冲角对低地板车辆轮轨接触状况的影响

doi:10.3901/JME.2015.24.112

机械工程学报 ›› 2015, Vol. 51 ›› Issue (24): 112-117.doi: 10.3901/JME.2015.24.112

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冲角对低地板车辆轮轨接触状况的影响

马贺¹, 张军², 张秀娟³, 周素霞²

1. 大连交通大学交通运输工程学院大连 116028；
2. 北京建筑大学机电与车辆工程学院北京 100044；
3. 大连交通大学机械工程学院大连 116028

收稿日期:2014-12-16 修回日期:2015-10-16 出版日期:2015-12-15 发布日期:2015-12-15
通讯作者: 张军，男，1972年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为轮轨关系，弹塑性接触理论与应用，生物力学。 E-mail：zhangjun611@bucea.edu.cn
作者简介:马贺，女，1988年出生，博士研究生。主要研究方向为轮轨关系。 E-mail：believemahe@126.com
基金资助:
北京市教育委员会科技发展计划资助项目(KM201310016017)

Influence of Attack Angle on Wheel/rail Contact of Low-floor Vehicles

MA He¹, ZHANG Jun², ZHANG Xiujuan³, ZHOU Suxia²

1.School of Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028;
2. School of Mechanical-electronic and Automobile Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;
3. School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028

Received:2014-12-16 Revised:2015-10-16 Online:2015-12-15 Published:2015-12-15

摘要/Abstract

摘要： 针对城市轨道交通中低地板车辆车轮经常出现的轮缘严重磨耗现象，研究其轮轨接触状况，由于城市轨道交通中小半径曲线较多，存在较大的冲角，为研究冲角对轮轨接触状况的影响，利用轮轨型面测量仪测量运用中的70%低地板车辆车轮与钢轨型面，建立具有不同冲角的车轮与钢轨接触模型，在横向力与牵引力矩作用下应用非线性有限元法进行弹塑性接触计算，分析不同工况下的等效应力及接触斑的变化规律，研究冲角、横向力与牵引力矩对钢轨接触状况的影响。通过计算分析得出以下结论：具有不同冲角的轮轨接触斑形状几乎相同，踏面接触斑近似矩形，轮缘接触斑相对狭长，容易造成轮缘磨耗；冲角增大，轮缘接触斑相对踏面接触斑的超前值增大；随着冲角的增大，轮轨最大等效应力逐渐增大，磨耗功率增大，故在轮轨型面匹配和车辆结构设计中应尽量将轮轨冲角控制在1°以内。

关键词: 冲角, 等效应力, 横向力, 接触斑, 轮轨接触

Abstract: The flange of wheels which are used in the urban railway wear severely. Aiming at this phenomenon, the wheel/rail contact is studied. Besides, there is big attack angle in the urban railway because of the small radius curves. So to study the influence of attack angle on the wheel/rail contact is important. The wheel profiles of the applied 70% low-floor vehicles and rail profiles are measured through the wheel/rail profile admeasuring apparatus. The elastic-plastic contact models with the measured wheel/rail profiles are calculated by the nonlinear finite element method when the wheel is under the effect of the lateral force and the driving torque. Through the calculation, the change laws of the Von Mises stress and the contact patches are analyzed at different working conditions and the influence of attack angle, lateral force and driving torque on the wheel/rail contact is studied. Some conclusions are indicated as follows. The shapes of wheel/rail contact patches with different attack angles are almost same. The patch shapes on the tread approximate rectangle and the ones on the flange are relatively long and narrow which can easily cause flange abrasion. With the attack angle increasing, the values that the position of flange contact patch is ahead of tread contact patch increase and the maximum equivalent Von Mises stress between wheel and rail increases gradually. The attrition power also increases. So when designing the wheel/rail profile match and vehicle structure, the attack angle should be kept within 1° as possible.

Key words: attack angle, contact patch, equivalent Von Mises stress, lateral force, wheel/rail contact

马贺, 张军, 张秀娟, 周素霞. 冲角对低地板车辆轮轨接触状况的影响[J]. 机械工程学报, 2015, 51(24): 112-117.

MA He, ZHANG Jun, ZHANG Xiujuan, ZHOU Suxia. Influence of Attack Angle on Wheel/rail Contact of Low-floor Vehicles[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(24): 112-117.

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