機車車輪薄輪緣鏇修外形設(shè)計

張英才，張 軍

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.北京建筑大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，北京100044)*

0 引言

在我國，三分之一的鐵路線是曲線，而其中半徑小于600 m的線路約占半數(shù)［1］.機車通過曲線時，由于輪軌之間的接觸幾何關(guān)系和接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致車輪與鋼軌之間存在不同程度的磨耗問題，尤其是隨著列車曲線通過速度的不斷提高，機車車輪輪緣磨耗日益嚴重，情況嚴重的區(qū)段，機車走行數(shù)萬公里輪緣就磨耗到限，到限后的車輪需要進行鏇修修復(fù)車輪外形，按照JM-3型面鏇修最多可鏇修兩次，之后就需更換新的車輪，這在很大程度上影響我國鐵路的發(fā)展.

車輪鏇修是服役機車維護的重要內(nèi)容，而鏇修后車輪踏面外形直接影響服役機車的輪軌關(guān)系和車輪直徑鏇修量.歐洲高速鐵路科研人員對鏇修用的車輪踏面外形進行過大量研究［2-3］，并形成了鏇修用的車輪踏面外形標準.俄羅斯曾經(jīng)研究過用輪緣厚度30和27 mm修理用的車輪踏面外形代替輪緣厚度33 mm的國標踏面外形進行車輪旋修時能減少34% ～50%的金屬切削量，同時也增加了輪對總使用壽命［4］.國內(nèi)學(xué)者在車輪踏面外形設(shè)計和優(yōu)化方面也進行過大量研究［5-7］，如沈鋼、葉志森等學(xué)者用接觸角曲線反推法設(shè)計鐵路車輪踏面外形等，但針對車輪輪緣的鏇修外形研究較少.

本文通過型面測量儀，對蘇家屯機務(wù)段的機車車輪外形進行長期跟蹤測量，并依據(jù)所得大量數(shù)據(jù)分析車輪型面磨耗規(guī)律，建立輪軌彈塑性接觸模型，為機車車輪鏇修型面外形設(shè)計以及延長車輪使用壽命、降低機車維護成本、減少資源浪費等提供理論依據(jù).

1 薄輪緣機車輪緣外形設(shè)計

1.1 機車車輪磨耗情況分析

本文對沈陽鐵路局蘇家屯機務(wù)段大量輪緣檢修數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，將機車輪緣磨耗大致分為2個階段:第1階段，車輪輪緣厚度從34降低至29 mm，機車運行公里數(shù)大致為14萬公里，輪緣磨耗量隨運行里程數(shù)呈線性遞增，初期輪緣磨耗速率較快約為0.36 mm/萬公里，呈快速磨耗期;第2階段，輪緣厚度從29降低至24 mm，機車運行公里數(shù)大致為36萬公里，機車運行單位萬公里輪緣磨耗量相對減少，輪緣磨耗速率約為0.14 mm/萬公里，相對第1階段明顯變小，車輪輪緣磨耗進入相對穩(wěn)定時期.如圖1所示.

圖1 機車輪緣厚度與運行里程的關(guān)系

根據(jù)本文得到的機車輪緣厚度與運行里程的關(guān)系，將處于機車輪緣快速磨耗階段的車輪，按照輪緣厚度大致分4個時期，分別為:磨耗Ⅰ期、磨耗Ⅱ期、磨耗Ⅲ期、磨耗Ⅳ期，如圖2所示.車輪在經(jīng)歷不同磨耗時期，主要是輪緣磨耗，踏面處磨耗量很小，從標準JM-3型面到輪緣磨耗到限型面，踏面的垂直磨耗量約為3.2 mm，如圖3所示.磨耗Ⅰ期輪緣厚度為32.6 mm、磨耗Ⅱ期輪緣厚度為31.2 mm、磨耗Ⅲ期輪緣厚度為29.8 mm、磨耗Ⅳ期輪緣厚度為28mm，磨耗到限時輪緣厚度為24 mm.

圖2 不同磨耗時期車輪型面輪廓線

圖3 不同磨耗時期輪緣厚度

1.2 機車車輪鏇修量分析

本文設(shè)計中選擇磨耗Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期四個時期的型面作為不同鏇修型面，通過車輪直徑鏇修量、鏇修次數(shù)以及整個車輪壽命的分析選出最優(yōu)鏇修型面.最優(yōu)鏇修型面再和JM-3鏇修型面進行對比，最終確定該設(shè)計型面的可行性.由大量實測數(shù)據(jù)得，機車車輪磨耗到限時，輪緣厚度為24 mm，車輪踏面處垂直磨耗量約3.2 mm，以JM-3型面為標準的鏇修將輪緣恢復(fù)到34 mm時，車輪半徑鏇修量達到16 mm(如圖4).

圖4 JM－3型面鏇修量

以磨耗Ⅰ期、磨耗Ⅱ期、磨耗Ⅲ期、磨耗Ⅳ期的型面作為鏇修型面時，車輪半徑鏇修量分別為:16.3、14.5、13、10 mm.如圖5～8 所示.圖9 為不同鏇修型面的車輪直徑鏇修量，分別為32，32.6、29、26、20 mm.

圖5 Ⅰ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖6 Ⅱ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖7 Ⅲ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖8 Ⅳ期型面作為鏇修型面的鏇修量

圖9 不同鏇修型面的車輪直徑鏇修量

JM-3型面車輪直徑為1 250 mm，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運行約50萬公里后輪緣磨耗到限為24mm，踏面垂直磨耗量3.2 mm，此時對車輪進行第一次鏇修，按照JM-3型面鏇修時直徑鏇修量達到32 mm，即第一個鏇修周期后車輪直徑變?yōu)? 211.6 mm，同理可得，第二個鏇修周期后車輪直徑變?yōu)? 173.2 mm，而電力機車規(guī)定的到限車輪直徑為1 150 mm，車輪直徑已經(jīng)無法滿足第三次鏇修量的要求，故以JM-3型面作為鏇修型面，車輪在輪徑到限之前可鏇修2次.

若以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面，當JM-3型面的新車輪運行約50萬公里后進行第一次鏇修，以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面的直徑鏇修量為26 mm，所以第一次鏇修后車輪直徑變?yōu)?217.6 mm，由于此鏇修后輪緣厚度為29.8mm，按照圖1機車輪緣厚度與運行里程的關(guān)系，車輪運行約41萬公里后輪緣到限，踏面垂直磨耗量約2.1 mm，第二次鏇修后車輪直徑變?yōu)? 187.2mm，再運行約41萬公里后進行第三次鏇修后車輪直徑變?yōu)? 156.8 mm，再運行41萬公里后，車輪直徑變?yōu)? 152.6 mm已經(jīng)不滿足第四次鏇修量的要求，故以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面，車輪在輪徑到限之前可鏇修3次.依次類推出車輪按照不同型面作為鏇修型面進行鏇修時，車輪可鏇修次數(shù)和報廢時車輪直徑如表1、圖10.可以看出:磨耗Ⅲ期和磨耗Ⅳ期的型面作為鏇修型面時鏇修次數(shù)比JM-3型、磨耗Ⅰ期、磨耗Ⅱ期的型面作為鏇修型面時多一次，達到3次，但以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面后，車輪報廢時直徑約為1152.6mm，與電力機車到限輪徑1150 mm非常接近，說明以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面時，車輪有用金屬的利用率達到最高.

表1 不同型面作為鏇修型面車輪可鏇修次數(shù)

圖10 不同鏇修型面的車輪報廢時直徑

1.3 機車車輪使用壽命分析

根據(jù)機車輪緣厚度與運行里程的關(guān)系，同時考慮機車車輪踏面磨耗量、鏇修次數(shù)以及鏇修量.計算得到以不同型面作為鏇修型面時車輪壽命如圖11.以JM-3型面作為鏇修型面，車輪壽命約為150萬公里;以磨耗Ⅰ期型面作為鏇修型面，車輪壽命約為144萬公里;以磨耗Ⅱ期型面作為鏇修型面，車輪壽命約為138萬公里;以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面，車輪壽命約為173萬公里;以磨耗Ⅳ期型面作為鏇修型面，車輪壽命約為128萬公里.

圖11 不同型面作為鏇修型面時車輪壽命

可見，以磨耗Ⅲ期型面作為鏇修型面后，不但車輪報廢時輪徑最小，金屬利用率最高，且車輪壽命達到173萬公里，相比以JM-3型面作為鏇修型面時的壽命提高約16%.因此本文設(shè)計最終選擇磨耗Ⅲ期型面作為車輪最優(yōu)鏇修型面，其輪緣厚度為29.8 mm.

2 輪軌型面匹配的有限元分析

2.1 有限元模型

本文選擇JM-3型面和磨耗Ⅲ期型面數(shù)據(jù)建立車輪與磨耗后曲線鋼軌發(fā)生兩點接觸的有限元模型，并進行對比分析.如圖12、圖13分別為JM-3型面輪軌匹配位置、磨耗Ⅲ期型面輪軌匹配位置，相比JM-3型車輪，磨耗Ⅲ期車輪已經(jīng)經(jīng)過了所謂的“快速磨合期”，故輪軌接觸匹配較好［8-9］.

圖12 JM－3型面輪軌匹配

圖13 磨耗Ⅲ期型面輪軌匹配

應(yīng)用Hypermesh軟件建立JM-3型面的車輪和磨耗Ⅲ期型面的車輪分別與磨耗后曲線鋼軌接觸的三維有限元模型.再導(dǎo)入MARC中進行求解，建模過程中三維實體接觸單元邊長為1 mm.輪軌接觸的三維有限元模型見圖14，計算模型中軌距為1 435 mm，輪緣內(nèi)側(cè)距為1353 mm，機車軸重為25 t，橫向力按照機車80 km/h速度產(chǎn)生的離心力施加，鋼軌底面施加固定約束.泊松比取0.3，彈性模量 205 GPa，輪軌摩擦系數(shù)為 0.3.

圖14 有限元模型

2.2 輪軌接觸分析

圖15是JM-3型面和磨耗Ⅲ期型面的輪軌模型在相同工況下計算得到的接觸斑，兩種模型接觸斑的形狀及面積差別較大，JM-3型面的接觸斑總面積為362 mm2，而本文設(shè)計的磨耗Ⅲ期鏇修型面接觸總面積達到了486 mm2，比JM-3型增大約34%，輪軌接觸匹配較好.

圖15 接觸斑比較

在相同的工況下，JM-3型面和磨耗Ⅲ期型面的輪軌模型的接觸應(yīng)力比較如圖16、圖17所示.JM-3型最大接觸應(yīng)力發(fā)生在輪緣與鋼軌貼靠處，約為868 MPa，本文所設(shè)計磨耗Ⅲ期鏇修型面最大接觸應(yīng)力同樣發(fā)生在輪緣與鋼軌貼靠處，但其值僅約為647 MPa，相比JM-3型面輪軌間最大接觸應(yīng)力減小了約220 MPa，這對進一步減輕磨耗十分有利.

圖16 JM－3型面接觸應(yīng)力

圖17 磨耗Ⅲ期接觸應(yīng)力

3 結(jié)論

(1)將磨耗Ⅲ期車輪型面作為鏇修型面后，相比JM-3鏇修型面，車輪直徑鏇修量減少6mm，報廢時車輪直徑最小，踏面處金屬的利用率顯著提高;鏇修次數(shù)達到3次，輪對的壽命達到了173萬公里，壽命延長約16%;

(2)通過有限元法建模分析計算后得到，本文設(shè)計的磨耗Ⅲ期鏇修型面與磨耗后鋼軌的接觸斑總面積達到了486 mm2，而JM-3型面的接觸斑總面積為362 mm2，接觸斑面積增大約34%，說明磨耗Ⅲ期鏇修型面輪軌接觸匹配較好;

(3)將磨耗Ⅲ期車輪型面作為鏇修型面后，輪軌間接觸應(yīng)力明顯降低，相比JM-3鏇修型面最大接觸應(yīng)力減小了約220 MPa，這對進一步減輕輪軌間磨耗及增加車輪使用壽命十分有利，尤其是輪緣的磨耗.

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