曲線幾何參數(shù)對車輛輪軌磨耗的影響

魏家沛，李國芳

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著中國高速鐵路的發(fā)展，高速列車的動力學問題日漸突出。尤其是車輛過曲線時，輪軌間的作用力及磨耗也相應增加，對車輛的安全性和經(jīng)濟性造成了一定的影響。影響輪軌磨耗的因素有很多，主要有曲線半徑、曲線超高、軌底坡等?；诖耍疚膹倪@幾個主要方面對曲線上輪軌的磨耗情況進行了仿真分析。

1 研究方法及評價指標

本文利用多剛體動力學軟件SIMPACK 對裝有CW－200k 型轉向架的25T 型客車進行相關仿真計算。SIMPACK 中的車輛模型如圖1所示。

圖1 SIMPACK 中的車輛模型

由于車輪踏面外形是輪軌系統(tǒng)的關鍵因素之一，輪軌接觸關系對輪軌磨耗有很大影響，而SIMPACK中輪軌型面為歐洲標準。我國鐵路一般使用LM 磨耗型踏面，為了使CW－200k型轉向架模型仿真符合我國鐵路實情，通過文件導入LM 磨耗型車輪踏面參數(shù)。

輪軌磨耗機理十分復雜，國內(nèi)外尚無公認的評定標準。傳統(tǒng)輪軌磨耗的評價方法一般采用輪對磨耗功率、最大輪軌橫向力、沖角及蠕滑力4個動力學性能指標來分析。對于曲線上輪軌磨耗的仿真，參照以上標準來進行分析。另外，在保證列車通過曲線時輪軌磨耗較低的同時，列車的平穩(wěn)性和安全性也應達到相關的要求。

2 曲線半徑對車輛輪軌磨耗的影響

曲線半徑是影響輪軌磨耗的最主要幾何參數(shù)，研究不同曲線半徑下車輛的磨耗具有重要意義。仿真分析時，結合我國線路情況及有關標準規(guī)定，曲線設置為：直線段長30m，緩和曲線長75m，圓曲線長300m，超高80mm，軌底坡為1／40。為了能更清楚地比較曲線半徑對車輛過曲線磨耗的影響，軌道不加激勵。圖2～圖5為車輛以70km／h的速度通過不同半徑曲線時各磨耗指標變化的計算結果。

圖2 曲線半徑R 對磨耗功率的影響曲線

由仿真結果可知，車輛通過曲線時，隨著曲線半徑的增加，磨耗功率、最大輪軌橫向力、輪軌沖角及蠕滑力均有一定程度的減少。當曲線半徑小于500m 時，磨耗功率和最大輪軌橫向力急劇增加；500 m 曲線半徑時的輪軌磨耗功率是800m 曲線半徑時的3.08倍，500m 曲線半徑時的最大輪軌橫向力較800m 曲線半徑時增加了3.02倍；當曲線半徑大于800m 時，磨耗功率和最大輪軌橫向力曲線變化較為平緩。導向輪對外側車輪的橫向蠕滑力隨著曲線半徑的增加，其數(shù)值在變小。當曲線半徑變小時，輪對所需要的導向力主要由橫向蠕滑力提供。

圖3 曲線半徑R 對輪軌橫向力的影響曲線

圖4 曲線半徑R 對橫向蠕滑力的影響曲線

圖5 曲線半徑R 對輪軌沖角的影響曲線

3 曲線超高對輪軌磨耗的影響

由于曲線超高影響輪軌之間的導向力，曲線超高的大小對鋼軌側磨有很大影響。在分析曲線超高對車輛曲線通過性能的影響時，SIMPACK 中線路設置與前相同，曲線半徑設為400m，曲線超高取80mm、100mm、120mm、140mm。圖6～圖8為在不同曲線超高下，導向輪組外側車輪的各項動力學指標的仿真結果。

圖6 曲線超高對磨耗功率的影響曲線

分析可知，當曲線超高由80 mm 增至140 mm時，車輛輪對磨耗功和沖角都有不同幅度的增加。當曲線超高為80mm 時，最大輪軌橫向力為2.5kN；超高為120mm 時，輪軌橫向力達到最小值0.35kN，比超高為80mm 時降低了86.9%；當曲線超高增大到140mm 時，輪軌橫向力再增大為1.7kN，又比120 mm 時升高了79.4%?？梢姡€上超高的變化對于沖角及輪對磨耗功的影響較小，對輪軌橫向力影響很大。所以可以通過調(diào)整輪軌橫向力來降低曲線上的輪軌磨耗。一般情況下，小半徑曲線上超高通常偏大，故而適當降低超高有利于降低輪軌磨耗，但不能降得太低，過低的超高反而加劇輪軌磨耗。

圖7 曲線超高對輪軌橫向力的影響曲線

圖8 曲線超高對輪軌沖角的影響曲線

4 軌底坡對于輪軌磨耗的影響

軌底坡對曲線軌道輪軌磨耗有一定的影響，尤其是在小半徑曲線上。在國標規(guī)定的范圍內(nèi)，適當增大曲線軌道鋼軌的軌底坡，能夠增大車輛兩側輪對滾動圓半徑差，從而提高車輛的曲線通過能力。

本文分析1／40、1／30、1／20和1／10四種軌底坡時的輪軌磨耗情況，結果如圖9～圖11所示。

圖9 軌底坡對磨耗功率的影響

從圖9～圖11可以看出，當軌底坡由1／40 增加到1／10 時，沖角降低了7.9%，輪對磨耗功增加了17.9%，輪對橫向力則增至原來的4.4倍，雖然沖角會有較大降低，但輪對磨耗功率及輪軌橫向力會急劇增大，反而加劇了輪軌的磨耗。當軌底坡由1／40增加到1／20 時，輪對磨耗功降低2.6%，輪軌橫向力略有增加，輪軌沖角有較小幅度降低。

圖10 軌底坡對輪軌橫向力的影響

圖11 軌底坡對輪軌沖角的影響

5 結論

小半徑曲線上輪軌磨耗較為嚴重，曲線半徑變大時，輪軌磨耗有明顯降低。當曲線半徑大于800m 時，磨耗指標隨曲線半徑的變化影響較小。小半徑曲線上，在一定的范圍內(nèi)適當降低超高可以降低輪軌磨耗。

在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整曲線超高可有效降低輪軌磨耗，但超高的設置應該適當，過高或過低反而有可能增大輪軌磨耗。

軌底坡對輪軌磨耗有一定的影響，適當調(diào)整軌底坡可使輪對磨耗功率及沖角有一定降低，進而起到降低輪軌磨耗的作用，但效果不明顯。軌底坡增加過大會使輪軌磨耗功率及輪軌橫向力急劇增大，反而加劇輪軌的磨耗。

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