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高速铁路动车组轮轨滚动接触弹塑性分析

万鹏

江西省交通运输厅

摘要：列车的提速对铁道技术的研究提出了一个新的挑战，许多关键技术问题急需解决,

轮轨滚动接触问题就是其中之一。该问题涉及到多个学科，如传学热，接触力学，结构力学，

力学，材料科学，摩擦学，车辆的轨道结构。然而，随着列车在高速运行,轮轨之间的摩擦

接触性能以及接触特性、材料性能的变化规律变得更加复杂。这些问题的解决对列车安全运

营和降低运输成本以及进一步提速具有重要的意义。

关键词：轮轨接触；摩擦接触；弹塑性分析；滚动接触

1.前言

列车速度的提高对铁路技术的研究提出了一个新的挑战，许多关键技术问题急需解决,

轮轨滚动接触问题就是其中之一。从世界各国的高速铁路运营情况来看，安全事故引起的轮

轨疲劳损伤，如弯曲的轨道上运行，横向轨到轨断裂，疲劳裂纹曲线造成出轨。轮轨的滚动

接触而导致疲劳损伤。在直线轨道上由于斜裂纹损伤出现崩溃。运行以来线路曲线段出现大

量的钢轨斜微裂纹、轮轨滚动接触疲劳损伤。为了避免轮轨滚动接触表面损伤继续扩展引发

严重脱轨事件,铁路部门需要定期对钢轨进行预防性打磨或对车轮进行检修等工作轮轨的弹

塑性的接触问题，结合了多个学科，如传学热，接触力学，结构力学，力学，材料科学，摩

擦学，车辆的轨道结构。然而，随着列车在高速运行,轮轨之间的摩擦接触性能以及接触特

性、材料性能的变化规律变得更加复杂。这些问题的解决对列车安全运营和降低运输成本以

及进一步提速具有重要的意义。

2.轮轨弹塑性接触理论

轮轨滚动接触理论是从经典接触力学理论推导而来,该理论经历了较长时间的发展阶

段，主要用于分析动车车轮与车轨的接触力及其相对运动关系的分析。下面主要介绍几种常

见的接触理论。

2.1Hertz接触理论

1882年，Hertz在会议上提出了经典的Hertz接触理论。Hertz为了计算接触之间的局部

变形,做了如下假设:(1)将接触物体看作为弹塑性体;(2)接触表面是连续的且是非协调的;(3)

接触变形为小应变的假设;(4)接触表面是光滑的,只传递法向力、无摩擦力。Hertz认为在一

般情况下,两个弹性体的接触椭圆的面积上,每个弹性体都有不变的主曲率半径。

2.2Carter二维滚动接触理论

1926年,英国学者F.W.Carter在首次提出了用两圆柱体的滚动接触模拟铁道车轮和钢

轨间发生的滚动接触。当钢轨的模拟趋于无穷大圆柱体半径，那么可以假定，该弹性体是一

种半无限空间，作为滚动的表面上在无限弹性半空间的圆柱体的轮子和轨道之间的关系。在

建立完边界条件之后,Carter用半空间逼近圆柱体,从而求解两个半空间接触的二维弹性问

题，为平面问题。假设切向摩擦力满足库伦摩擦定律,并将

法向应力分布取为Hertz分布,在圆柱体上形成了椭圆接触斑细长,形状近似为矩形。

Carter将接触斑分成为两个部分:（1）黏着区-在滚动方向前沿无滑动的区域-（2）滑动区-

其邻接的有滑动的区域。

2.3Johnson无自旋三维滚动接触理论

在1958年，约翰逊根据卡特的研究所进行了弹性球滚动接触及分析进行进一步研

究，作为平面滚动接触理论扩展到三维空间中。基于圆形接触表面假定在平面上和弹性球、

研究和分析的流动方向和横向旋转运动的力的滚动的效果，并最后提出由旋转或侧向力引起

的切应力分布。此后，Vermeulen.P.J.约翰逊对接触点三个椭圆形，椭圆形斑块对Hertz接

触压力的经典理论的接触压力的三维球体模型进行了研究。认为椭圆斑上的接触压力为经典

的Hertz理论接触压力,同时，按照Carter的研究思路再次划分了接触斑内黏着区和滑动区。

2.4Kalker理论

1967年,荷兰学者Kalker在虑了纵向蠕滑率及横向蠕滑率和自旋蠕滑率对接触斑蠕

滑力的影响后，利用三维接触椭圆接触区的级数的方法，从而形成了轮轨蠕滑理论。Kalker

研究的基本思想是对于物性常数相同的两滚动接触物体，在受碾压过程中可以忽略接触斑内

切向力和法向力对接触处法向变形的影响。在接触中过程中没有相对滑动的假设机床桑，通

过在接触点之间的分布密度则最后得到蠕滑率/力呈线性关系,即Kalker线性蠕滑理论模型。

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