间隙配合变轨距轮对与轨道间瞬态滚滑接触模拟研究

摘要

变轨距技术是实现不同轨距铁路联运的重要手段,我国相关研究仍在起步阶段。基于显式有限元法,建立包含渐开线花键副的三维变轨距轮对-轨道耦合瞬态分析模型,于时域内模拟速度高至400km/h下的瞬态轮轨滚滑和花键间动态接触行为及其相互影响。模型充分考虑轮轨和花键副三维几何、系统高频结构振动等,引入时变牵引/制动转矩,采用集成库仑摩擦定律的"面-面"接触算法求解轮轨接触和花键接触。假设圆柱直齿渐开线花键,齿数取32,齿侧间隙恒0.1mm,无激励下模拟结果表明,花键副的存在使得轮轨力波动范围大于传统轮对,例如,400km/h下法向轮轨力波动幅值增加静载的3.7%。时速400km/h和牵引系数0.05下,内外花键的径向和角向偏置使得花键左、右两侧各存在1个位置相对固定的承载区,各涉及5~6个键齿,承载面分别为II和I键齿工作面。瞬态法、切向接触应力极值发生在靠近一系悬挂侧的齿根或齿顶部,典型值分别为102MPa和4.6MPa,任一键齿的应力极值因不断有键齿进出承载区而波动上升和下降。牵引系数0.3时,左侧承载区消失,右侧承载区扩至18个键齿,相同时刻下的法、切向接触应力极值因承载齿数和总接触面积增加变为89MPa和5.2MPa。为变轨距机构中花键的强度和动力学分析及相关设计提供精确模拟手段。