高速铁路钢轨擦伤形成影响因素

摘要

基于ANSYS显式动力分析建立了三维瞬态轮轨接触力-热耦合有限元模型，考虑了温度对热-弹塑性材料参数的影响；以初始温度30℃、轴重16 t、初始速度300 km·h-1、滑滚比30%工况为例，研究了车轮在经过钢轨典型断面前、中、后3个时刻下钢轨踏面的接触压力、有效塑性应变、温度分布及其变化特征；在此基础上，进一步分析了列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引和制动状态对钢轨踏面最大温升与最大接触压力的影响，并基于钢轨马氏体白蚀层的形成机制讨论了钢轨擦伤的形成机理。研究结果表明：在本文计算工况下，钢轨踏面最大接触压力为1 186.43 MPa,出现在接触区中心位置，车轮通过后钢轨内部存在部分残余热应力和机械应力，钢轨最大有效塑性应变为0.028 2,最大温升为554.55℃;随着列车轴重从12 t增大至16 t,钢轨最大温升由339.89℃增大至402.79℃;钢轨踏面摩擦因数由0.2增大至0.6时，钢轨最大温升由230.93℃增大至519.25℃;滑滚比由10%增大至40%时，车轮制动和牵引引起的钢轨最大温升分别由264.52℃和362.10℃增大至700.46℃和819.61℃,相同滑滚比条件下，牵引工况引起的钢轨最大温升大于制动工况引起的钢轨最大温升，其中在滑滚比增大至40%时，制动和牵引状态下钢轨踏面最高温度分别为700.46℃和819.61℃,钢轨最大温升均超过相变温度，可导致钢轨踏面产生马氏体白蚀层，从而形成钢轨踏面擦伤。