高速列车轮轨型面设计及优化

余娟娟 潘茂华

【摘 要】轮和轨是铁路机车车辆的关键部件，合理的轨道几何型面匹配关系对列车的运输性能和安全性至关重要。本文以60E1轮轨型面为基础，使用商用有限元软件ABAQUS为工具，通过对轮轨型面进行优化来提高轮轨结构强度。

【关键词】轮轨关系;优化;结构强度;

由于铁路运输速度快，运量大，安全性高，耗能少，占地少，投资低，在运输业内具有重要的不可替代的作用，世界各国都在积极发展铁路交通，解决铁路技术上的难题，轮轨匹配问题一直是铁路研究的重要课题[1-3]，轮轨外形不匹配将导致列车运行上的许多问题的产生，如运行失稳，接触应力高而导致轮轨表面磨损严重，产生裂纹，进而影响铁路运输的安全，利用有限元仿真技术，通过对轮轨的型面进行优化，可提高轮轨结构强度，进而提高轮轨的性能[4-9]。

1.几何模型

车轮选用60E1轮轨型面，接触形面形面参数如图1所示，法兰高度为28mm，型面绘制依据所提供的公式（图2）参数化建模而成。轨道型面示意图如图3所示。装配好的三维图示意如图4所示。

2.有限元模型

本次计算中，采用大型通用有限元软件abaqus。，单位系统采用mm-t-s。为提高计算精度，模型采用六面体实体单元网格。共224385个单元，168318万个节点如图4所示。为了简化计算，取单个轮子和轨道进行有限元分析。采用线性静力分析来求解。

3.结构材料及许用应力

轮子所用材料为Q235，屈服强度为235Mpa，安全系数数1.5，许用应力为156.7Mpa，该材料的弹性模量为2E5Mpa，泊松比为0.3。

4.边界条件

约束轨道底面，车轮与轨道为接触分析，车速为120km/h，换算角速度为79rad/s，单个车轮承受6.9t载荷，有限元模型边界条件示意图如图6所示。

5.初始模型计算结果

从图7的轮轨应力云图可以看出，轮轨接触时最大应力值为223Mpa，并且产生了应力集中现象，说明接触区域较小，且超出了材料的许用应力，此时结构发生破坏。

6 轮轨优化

将轨道型面作为轮子优化设计的参考量，为了减小接触区域的应力，可通过改变轮面型面曲线参数，由于和轮子接触的轨道的接触区域型面曲线较为平滑，为了增大轮轨的接触面，且使轮轨在运行中更平稳，可使轮子型面曲率变化的更平滑，且平滑的过度到曲率为0，不出现曲率方向反向的突变点。

图9为优化后的轮轨应力云图，从图中可以看出，轮轨接触时最大应力值为110.6Mpa，优化后轮面最大应力约降低了50%，强度满足要求。

7结论

本文通过对60E1轮轨型面的优化分析，提高了轮轨的结构强度，使轮轨的结构强度满足要求。同时通过采用ABAQUS进行计算和分析，为以后轮轨的设计与优化提供了参考。

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（作者单位：中航工程集成设备有限公司）