齿轨铁路齿条啮合与轮轨滚动接触间耦合作用机理分析

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.