应力低于材料的屈服极限时,接触体表现为弹性特性,此时它是安全的;当局部最大应力在首次循环作用中超过材料的屈服极

利用车辆动力学模型、轮轨滚动接触分析模型及材料磨损模型,即可得到车轮型面上某一点的磨耗深度,并最终按照磨耗叠加方式和轮轨接触点位置将磨耗量叠加到车轮型面。车轮磨耗计算模型的详细描述见参考文献[5]。

1.4　滚动接触疲劳分析模型

为快速且直观地比较不同运行条件下车轮的滚动接触疲劳特性,采用英国剑桥大学Johnson提出的安定图[20-21]定性地分析车轮滚动接触疲劳发生的机理和可能性,安定图见图4。图中,纵坐标用p0/k表示:p0为最大接触应力,k为纯剪切屈服强度,k=H/(33);横坐标用牵引系数μ表示:牵引系数μ=Fξ+Fη/Fn,其中Fx、Fh分别为纵向蠕滑力和横向蠕滑力,Fn为法向力。安定图根据p0/k和μ的取值,22限时,接触体内产生残余应力,材料的塑性变形导致塑性硬化发生,接触体局部残余应力和塑性硬化的综合使得后续循环载荷的作用呈弹性特性,即弹性安定;当

局部最大应力继续增加,使循环应力-应变曲线始终稳定闭合,即整个应变循环中的塑性应变累积为零,此时称为塑性安定,也称为低周疲劳;若对于每一循环载荷的作用,接触体局部材料出现附加的塑性变形,即应力-应变曲线出现连续的不闭合现象,称为棘轮材料特性,也称为循环蠕变,当塑性应变继续累积,接触体局部部位就出现裂纹。塑性安定和棘轮效应这两种特性往往出现在接触区域内,它们所引起的接触区域损伤占整个接触疲劳损伤的90%以上,是导致接触体表面疲劳裂纹萌生的主要原因。

第3期重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究　

31

2　数值计算与结果分析

在分析计算中,考虑车轮名义滚动半径为420mm;轴重为25t和30t;轨道参数为:1/40轨底坡,1435mm标准轨距,轨道不平顺采用美国5级谱;线路参数为:300m曲线半径,前后直线各120m,缓和曲线100m,圆曲线150m;线路超高为120mm;车辆运行速度为70km/h;车轮材料硬度分别为:280HB、300HB、320HB、340HB和360HB。2.1　接触应力分析

轮轨接触应力是引起轮轨磨耗和疲劳破坏的主要因素。图6给出轴重分别为25t和30t的一位轮对车轮在300m曲线上运行时的最大接触应力统计结果。由图6可见,最大接触应力小于1500MPa时,25t轴重车轮所对应的最大接触应力接触频次比30t轴重高;最大接触应力大于1500MPa时,30t轴重车轮对应的频次明显增多。这说明轮轨之间高应力接触点的频次随着轴重的增加而增大。轴重的增加使得轮轨法向力增加,进而使轮轨接触应力增大。接触应力的增加会加速材料表面的磨损、疲劳及剥离等的产生,从而缩短轮轨材料的使用寿命。

均明显减小,且外轨侧车轮磨耗明显比内轨侧大。硬度为360HB时,外轨侧车轮磨耗约为内轨侧车轮磨耗的2.976倍。25t轴重车轮情况类似,在此略。

图8给出轴重分别为25t和30t的一位轮对2个车轮的磨耗总体积随硬度变化曲线。从图8可见,随着硬度的增加,车轮的磨耗体积呈线性下降。磨耗量呈线性减小的趋势与文献[22]的试验结果一致,由此也说明利用Archard磨耗模型讨论硬度对磨耗的影响是合理的。同一硬度下,30t轴重车轮磨耗比25t轴重车,对于外轨侧车轮,差异则更明显。因此,在增加轴重的同时,应考虑适当加大轮轨硬度以减少轮轨磨耗。

2.3　滚动接触疲劳分析

图9(a)、9(b)分别为25t轴重和30t一位轮对的外轨侧车轮的安定图,车轮硬度为300HB。由图9

2.2　硬度对车轮磨耗的影响

图7(a)、7(b)分别给出轴重为30t的一位轮对2个车轮磨耗量的分布情况及其随硬度变化状况。图中

横坐标为0处表示车轮名义滚动圆所在处。从图7可知,随着硬度的增大,曲线内、外轨侧车轮的磨耗深度

(a)和9(b)可知,随着轴重的增大,安定图的数据点分

布向塑性安定区域和棘轮效应区域靠近,轴重为30t车轮的个别数据点已处于棘轮效应区域内,随着载荷的循环加载,轴重为30t车轮材料更易发生接触疲劳现象。

图10为轴重30t外轨侧车轮的安定图数据点分

32

　铁　　道　　学　　报第33卷

性应变增量进一步累积,则可能导致材料失去韧性而发生破坏。将硬度为320HB和280HB的安定图进行对比,可发现:随着硬度的减小,弹性区域内大量数据点向弹性安定区域移动,这时车轮材料发生高周疲劳的可能性增大。

布情况。图中,车轮硬度分别取280HB、320HB和360HB。当硬度为360HB时,安定图中大部分数据点都处在弹性区域内,少量数据点处于弹性安定区里,因而材料比较安全,不易发生滚动接触疲劳破坏;当车轮硬度为320HB时,弹性安定区域的数据点增多,且部分数据点向塑性安定和棘轮效应区域靠近,这时车轮材料易产生高周疲劳;硬度为280HB时,个别数据点已处在塑性安定和棘轮效应区域内,这时车轮局部区域易发生低周疲劳,当切向载荷继续增加,材料的塑从文献[17]可知,我国目前采用的货车车轮硬度偏小(轮辋表面硬度为270HB～341HB),车轮磨耗

和疲劳破坏严重,因而应适当提高车轮硬度以减缓车轮破坏。车轮硬度的提高能够在一定程度上减小其磨第3期重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究

dapest,1996:196-206.

33

耗和疲劳破坏,但如果其硬度太高,则会使得轮辋处萌

生的微裂纹难以磨去,增加车轮的接触疲劳损伤,减小其使用寿命,而且还会使轮轨难以磨合,减小轮轨接触斑面积,增大接触应力,从而加速钢轨的磨耗。因而在提高车轮硬度的同时,除考虑车轮自身磨耗和疲劳破坏的竞争关系,还要考虑车轮和钢轨的硬度匹配以减小钢轨的损伤。为减少轮轨损伤,延长轮轨使用寿命,国际重载铁路协会(IHHA)建议车轮的硬度(强度)应

[23]

不低于钢轨的硬度(强度)。俄罗斯试验的结论为[24]:适当提高轮辋硬度可明显提高车轮的使用寿命;车轮轮辋与钢轨头部硬度的最佳比例是1.2∶1～1.4∶1。在车轮硬度大于钢轨硬度的情况下,尚未出现轮轨硬度不匹配的报道。目前我国重载铁路主要采用U75V(PD3)钢轨,其硬度为280～320HB,部分曲线上铺设硬度大于340HB的热处理钢轨[17]。参考国外重载铁路轮轨匹配经验以及我国重载线路钢轨硬度,同时考虑到轮轨滚动接触过程中材料的硬化现象,建议在我国重载铁路上运用、轴重为30t的货车车轮轮辋硬度大于340HB。轮轨材料最佳硬度匹配是高难度的科学问题,理论计算只是定性的分析。为得到恰当的轮轨匹配硬度,需要做大量对比试验,以确定轮轨摩擦磨损和疲劳伤损具有同样的发展速率,从而延长轮轨的使用寿命。同时,也需要现场试验进行验证,以保证轮轨材料硬度的合理匹配。

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数值结果分析表明:

(1)轮轨间高应力水平的频次随着轴重的增加而增大。

(2)车轮磨耗随着硬度的增大而减小;同一硬度下,轴重为30t车辆的车轮磨耗比轴重为25t车轮

大。

(3)相同参数下,轴重为30t车辆的车轮发生滚动接触疲劳破坏的概率比轴重为25t车辆的车。

(4)随着硬度的增大,轴重为30t车辆的车轮发生滚动接触疲劳破坏的几率降低。

对于轴重为30t车辆的车轮,为减缓车轮磨耗和滚动接触疲劳等破坏,建议其硬度大于340HB。

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(责任编辑　武晓明)

《铁道学报》对撰写中英文摘要的要求

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itcanbeconcludedthat

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