基于多点非赫兹接触模型的高速铁路道岔曲尖轨磨耗行为研究

Wheel-rail contact mechanics analysis is the research basis of the curved switch rail wear which is one of the main damages in high-speed railway turnouts. The wheel-rail multipoint non-Hertzian contact model for the high-speed railway turnouts considering the relative movement between curved switch rail and stock rail is established and verified by the finite element contact algorithm. Then the influence rule of the relative movement between curved switch rail and stock rail on the contact characteristics of curved switch rail in high-speed turnouts was explored. The Karhunen-Loève series expansion method and Latin hypercube sampling method are used to obtain the random samples of the wheel profiles for the simulation of vehicle-turnout dynamic interaction. The numerical simulation methodology for the curved switch rail wears is established by integrating the vehicle-turnout dynamic interaction, the multipoint non-Hertzian contact model and rail wear model, and its results will be compared with the field tracking test results to verify and amend the methodology. On this basis, combined with the evaluation methods for the wheel and rail cross section wear, the scientific evaluation method for curved switch rail wear in high-speed railway turnouts is proposed, and then the wear characteristics of cross section and longitudinal direction and evolution rules of the curved switch rail profiles are studied. All above of these can provide the theoretical and technical support for the maintenance and profile optimization in high-speed railway turnouts.

曲尖轨磨耗是高速铁路道岔主要伤损形式之一，轮轨接触力学分析是研究高速铁路道岔曲尖轨磨耗行为的基础。本项目基于虚拟穿透法，建立可以考虑曲尖轨-基本轨相对运动的高速铁路道岔轮轨多点非赫兹接触模型，结合有限元接触算法验证模型的正确性，探讨曲尖轨-基本轨相对运动对高速铁路道岔曲尖轨接触受力的影响规律；利用Karhunen-Loève级数展开法和拉丁超立方抽样方法，生成车轮型面随机样本，引入至车辆-道岔动力学计算中，结合多点非赫兹接触模型与材料磨耗模型，构建高速铁路道岔曲尖轨磨耗数值仿真方法，并与现场跟踪测试数据进行对比分析；在此基础上，结合区间线路轮轨磨耗评价方法，建立高速铁路道岔曲尖轨磨耗特征的科学评价方法，研究高速铁路道岔曲尖轨纵/横断面磨耗特征及演变规律，为高速铁路道岔养护维修及廓形优化设计提供理论支撑和技术支持。

曲尖轨磨耗是高速道岔主要伤损形式之一，轮轨接触力学分析是研究高速道岔曲尖轨磨耗行为的基础。本项目建立了可以考虑曲尖轨-基本轨相对运动的高速铁路道岔轮轨多点非赫兹接触模型。基于转辙器部件中尖轨和基本轨的空间相对位置和钢轨下部支撑条件，详细研究了车轮与基本轨、尖轨的接触特点，提出了考虑尖轨和基本轨相对运动的转辙器区轮轨多点接触计算方法，编制了轮轨多点接触时轮轨之间垂向作用力在基本轨、尖轨上的分配计算程序，在该程序的基础上，研究了轮对横移、轮轨垂向力、车轮廓形以及基本轨轨下胶垫刚度对轮轨接触几何关系以及轮轨力转移、分配规律的影响，并与不考虑尖轨和基本轨相对运动时的计算结果进行了对比分析，为高速道岔钢轨接触受力分析及接触损伤研究提供重要数据输入；改进了高速道岔尖轨磨耗数值仿真方法，提升了钢轨预测仿真效率和精度。为了真实地模拟高速铁路道岔尖轨磨耗行为，将高速列车车轮型面的随机变化特征引入到高速道岔尖轨磨耗数值仿真方法中；借助Karhunen-Loève级数展开法能降低特征空间维数的特性，将车轮型面随机变化转化为独立的标准正态随机变量来表征，利用拉丁超立方抽样生成车轮型面随机样本，结合车辆速度、轴重及轮轨摩擦系数等关键影响参数的随机样本，建立了可以反映尖轨运营条件的高速道岔尖轨磨耗数值仿真方法；根据轮对蛇形运动波长公式推导出轮对与非对称钢轨截面匹配时的等效锥度，并依据重力刚度最小原则求解特殊状态下的等效锥度；将基于轮最大概率对横移的等效锥度定义为名义等效锥度，从车轮径向的角度反映不同横移量下左右轮径差信息；利用基于最大概率轮对横移的结构不平顺反映道岔结构特点导致轮轨接触点在横向及竖向沿轨道纵向的变化规律；利用接触带宽从轨道坐标系横向上反映轮轨接触情况；结合现场跟踪磨耗数据和仿真预测结果，研究了高速道岔曲尖轨纵/横断面磨耗特征及演变规律，研究结论能够为高速道岔养护维修及廓形优化设计提供理论支撑和技术支持。