LMA和LM型踏面對機車脫軌性能分析

畢貞法， 陳 萍

（上海應用技術學院軌道交通學院，上海 201418）

LMA和LM型踏面對機車脫軌性能分析

畢貞法， 陳 萍

（上海應用技術學院軌道交通學院，上海 201418）

不同的輪對踏面與鋼軌的配合對機車的脫軌性能影響很大.應用SIMPACK軟件分別建立了LMA和LM型踏面的機車模型及鋼軌模型，通過不同速度下小半徑曲線上的仿真，分析了2種踏面對機車脫軌性能的影響，結果表明：合理的踏面輪對與鋼軌的配合可以提高機車的脫軌性能，LMA型踏面的脫軌性能優(yōu)于LM型踏面.

機車；踏面；鋼軌；脫軌性能

近年來高速列車發(fā)展迅速，線路條件得到了很好的改善，列車的運行安全一直是研究的重點.脫軌性能作為高速列車曲線通過性的重要指標，是列車運行安全的最直接體現.由于高速列車輪對踏面和鋼軌的形狀及運行速度的不同，導致輪軌幾何接觸之間的不同，會引起輪軌接觸狀態(tài)的差異，從而導致輪對踏面和軌道間存在情況各異的磨耗問題，尤其當列車的行駛速度越來越高時，輪對和軌道之間的磨耗問題也會愈演愈烈.合理選擇車輪踏面，對于減少輪軌磨耗，提高列車運行安全意義重大［1-7］.

本文應用SIMPACK軟件分別建立了LMA和LM型踏面的轉向架模型及鋼軌模型，通過不同輪對踏面在同一轉向架鋼軌不同速度下的對比研究，分析踏面形狀對脫軌性能的影響.

1 脫軌性能概念

脫軌系數是評價車輪脫軌穩(wěn)定性的指標，是在同一時間，水平力和垂直力的比值.國際鐵路聯(lián)盟UIC將脫軌系數安全值限定為

式中：Q為輪緣上的橫向作用力；P為車輪上的垂向作用力，且脫軌系數越大越容易脫軌.

2 模型的建立

SIMPACK軟件是德國INTEC Gmbh公司針對機電、機械系統(tǒng)運動學、動力學仿真分析而開發(fā)的多體動力學分析軟件包.SIMPACK輪軌模塊是SIMPACK軟件中的一個專業(yè)模塊，囊括了鐵路行業(yè)全部相關的動力學分析.

2.1 輪對踏面模型

（1）LM型踏面是我國自行研制和使用的一種車輪磨耗型踏面，其具體尺寸以及外形見圖1.

圖1 LM踏面外形（mm）Fig.1 The outline of tread of LM（mm）

（2）LMA型踏面為我國研究設計的一種新型踏面，其尺寸參數以及外形如圖2所示.該型踏面在國內隨著高速列車設計和制造的發(fā)展，在2l世紀初期得到大力發(fā)展和應用.LMA型踏面目前已經成功應用于CRH1、CRH2和CRH3高速動車組上.

圖2 LMA踏面外形（mm）Fig.2 The outline of tread of LMA（mm）

（3）2種踏面參數比較，如表1所示.

（4）應用AutoCAD軟件實現LM和LMA型踏面的數值離散，并把結果保存為.XLS格式的文件；編寫SIMPACK識別的.dat文件進行輪軌外形擬合.

表1 LM和LMA踏面參數比較Tab.1 The comparison between parameters of LM and LMA

2.2 鋼軌模型的建立

鋼軌的橫斷面為工字形，由軌頭、軌腰和軌底組成.鋼軌頭部形狀由幾個圓弧的半徑組成，軌頭和軌底有足夠的面積和高度，鋼軌表面光滑，側面的半徑較小.它是按照磨耗型原則設計，鋼軌外形及幾何參數如圖3所示.

圖3 鋼軌外形圖（mm）Fig.3 The outline of steel rail（mm）

軌道不平順是引起振動和輪軌動力學的主要原因，描述了隨機振動其統(tǒng)計特征與規(guī)律，很難用確定函數進行描述，一般采用功率譜密度進行描述，美國和德國在軌道譜的研究比較成熟，仿真中選用了德國低干擾譜作為軌道譜模型.

線路幾何模型：本文采用半徑為800 m的曲線，其中150 m直線線路，100 m緩和曲線線路，200 m圓曲線線路，70 mm外軌超高.

2.3 機車模型的建立

設置機車模型的質量和轉動慣量、懸掛系統(tǒng)參數以及結構尺寸，通過SIMPACK軟件創(chuàng)建的機車模型如圖4所示.通過體、函數、力元、鉸接和約束等方式定義了彈簧、橫向止擋、減震器以及車體的位置和運動等.

圖4 機車模型Fig.4 The locomotive model

3 計算結果與分析

3.1 LM和LMA型踏面的機車模型以180 km／h通過曲線時的仿真結果

不同踏面的輪對與鋼軌接觸形成不同的輪軌接觸關系，得到不同的脫軌性能.脫軌系數的具體仿真結果如圖5和圖6所示.圖中數字分別代表相應的車輪號.

圖5 LM型踏面機車脫軌系數Fig.5 The derailment coefficient of the tread of LM

圖6 LMA型踏面機車脫軌系數Fig.6 The derailment coefficient of the tread of LMA

由圖可見：

（1）在180 km／h速度下通過曲線時，2種踏面機車的脫軌系數相差不大，最大值都保持在0.12左右；

（2）當輪對進入緩圓點后，LM和LMA型踏面的脫軌系數均達到最大值.

3.2 LM和LMA型踏面的機車模型以不同速度通過曲線時的脫軌系數

2種踏面分別以速度160、170、180、190、200 km／h 5種速度通過半徑為800 m的曲線時，仿真計算出的各個指標的最大值如圖7所示.

圖7 不同速度下的脫軌系數最大值Fig.7 The maximum value of the derailment coefficient under different velocities

由圖可見：

（1）動車組運行速度在160～180 km／h，2種踏面的脫軌系數比較接近，并且比較穩(wěn)定；

（2）動車組運行速度在180～200 km／h，2種踏面的脫軌系數隨著速度的增長呈現上升趨勢；

（3）動車組運行速度在160～200 km／h，LMA型踏面脫軌系數的最大值比LM型小，LMA型踏面的脫軌性能更好.

4 結 論

通過借助SIMPACK動力學仿真軟件對2種踏面的輪軌動力學建模和仿真比較后，得出如下結論：

（1）2種踏面的脫軌系數在輪對進入緩圓點后，都達到最大值.

（2）動車組運行速度在160～180 km／h，2種踏面的脫軌系數最大值變化不大；運行速度在180～200 km／h，隨著速度的增加脫軌系數的最大值增大.

（3）動車組運行速度在160～200 km／h的范圍內，LMA型踏面的脫軌系數更小，車輛平穩(wěn)性更好，安全性更高.

［1］ 卜慶萌，姚林泉.輪軌接觸幾何關系［J］.蘇州大學學報，2011，27（3）：79-84.

［2］ 戎保，芮筱亭，王國平，等.多體系統(tǒng)動力學研究進展［J］.振動與沖擊，2011，30（7）：178-187.

［3］ 楊朝陽.車輪踏面磨耗及輪徑差對高速動車組動力學性能影響研究［D］.北京：北京交通大學，2009.

［4］ 高海俊.基于SIMPACK的軌道車輛動力學性能分析［D］.南京：南京工程學院，2012.

［5］ 谷學思.不同踏面及輪徑差對高速動車組曲線通過性能的影響［D］.北京：北京交通大學，2011.

［6］ Liu Yongjun，Liu Xiaofang.Railway wheel profile optimization design based on nurbs curve［C］／／2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation.The United States：ASME press，2010，439：331-335.

［7］ Chen Shuangxi，Lin Jianhui，Chen Jianzheng.System dynamic analysis for motor car-influence of wheel tread reprofiling［J］.Mechanic Automation and Control Engineering，2011，978：4483-4485.

（編輯 俞紅衛(wèi)）

Analysis of Locomotive Derailment Performance of Treads with LMA and LM

BI Zhenfa， CHEN Ping
（School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Different matches with wheel and rail shapes exert a tremendous influence on the locomotive derailment performance.The locomotive model and steel rail model with LMA tread or LM tread were established respectively by employing SIMPACK software，and the influence of two different treads on locomotive derailment performance was analyzed through the simulation of the small radius curve at different speed.The research results indicated that the reasonable match of wheel and steel rail shapes would improve the locomotive derailment performance and the locomotive derailment performance of the tread of LMA was proved to be superior to that of the tread of LM.

locomotive；tread；steel rail；locomotive derailment performance

U 270.33

A

1671-7333（2015）04-0367-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.011

2015-03-05

國家自然科學基金資助項目（51405303）；上海市高校青年教師培育基金資助項目（ZZyy15110）；上海應用技術學院引進人才基金資助項目（YJ2014-17）

畢貞法（1979-），男，高級工程師，博士，主要研究方向為高速列車在線檢測技術.E-mail：bizhenfa＠sit.edu.cn