車輪磨耗和鏇修對高速動車組動力學性能的影響

阮保榮，王 琦

（1.北京京北職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，北京 101400；2.武漢鐵路局 武漢動車基地，湖北 武漢430000）

隨著強，列導車致運輪行軌速磨度耗的加提劇高。，輪輪軌軌磨間耗相對互輪作對用產(chǎn)加生的最直接影響是造成車輪不圓、輪徑產(chǎn)生偏差和車輪型面發(fā)生改變。其中，車輪型面改變必將伴隨名義滾動圓半徑和等效錐度的變化，這些變化都將直接反映到輪軌接觸幾何關(guān)系中，從而影響到車輛的動力學性能。有關(guān)專家學者們十分重視這方面的研究，包括非線性輪軌接觸模型對鐵道車輛動力學性能影響[1]；利用仿真計算磨耗對車輪型面的影響[2]；針對不同輪軌的幾何匹配、輪軌結(jié)構(gòu)參數(shù)，對動力學性能的影響進行比較[3-5]；著重于輪軌型面的設計與動態(tài)接觸問題研究[6-7]；車輪踏面的輪徑差對車輛動力學性能的影響[8]。因此，車輪的磨耗和鏇修對高速動車組的動力學性能影響尤為突出。

1 建立仿真模型

在仿真計算中采用 ERRI 標準考題的車輛模型作為研究對象，使用動力學仿真軟件 admas/rail 建立高速車輛動力學模型。模型由1個車體、2 個構(gòu)架、8 個軸箱和4個輪對構(gòu)成，如圖1所示。軌道不平順采用武廣高速鐵路實測的數(shù)據(jù)資料。

構(gòu)架與車體之間通過懸掛單元和阻尼器連接。懸掛單元定義了二系縱向、二系垂向和二系橫向連接剛度；構(gòu)架與車體之間的阻尼器包括垂向、橫向和縱向阻尼器，分別定義二系垂向減振器、二系橫向減振器和抗蛇行減振器的阻尼特性?？紤]到構(gòu)架與車體之間的橫向相對位移增大到一定值時，會產(chǎn)生很大的力，模型中采用止擋單元 (Bumpstop) 來模擬這種現(xiàn)象。

2 車輪磨耗和鏇修后的輪軌接觸狀態(tài)分析

研究輪軌接觸選用 S1002G 新輪、磨耗后舊輪和鏇修后車輪踏面與 CHN60 鋼軌的輪軌匹配情況，其中磨耗后舊輪走行了 26萬 km，其計算結(jié)果如圖2—圖4所示。

良好的輪軌接觸幾何關(guān)系是接觸點應盡可能在車輪踏面上均勻分布開來，這樣車輪的磨耗分布開來，有利于車輪型面的穩(wěn)定。同時接觸點又不能分布太大，如果分布的太開，影響車輛的蛇行穩(wěn)定性。所以良好的輪軌接觸幾何關(guān)系需要同時考慮車輪型面的保持和車輛的蛇行穩(wěn)定性問題。由圖2 和圖4的不同車輪接觸點分布可知，鏇修后的車輪踏面與 CHN60 鋼軌接觸時的接觸點分布基本與S1002G 新輪踏面的接觸點分布一致，接觸點分布較寬且比較均勻。由圖3可以看出磨耗后的車輪踏面與 CHN60 鋼軌的輪軌接觸點分布情況，踏面上輪軌接觸點分布過于集中，而且有很明顯跳移現(xiàn)象，這不利于車輪型面保持。

當名義滾動圓間距為 1.5 m 時，3 組 S1002G 車輪踏面與 CHN60 鋼軌匹配的等效錐度比較如圖5所示，磨耗后舊輪踏面的等效錐度最大，這樣高的等效錐度將嚴重影響車輛的臨界速度，從而影響行車安全。當橫移量大于 2 mm 時，鏇修后車輪踏面與S1002G 新輪踏面的等效錐度曲線接近；當橫移量小于 2 mm 時，鏇修后車輪踏面比 S1002G 新輪踏面的等效錐度稍大一點。由此也可看出，鏇修后車輪的等效錐度明顯降低，改善了磨耗后車輪型面不好的輪軌匹配情況。

圖5 CHN60 與 3 種車輪踏面匹配時的等效錐度比較

3 車輪磨耗和鏇修對車輛穩(wěn)定性的影響

臨界速度是高速車輛穩(wěn)定性的一個最主要參數(shù)，以車輛臨界速度為參考研究車輪磨耗和鏇修對車輛穩(wěn)定性的影響。

鐵道車輛系統(tǒng)的臨界速度分為線性臨界速度和非線性臨界速度，線性臨界速度是使用 adams/rail仿真軟件通過求解線性化系統(tǒng)的特征值得到的，非線性臨界速度是實際系統(tǒng)的臨界速度，其值往往小于線性臨界速度。在鋼軌選用 CHN60 的情況下，不同車輪踏面對車輛臨界速度的影響如表1所示。

表1 不同車輪踏面對車輛臨界速度的影響

從表1可以看出，車輪的磨耗對車輛臨界速度影響比較大，明顯降低了車輛臨界速度。車輪鏇修可以重新提高車輛臨界速度，因此對于高速鐵路需要重點監(jiān)控車輪磨耗情況，制定一個合理的車輪鏇修制度，以保障高速鐵路列車運行安全。

4 車輪磨耗和鏇修對車輛平穩(wěn)性的影響

將建立的高速車輛模型分別在 250 km/h、280 km/h、300 km/h、330 km/h、350 km/h、380 km/h這6個不同速度等級下進行仿真計算，軌道不平順使用武廣高速鐵路實測的數(shù)據(jù)資料，使用 Sperling平穩(wěn)性計算方法，分別計算3種車輪踏面情況下的車輛橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性，計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 3 種車輪踏面在不同速度等級下的橫向平穩(wěn)性比較

圖7 3 種車輪踏面在不同速度等級下的垂向平穩(wěn)性比較

從圖6、圖7可以看出，車輪磨耗時的車輛平穩(wěn)性指標明顯升高，平穩(wěn)性顯著下降，其中橫向平穩(wěn)性下降最多，說明車輪磨耗對車輛的橫向平穩(wěn)性影響最大。車輪鏇修后的車輛平穩(wěn)性指標迅速下降，平穩(wěn)性提高，和新輪相比有小幅升高，但差別不大，平穩(wěn)性依然屬于優(yōu)。說明車輪鏇修后可以顯著改善車輪磨耗后的車輛平穩(wěn)性，改善輪軌匹配狀態(tài)，提高車輛平穩(wěn)性。

5 結(jié)論

（1）車輪磨耗后的輪軌接觸情況不理想，有明顯的跳移現(xiàn)象，車輪的等效錐度明顯增大，車輪鏇修后的輪軌匹配情況明顯得到改善，在橫移量大于2 mm 后，其等效錐度曲線與新輪幾乎一致。

（2）車輪磨耗后的車輛穩(wěn)定性 (臨界速度) 遠低于新輪和鏇修后車輪，新輪和鏇修后車輪在臨界速度方面差別不大。臨界速度關(guān)系到車輛運行安全，因此需要加強監(jiān)控車輪的磨耗情況，保障車輛的運行安全。

（3）在平穩(wěn)性方面，車輪磨耗后車輛平穩(wěn)性遠低于新輪和鏇修后車輪。其中，車輪磨耗對車輛的橫向平穩(wěn)性影響最大。車輪鏇修后車輛平穩(wěn)性與新輪差別不大。因此，鏇修車輪可以明顯改善車輪磨耗對車輛平穩(wěn)性的影響，有效改善輪軌匹配狀態(tài)。

[1]ALONSO. Non steady state modeling of wheel—rail contact problem for the dynamic simulation of railway vehicles[J].Vehicle System Dynamics，2008，46(2)：179-196.

[2]KALKER J J. Simulation of the development of a railway wheel profile throngh wear[J]. Wear，1991，150(1)：355-365.

[3]孫善超，王成國，李海濤，等. 輪/軌接觸幾何參數(shù)對高速客車動力學性能的影響[J].中國鐵道科學，2006，27(5)：93-98.

[4]陳厚娥，王群偉，黃體忠. 客運專線列車輪對內(nèi)側(cè)距選擇的研究[J]. 鐵道機車車輛，2008，28(1)：4-8.

[5]王開云，翟婉明，蔡成標. 輪軌結(jié)構(gòu)參數(shù)對列車運行穩(wěn)定性的影響[J]. 中國鐵道科學，2003，24(1)：43-48.

[6]沈 鋼，Chollet H，葉志森. 輪軌外形及接觸問題的進一步研究[J]. 鐵道學報，2005，27(4)：25-29.

[7]張 劍，孫麗萍. 車輪型面動態(tài)高速曲線通過性能比較[J].交通運輸工程學報，2004，7(6)：6-11.

[8]李 艷，張衛(wèi)華. 車輪踏面外形及輪徑差對車輛動力學性能的影響[J]. 鐵道學報，2010，1(2)：104-108.