• ISSN 0258-2724
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岔区轮轨滚动接触理论分析

李金城 丁军君 牛悦丞 李芾 吴朋朋

李金城, 丁军君, 牛悦丞, 李芾, 吴朋朋. 岔区轮轨滚动接触理论分析[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1355-1361. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190199
引用本文: 李金城, 丁军君, 牛悦丞, 李芾, 吴朋朋. 岔区轮轨滚动接触理论分析[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1355-1361. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190199
LI Jincheng, DING Junjun, NIU Yuecheng, LI Fu, WU Pengpeng. Analysis of Rolling Contact between Wheel and Rail in Switch Area[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1355-1361. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190199
Citation: LI Jincheng, DING Junjun, NIU Yuecheng, LI Fu, WU Pengpeng. Analysis of Rolling Contact between Wheel and Rail in Switch Area[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1355-1361. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190199

岔区轮轨滚动接触理论分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190199
基金项目: 中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2017G003-A)四川省青年科技创新研究团队资助项目(2017TD0017)
详细信息
    作者简介:

    李金城(1990—),男,博士研究生,研究方向轨道车辆动力学分析及结构强度分析,E-mail:13668166927@163.com

    通讯作者:

    丁军君(1985—),男,副教授,博士,研究方向轨道交通车辆结构及动力学分析,E-mail:dingjunjun@swjtu.cn

  • 中图分类号: V221.3

Analysis of Rolling Contact between Wheel and Rail in Switch Area

  • 摘要: 为研究岔区轮轨匹配关系和经典轮轨接触理论对岔区的适用性,建立了岔区轮轨接触有限元模型,编写了数种岔区法向力及切向力计算程序. 以18号高速道岔转辙区及辙叉区典型断面为例,在法向对比了赫兹、半赫兹、Kalker三维非赫兹滚动接触理论与有限元模型在接触斑面积和接触应力上的差异,切向对比了基于赫兹和半赫兹的FASTSIM算法、Polach模型和CONTACT程序在不同工况下的蠕滑力差异. 计算结果表明:有限元模型考虑了轮轨材料应力应变特性,更接近实际运用工况,赫兹、半赫兹、Kalker三维非赫兹与有限元法接触斑面积分别最大相差50.42%、17.83%和24.78%,最大接触应力相差60.28%、25.25%和32.37%; 各工况下4种切向力模型蠕滑力随蠕滑率的变化趋势相同,同一工况下基于赫兹和半赫兹的FASTSIM算法和Polach模型与CONTACT计算结果最大相差8.08%、5.19%、9.70%; 综合岔区轮轨法向、切向计算精度和计算效率,半赫兹接触理论结合FASTSIM算法在岔区大批量的数据处理中更具优势.

     

  • 图 1  赫兹接触条件下的法向接触应力

    Figure 1.  Normal stress under Hertz contact conditions

    图 2  半赫兹接触示意

    Figure 2.  Schematic diagram of semi-Hertz contact

    图 3  Kalker非赫兹理论网格离散

    Figure 3.  Mesh discretization of Kalker non-Hertz theroy

    图 4  岔区轮轨接触局部有限元模型

    Figure 4.  Finite element model of wheel-rail contact in switch area

    图 5  转辙区轮轨接触位置

    Figure 5.  Wheel-rail contact position in switch rail

    图 6  转辙区轮轨接触斑形状

    Figure 6.  Shapes of wheel-rail contact patch in switch rail

    图 7  辙叉区轮轨接触位置

    Figure 7.  Wheel-rail contact position in switch frog

    图 8  辙叉区轮轨接触斑形状

    Figure 8.  Shapes of wheel-rail contact patch in switch frog

    图 9  Carter理论黏滑区划分

    Figure 9.  Stick-slip zone division by Carter theory

    图 10  Johnson-Vermeulen理论黏滑区划分

    Figure 10.  Stick-slip zone division by Johnson-Vermeulen theroy

    图 11  不同切向模型结果对比

    Figure 11.  Result comparision of different tangential models

    表  2  辙叉区轮轨接触面积和最大接触应力

    Table  2.   Wheel-rail contact area and maximum contact stress in switch frog

    yw/mm赫兹理论半赫兹理论非赫兹理论有限元
    Aa/mm2Pmax/MPaAa/mm2Pmax/MPaAa/mm2Pmax/MPaAa/mm2Pmax/MPa
    0 37.83 2 722.69 55.46 2 427.55 52.94 2 565.54 63.38 1 938.12
    3 37.83 2 722.69 55.39 2 430.19 52.92 2 566.51 62.64 1 972.37
    6 37.83 2 722.69 55.36 2 420.86 53.00 2 553.31 61.97 1 999.42
    9 36.64 2 810.99 52.05 2 547.29 50.50 2 615.74 60.22 2 071.57
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    表  1  转辙区轮轨接触面积和最大接触应力

    Table  1.   Wheel-rail contact area and maximum contact stress in switch rail

    yw/mm赫兹理论半赫兹理论非赫兹理论有限元
    Aa/mm2Pmax/MPaAa/mm2Pmax/MPaAa/mm2Pmax/MPaAa/mm2Pmax/MPa
    0 92.48 1 113.84 60.31 2 326.20 56.81 2 481.08 73.40 2 045.59
    3 92.48 1 113.84 63.36 2 185.94 58.31 2 336.94 74.33 1 905.11
    6 77.14 1 335.22 58.49 2 216.11 53.18 2 350.47 70.70 2 063.56
    9 43.01 2 394.93 72.86 1 613.36 65.80 1 766.93 86.75 1 494.23
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-14
  • 修回日期:  2019-04-11
  • 网络出版日期:  2019-09-04
  • 刊出日期:  2020-12-15

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