锥形踏面和磨耗形踏面轮轨弹塑性接触性能的比较

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1、万方数据第38卷第6期机械工程学报vol38N06—三三兰∑型．曼型型曼兰里!Q旦坚兰±些旦!坚曼曼坚!业曼垒兰型g堡!星!塑型鱼!竺：：!!：。。。⋯。。。。。’。。。。。-_____-______I______·_____-I_____-—_____-______-————————二——二=二=二二=—二二_锥形踏面和磨耗形踏面轮轨弹塑性接触性能的比较+张军(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连1160241刘迎曦吴昌华(大连理工大学】(大连铁道学院)摘要：用有限元参数二次舰划法分析轮轨的三维弹塑性接

2、触问题，对锥形踏面和磨耗形路面的机车车轮与标准轨道组成的轮轨系统分别进行计算，并将得出的轮轨接触状态、接触力及接触应力场进行了分析比较，指出了磨耗形踏面耐磨的根本原因。这一方法为轮轨型面的优化设计提供了新的思路。关键词：有限元法接触弹塑性接触应力轮轨型面中田分类号：u46R0前言轮箍的轮缘和踏面是与钢轨直接接触的部分，机车车辆的全部重量通过它们支承在钢轨上，同时通过轮对和钢轨的粘着产生牵引力和制动力。轮轨关系本质上是这些接触力的传递过程，轮轨空间几何形状则是影响这一力学过程的重要因素之一。当前世界铁路正朝着高速和重

3、载的趋势发展．结果却导致了轮轨接触表面磨耗和疲劳的增加。尤其是重载产生的接触应力很大，使轮轨接触区附近发生塑性流动，从而加快了裂纹的萌生和扩展。美国铁路为了克服太轴重的副作用，曾经采用了更重的钢轨和更大直径的车轮，但从大多数铁路的经验看，这些努力的积极效果并不显著。磨耗形踏面在减少轮轨磨耗方面取得了很好的效果，目前已经在世界各国被广泛的使用，并获得了巨大的经济效益。我国的轮轨关系标准与其他国家相比有许多不同之处，这些标准涉及的铁路基础设施和轮轨关系的一系列问题，都不能轻易改动。因此直接借鉴国外轮轨外形是行不通的，必

4、须从我国的实际情况出发，研制出有中国特色的轮轨外形匹配。在磨耗形踏面的设计中，轮轨接触几何参数是重要的基本问题，它直接或间接地影响到轮对在直道上的对中、曲线通过、轮缘踏面和轨头的磨耗、高速运行的稳定性等多方面的性能【1】。精确确定轮轨型面参数对接触内力和接触应力场的影响，对解决轮轨磨耗、脱轨等问题具有重要意义，也是进行·国家自然科学基金(59935100)和西南交通大学枝基金资助项日20010712收到初稿，20011116收到修改稿踏面外形设计需要首先解决的问题。国内外的很多专家学者在这方面进行了大量的研究剧，但

5、他们大多数是在He血理论的基础上进行轮轨接触分析，这就不可避免地引入了弹性力学中的弹性半空间假设，而对于磨耗形踏面设计这一空间弹塑性接触问题，必然引起很大误差。本文使用由大连理工大学钟万勰院士于1985年提出的参变量变分原理及基于此原理的有限元参数二次规划法来求解轮轨弹塑性接触问题，精确模拟目前在我国机车比较广泛应用的标准锥形踏面和JM系列磨耗形踏面的轮轨接触，这从根本上避免了Hertz假设，计算出了准确的轮轨接触状态、接触内力及接触应力场，并且对相同载荷和边界条件的三种踏面进行了分析比较。这一方法为轮轨几何型面的

6、优化设计提供了一个新的思路。1计算理论接触问题的特点是具有单向边界条件和未知接触区域，接触区域的确定依赖于加载方式、载荷水平以及接触面性质等因素。弹塑性问题与接触问题本质上是一样的，都属于边界待定问题，只不过前者属于内摩擦内边界待定问题，后者属于外摩擦外边界待定问题。当材料发生塑性变形或接触滑动的时候，其流动方向不沿屈服面法向进行，是非法向流动问题。以往的经典变分原理对于非法向流动问题是不成立的，如果采取近似手段，就难免会产生误差。参变量变分原理突破了经典变分原理的限制，引入了现代控制论中的极值变分思想，将原问题化

7、为在由本万方数据兰!!!至鱼旦张军等：锥形踏面和磨耗形踏面轮轨弹塑性接触性能的比较构关系导出的状态方程控制下求泛函极小值的问题。有摩擦接触问题与弹性力学经典问题的主要区别在于前者的接触力和接触位移要满足下列约束条件kIc记时，∽一“纠=o时毋时t妒“卟o(】)“≯一“：2’+占’≥o，￡≤o、。(“：”一“F’+矿)￡=o式中^，砰一接触点对的法向和切向接触内力“乳“乎’——两个物体在接触点对局部坐标系下的法向相对位移“％“!”——两个物体在接触点对局部坐标系下的切向相对位移面——摩擦因数扩——初始间隙对于弹塑性问

8、题分析，由于本构关系的非线性，叠加原理不存在。只有在给定从自然状态开始的全部边界条件变化过程的情况下，才能跟踪给定的加载历史，确定物体内应力和位移的相应变化过程，采用积分累计的办法，计算瞬时的应力场和位移场．即弹塑性力学的边值问题应按增量来求解。弹塑性的本构关系如下d口=D(拈一d0)(2)，p，民，r)≤O(3)d毛=(二q五(4)丑{雾蓄￡署④式(21为