齿轨铁路齿条啮合与轮轨滚动接触间耦合作用机理分析

王振寰; 赵鑫; 范伟; 郏殿祥; 杨吉忠; 梁树林; 温泽峰

应用力学学报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (1) : 58 -67.

王振寰, 赵鑫, 范伟, 郏殿祥, 杨吉忠, 梁树林, 温泽峰

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摘要

针对适于山地轨道交通的齿轨铁路，建立基于显式时间积分的三维齿轨轮对-轨道瞬态接触有限元模型，模型可分析齿轮齿条啮合和轮轨滚动接触间中、高频耦合动力作用。轮对和轨道真实几何，齿轮与车轮轮径差导致“车轮悖论”现象及结构振动等均有考虑，齿轮齿条啮合和轮轨接触采用集成库仑摩擦的“面-面”接触算法求解。对比零和非零轮轨摩擦系数工况，解构“车轮悖论”现象对动态接触的影响。以初步设计的Strub型齿轨铁路为例，分析速度为10 km/h和0‰、240‰、480‰坡度下动态接触现象。结果表明，受齿轮啮合影响，齿条、轮轨接触力均呈现周期性波动，但垂向接触总力和总牵引扭矩分别在重力载荷与牵引扭矩附近波动。“车轮悖论”使齿条垂向力和法向接触应力减小，而轮轨垂向力和法向接触应力增加，齿面切向接触应力与接触斑内滑移区面积相应增加，在坡度240‰下，轮轨摩擦系数由0增至0.2,齿条、轮轨最大法向接触应力由248.69、752.66 MPa增至195.17、757.44 MPa,最大切向接触应力相应由24.48、152.84 MPa变成21.31、2.14 MPa。轮轨接触斑因发生显著蠕滑呈现全滑移。相同速度及摩擦条件下，坡度增加使齿条垂向力和牵引力增加，轮轨垂向力和牵引力减小，接触应力呈同相变化。