大轴重货运交流传动电力机车轮轨接触研究
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力机 车轮 轨接触 研 究
侯 耐 ， 黄 成荣 ， 邹 文辉 ，陈喜红 ，向 阳
（ １ 中 国南车集 团 株 洲 电力机 车 有 限公 司 ，湖 南株 洲 ４ １ ２ ０ ０ １ ； ２ 中国铁 路 总公 司 运 输局 机务 部 ， 北京 １ ０ ０ ８ ４ ４ ）
表 ５ 载 荷 工况 ３轮 轨 接 触 计 算 结 果
表 ６ 载 荷 工 况 ４轮 轨 接 触 计 算 结 果
３ 结 论
（ ５ ） 通 过对 工况 １和 工 况 ２的 比较 可 知 ， Ｅ Ｒ 。材 质
通 过上述 分析 可知 ： （ １ ） 由 于 车 轮 屈 服 极 限小 于 钢 轨 屈 服 极 限 ， 轨 头
９ Ｏ
铁 路 重 载 机 车 技 术 论 文 集
第 ３ ３ 卷
增大 １ ６ ＭＰ ａ 左右， 而 Ｅ Ｒ 。 材质 ｖ ｏ ｎ — Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应 力仅增 大
２ ＭＰ ａ左右 。
表 ３ 载 荷 工 况 １轮 轨接 触 计 算 结 果
表 ４ 载 荷 工 况 ２轮 轨 接 触计 算 结 果
ｖ ｏｎ
—
车 轮 的最 大 ｖ ｏ ｎ — Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应力 受牵 引力 的影响相 对较 小 ， 但 要确定 是 否 更 适 合 大轴 重 机 车 ， 还有 待 进 一 步 的 研
应 变
换 轨将 给列 车的正 常运行带 来很 大 的麻烦 和 经济 损失 ，
所 以通 常情况 下 ， 轮 轨材料 选择 的准 则是 牺牲 车 轮寿命
图 １ 轮 轨 材 料 模 型 表 １ 钢 轨 特 性
而 保证钢 轨 的寿命 。但是 轮轨作 为一 对摩 擦 副 ， 其 使 用 性 能是轮 轨 系统 的综 合表 现 ， 并 且轮 轨 的耐磨 性 能与抗 疲 劳性 能表现 为相 互竞争 和制 约 的耦 合关 系 。
摘 要 根 据 机 车 轮 对 和 轨 道 的实 际 尺 寸 ， 考虑材料 非线性和 接触非线性 ， 建 立 轮 轨 接 触 弹 塑 性 有 限 元 模 型 。基
于 此有 限元 模 型 ， 分 析计 算 了 车轮 材 质 不 同对 轮 轨 接 触 的 影 响 ， 以 及 牵 引 力 对 轮 轨 接 触 的影 响 ， 得 出了接触斑 、 接 触 应力 等 的变 化 规 律 。
１ 计 算 模 型 建 立
按 照机 车 轮 对 和 轨 道 的实 际 尺 寸 建 立 计 算 模 型 。
轮径为 １ ２ ５ ０ ｍｍ， 钢轨为 ７ ５ ｋ ｇ ／ ｍ 钢轨 ， 车轮 内侧距 为 ｌ ３ ５ ３ ｍｍ， 轨距 １ ４ ３ ５ ｍｍ， 钢轨 轨底坡 １： ２ ０ 。在模 型
１ ． １ 网格划 分
采用 六面体 单 元对 模 型 进 行 网格 划分 。轮 轨 接触 的分 析要 求 比较 高 的计 算精 度 ， 但 又要 尽量 的节省 计算
机 资源 。因此对 于模 型的 网格划分 采 取局 部 网格 细化 ，
中， 车 轮选择 Ｊ Ｍ。 型磨 耗 型踏 面 ， 由于结 构 和 载荷 都 是 对称的， 建模 时只取 轮对 的一半 ， 轨道 也 只选 取 了单侧 。 轮 轨材料 模型 为双线 性 弹塑性本 构 模型 ， 重 载钢 轨
第 ３ ３卷 增 刊 ２ ０ １ ３年 １ ２月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ Ｌ０Ｃ０Ｍ ０ＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ １ ． ３３ Ｓｕ ｐｐ ｌ
Ｄｅ ｃ ． ２ Ｏ１ ３
文 章编 号 ｌ １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２（ ２ ０ １ ３ ） Ｓ ２ —０ ０ ８ ８ —０ ４
＼
撂
高 运输效 率 的重要措 施之一 。随着轴 重 的增 加 ， 轮轨 间 的相互作 用愈 加剧烈 ， 车轮 和钢 轨问 的磨 损及 接触 疲 劳 现 象越来 越严 重 ， 这 不仅 大 大 增 加 了运 输 成 本 ， 而 且 还
直 接危及 行 车安全 。
瓣
由于铁路 运输 的 特殊 性 ， 如果钢轨寿命短， 频 繁 的
关键词 轮 轨 接 触 ；接 触斑 ； 有限元法 ； 非 线 性
文献 标 志码 ｌ Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２ ． ２ ０ １ ３ 、Ｚ ２ ． １ ７
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ６ ０ ． ３ ３
重 载铁路 运输 因其 运 能 大 、 效率 高 、 运 输 成 本 低 已
及 车轮 材质 的机械 性能 分别 见 表 １和表 ２ ， 材 料本 构 曲
线如图 １ 所示 。
侯耐 （ １ ９ ８ ６ ） 女， 河 南 夏 邑人 ， 助 理工 程 师 （ ２ ０ １ ３ —０ ２ —２ ５ ）
对 轮轨可 能接触 的 区域 采用 比较 细密 的 网格 ， 其他 区域 采 用较粗 网格 ， 生成 单 元 １ １ ５ ４ １ １个 ， 节点 １ ２ １ ２ ０ ５个 。 具 体模 型见 图 ２ 所 示 。这 样 ， 既 能 保 证 较 高 的 精度 ， 又 能保 证计 算速度 。
轮 轨接触 问题 是 轮 轨 关 系 问题 中 的 主 要 内容 ， 牵
表２ ３种 车轮 材 质 的机 械 性 能
引、 制动 、 脱轨 安全 、 磨耗 和疲 劳问题 与轮 轨滚 动 接触 表
面 行为有 着 紧密 的联系 ， 因此研 究不 同车 轮材 质对 轮 轨 接 触 的影 响 ， 是选择 匹配 的轮轨 材质 的主要措 施 之一 。
被 国际公 认为铁 路货 运发展 主要 方 向之一 ， 世 界各 国重
载 铁路借 助于 高新技 术 ， 促 使重 载列 车牵 引重 量不 断增
加 。轴重 是铁路 车辆 的一个 标 志性指 标 ， 也是 衡量 铁 路 重 载运输 的一 个重 要 指 标 之一 ， 发展 大 轴 重 机 车 ， 是 提
侯 耐 ， 黄 成荣 ， 邹 文辉 ，陈喜红 ，向 阳
（ １ 中 国南车集 团 株 洲 电力机 车 有 限公 司 ，湖 南株 洲 ４ １ ２ ０ ０ １ ； ２ 中国铁 路 总公 司 运 输局 机务 部 ， 北京 １ ０ ０ ８ ４ ４ ）
表 ５ 载 荷 工况 ３轮 轨 接 触 计 算 结 果
表 ６ 载 荷 工 况 ４轮 轨 接 触 计 算 结 果
３ 结 论
（ ５ ） 通 过对 工况 １和 工 况 ２的 比较 可 知 ， Ｅ Ｒ 。材 质
通 过上述 分析 可知 ： （ １ ） 由 于 车 轮 屈 服 极 限小 于 钢 轨 屈 服 极 限 ， 轨 头
９ Ｏ
铁 路 重 载 机 车 技 术 论 文 集
第 ３ ３ 卷
增大 １ ６ ＭＰ ａ 左右， 而 Ｅ Ｒ 。 材质 ｖ ｏ ｎ — Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应 力仅增 大
２ ＭＰ ａ左右 。
表 ３ 载 荷 工 况 １轮 轨接 触 计 算 结 果
表 ４ 载 荷 工 况 ２轮 轨 接 触计 算 结 果
ｖ ｏｎ
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车 轮 的最 大 ｖ ｏ ｎ — Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应力 受牵 引力 的影响相 对较 小 ， 但 要确定 是 否 更 适 合 大轴 重 机 车 ， 还有 待 进 一 步 的 研
应 变
换 轨将 给列 车的正 常运行带 来很 大 的麻烦 和 经济 损失 ，
所 以通 常情况 下 ， 轮 轨材料 选择 的准 则是 牺牲 车 轮寿命
图 １ 轮 轨 材 料 模 型 表 １ 钢 轨 特 性
而 保证钢 轨 的寿命 。但是 轮轨作 为一 对摩 擦 副 ， 其 使 用 性 能是轮 轨 系统 的综 合表 现 ， 并 且轮 轨 的耐磨 性 能与抗 疲 劳性 能表现 为相 互竞争 和制 约 的耦 合关 系 。
摘 要 根 据 机 车 轮 对 和 轨 道 的实 际 尺 寸 ， 考虑材料 非线性和 接触非线性 ， 建 立 轮 轨 接 触 弹 塑 性 有 限 元 模 型 。基
于 此有 限元 模 型 ， 分 析计 算 了 车轮 材 质 不 同对 轮 轨 接 触 的 影 响 ， 以 及 牵 引 力 对 轮 轨 接 触 的影 响 ， 得 出了接触斑 、 接 触 应力 等 的变 化 规 律 。
１ 计 算 模 型 建 立
按 照机 车 轮 对 和 轨 道 的实 际 尺 寸 建 立 计 算 模 型 。
轮径为 １ ２ ５ ０ ｍｍ， 钢轨为 ７ ５ ｋ ｇ ／ ｍ 钢轨 ， 车轮 内侧距 为 ｌ ３ ５ ３ ｍｍ， 轨距 １ ４ ３ ５ ｍｍ， 钢轨 轨底坡 １： ２ ０ 。在模 型
１ ． １ 网格划 分
采用 六面体 单 元对 模 型 进 行 网格 划分 。轮 轨 接触 的分 析要 求 比较 高 的计 算精 度 ， 但 又要 尽量 的节省 计算
机 资源 。因此对 于模 型的 网格划分 采 取局 部 网格 细化 ，
中， 车 轮选择 Ｊ Ｍ。 型磨 耗 型踏 面 ， 由于结 构 和 载荷 都 是 对称的， 建模 时只取 轮对 的一半 ， 轨道 也 只选 取 了单侧 。 轮 轨材料 模型 为双线 性 弹塑性本 构 模型 ， 重 载钢 轨
第 ３ ３卷 增 刊 ２ ０ １ ３年 １ ２月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ Ｌ０Ｃ０Ｍ ０ＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ １ ． ３３ Ｓｕ ｐｐ ｌ
Ｄｅ ｃ ． ２ Ｏ１ ３
文 章编 号 ｌ １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２（ ２ ０ １ ３ ） Ｓ ２ —０ ０ ８ ８ —０ ４
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高 运输效 率 的重要措 施之一 。随着轴 重 的增 加 ， 轮轨 间 的相互作 用愈 加剧烈 ， 车轮 和钢 轨问 的磨 损及 接触 疲 劳 现 象越来 越严 重 ， 这 不仅 大 大 增 加 了运 输 成 本 ， 而 且 还
直 接危及 行 车安全 。
瓣
由于铁路 运输 的 特殊 性 ， 如果钢轨寿命短， 频 繁 的
关键词 轮 轨 接 触 ；接 触斑 ； 有限元法 ； 非 线 性
文献 标 志码 ｌ Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２ ． ２ ０ １ ３ 、Ｚ ２ ． １ ７
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ６ ０ ． ３ ３
重 载铁路 运输 因其 运 能 大 、 效率 高 、 运 输 成 本 低 已
及 车轮 材质 的机械 性能 分别 见 表 １和表 ２ ， 材 料本 构 曲
线如图 １ 所示 。
侯耐 （ １ ９ ８ ６ ） 女， 河 南 夏 邑人 ， 助 理工 程 师 （ ２ ０ １ ３ —０ ２ —２ ５ ）
对 轮轨可 能接触 的 区域 采用 比较 细密 的 网格 ， 其他 区域 采 用较粗 网格 ， 生成 单 元 １ １ ５ ４ １ １个 ， 节点 １ ２ １ ２ ０ ５个 。 具 体模 型见 图 ２ 所 示 。这 样 ， 既 能 保 证 较 高 的 精度 ， 又 能保 证计 算速度 。
轮 轨接触 问题 是 轮 轨 关 系 问题 中 的 主 要 内容 ， 牵
表２ ３种 车轮 材 质 的机 械 性 能
引、 制动 、 脱轨 安全 、 磨耗 和疲 劳问题 与轮 轨滚 动 接触 表
面 行为有 着 紧密 的联系 ， 因此研 究不 同车 轮材 质对 轮 轨 接 触 的影 响 ， 是选择 匹配 的轮轨 材质 的主要措 施 之一 。
被 国际公 认为铁 路货 运发展 主要 方 向之一 ， 世 界各 国重
载 铁路借 助于 高新技 术 ， 促 使重 载列 车牵 引重 量不 断增
加 。轴重 是铁路 车辆 的一个 标 志性指 标 ， 也是 衡量 铁 路 重 载运输 的一 个重 要 指 标 之一 ， 发展 大 轴 重 机 车 ， 是 提
