長春輕軌3號線鋼軌軌底坡對列車車輪磨耗的影響

苗壯 左安國 馬骙骙

摘要：

為探究小半徑曲線鋼軌軌底坡對車輪磨耗的影響規(guī)律，建立長春市輕軌3號線70%低地板輕軌列車車輪磨耗預(yù)測分析模型，包括獨立旋轉(zhuǎn)輪對的車輛軌道耦合動力學(xué)計算模型、輪軌接觸模型和Archard材料磨耗模型，并采用這些模型分析輕軌列車通過小半徑曲線軌道時軌底坡對車輪磨耗的影響。分析結(jié)果表明：輕軌列車通過小半徑曲線軌道時，動車輪對的磨耗程度比拖車輪對更嚴重，動車輪對總磨耗量為拖車輪對總磨耗量的159%;從輪對自身來看，內(nèi)側(cè)車輪的磨耗均比外側(cè)車輪的磨耗嚴重，內(nèi)側(cè)車輪總磨耗量為外側(cè)車輪總磨耗量的165%;鋼軌軌底坡對車輪磨耗的影響顯著，車輪踏面最大磨耗量出現(xiàn)位置隨軌底坡變化的規(guī)律較為復(fù)雜，車輪輪緣磨耗量在軌底坡為1/20時最小。

關(guān)鍵詞：

輕軌; 輪對; 耦合動力學(xué); 軌底坡; 磨耗

中圖分類號：? U260.3111; TP391.99

文獻標志碼：? B

Influence of rail cant on wheel wear

in Changchun light rail line 3

MIAO Zhuang1， ZUO Anguo1， MA Kuikui2

（

1. Operation Business Department， Changchun Railway Traffic Group Co.， Ltd.， Changchun 130000， China;

2. Shanghai Key Laboratory of Rail Infrastructure Durability and System Safety， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

To study the influence of rail cant of small radius curve track on wheel wear， the prediction and analysis models for wheel wear of 70% low floor light rail train of Changchun light rail line 3 are established， which include the vehicletrack coupling dynamic calculation model with independent rotating wheelset， wheelrail contact model and Archard material wear model. These models are used to analyze the influence of rail cant on wheel wear when light rail train passes through small radius curve track. The simulation results show that when the light rail train passes through small radius curve track， the wear of motor car wheelset is more serious than that of trailer wheelset， and the total wear amount of motor car wheelset is 159% of that of trailer wheelset. From the view of wheelset itself， the wear of the inside wheel is more serious than that of the outside wheel， and the total wear of the inside wheel is 165% of that of the outside wheel. The influence of rail cant on wheel wear is significant， and the variation of the maximum wheel tread wear and the rail cant is? complex， and the wheel flange wear is the minimum while the rail cant is 1/20.

Key words：

light rail; wheelset; coupling dynamics; rail cant; wear

0 引 言

長春輕軌3號線是吉林省長春市第一條輕軌線路，位于城市核心區(qū)域邊緣，圍繞城市核心區(qū)域北、西、南3個邊呈U形，并向凈月區(qū)組團延伸[1]，全長31.9 km，包含33個站點。長春輕軌3號線的輕軌車輛普遍存在輪緣異常磨耗情況，導(dǎo)致車輛在直線運行過程中橫向擺動幅度較大，降低乘客乘車的舒適度，且加劇輪緣與軌道的磨耗。

國內(nèi)外學(xué)者已對車輪磨耗進行大量的研究。KALKER[2]開發(fā)FASTSim算法用于計算車輪磨耗，計算結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，其開發(fā)的FASTSim算法在計算精度符合要求的前提下，還可以有效節(jié)省求解時間，證明FASTSim算法適用于車輪磨耗的求解。該算法至今仍被很多學(xué)者采用。JENDEL[3]采用Archard磨耗模型分析車輪踏面磨耗，基于現(xiàn)場試驗驗證，認為將Archard磨耗模型應(yīng)用于車輪踏面磨耗預(yù)測是可行的。李霞[4]和LI等[5]采用改進的三維非Hertz滾動接觸模型計算輪軌接觸應(yīng)力，并將該接觸應(yīng)力輸入建立的車輪磨耗計算模型中計算車輪磨耗，結(jié)合車輪每次通過接觸斑網(wǎng)格時輪軌接觸狀態(tài)的改變，可以精確計算車輪滾動時接觸斑內(nèi)應(yīng)力的變化情況，并且針對型面平滑方法，首次提出超光平滑（Super）的概念。丁軍君等[6]模擬有軌電車車輪磨耗演變過程，磨耗模型基于Archard材料模型，輪軌接觸采用可以同時考慮非橢圓接觸斑和多點接觸的接觸模型，結(jié)果表明車輪輪對內(nèi)側(cè)距對磨耗的影響在直線和曲線工況下是相互矛盾的，在一定范圍內(nèi)輪對內(nèi)側(cè)距越小對直線工況越有利、對曲線工況越不利。徐凱等[7]編制輪軌磨耗仿真程序，結(jié)合SIMPACK高速動車組模型，針對一個鏇修周期內(nèi)的2種動車組車輪，分析車輪磨耗特性及其對車輛動力學(xué)性能的影響。周業(yè)明等[8]以Ri60R2槽型軌為研究對象，參考車輪磨耗的相關(guān)標準，提出輪緣磨耗的推薦最大值。李濤等[9]結(jié)合現(xiàn)場實測研究列車車輪輪緣嚴重磨耗問題，分析鋼軌磨耗對列車運行動力學(xué)性能的影響。于春廣等[10]對某地鐵線路的列車車輪磨耗進行現(xiàn)場調(diào)查，研究輪緣偏磨的機理，并基于輪軌關(guān)系研究懸掛剛度和輪軌摩擦系數(shù)等因素，提出減緩車輪磨耗的工程建議。楊新文等[11]基于現(xiàn)代有軌電車與槽型軌耦合動力學(xué)系統(tǒng)，建立槽型軌磨耗預(yù)測模型，分析鋼軌軌底坡對槽型軌磨耗的影響。司道林等[12]和都敏等[13]研究我國現(xiàn)行鋼軌軌底坡設(shè)置標準下重載鐵路和地鐵鋼軌的磨耗情況。

目前，我國輕軌線路小半徑曲線的鋼軌軌底坡設(shè)置暫無統(tǒng)一規(guī)范，因此有必要探究輕軌列車通過小半徑曲線軌道時軌底坡對車輪磨耗的影響。本文建立輕軌車輛車輪磨耗預(yù)測分析模型，包括獨立旋轉(zhuǎn)輪對的輕軌車輛軌道耦合動力學(xué)計算模型、輪軌接觸模型和Archard材料磨耗模型?；谶@些模型，分析長春輕軌3號線列車通過小半徑曲線軌道時鋼軌軌底坡對車輪磨耗的影響。

1 車輪磨耗預(yù)測模型

1.1 車輪磨耗預(yù)測流程

車輪磨耗預(yù)測模型的計算流程見圖1。

首先，建立輕軌車輛軌道耦合動力學(xué)模型，并求解輪軌接觸點所需的動力學(xué)參數(shù);然后，通過Hertz接觸算法求解法向接觸應(yīng)力，利用FASTSim數(shù)值方法求解切向接觸應(yīng)力;最后，基于Archard材料磨耗模型計算車輪磨耗量。設(shè)定車輪磨耗量達到0.1 mm后更新車輪踏面并進入下一次迭代。

Archard材料磨耗模型表達式為

式中：Vw為磨耗體積，m3;KA為磨耗系數(shù);N為法向接觸力，N;D為滑動距離，m;H為硬度指數(shù)，N/m2。

1.2 有軌電車車輛軌道耦合動力學(xué)計算模型

利用多體動力學(xué)軟件對采用獨立旋轉(zhuǎn)輪對的輕軌列車進行建模，全車由“動車+拖車+動車”形式的3個模塊組成，見圖2。模型基本參數(shù)見表1。

車輛軌道系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多體動力學(xué)系統(tǒng)，不僅車輛各組件內(nèi)部存在復(fù)雜的相對運動和相互作用力，而且車輛與軌道也存在復(fù)雜的輪軌關(guān)系。軌道采用50 kg/m鋼軌的有砟軌道模型，施加實測的軌道不平順。在建模時對軌道和車輛進行一定的簡化或者假設(shè)：（1）將軸橋輪組、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體等部件視作剛體，忽略其彈性變形;（2）車體、轉(zhuǎn)向架、

軸橋輪組等結(jié)構(gòu)完全對稱。

2 結(jié)果分析

2.1 線路條件

計算選取的曲線線路示意見圖3，其中：橫向坐標表示沿線路長度的里程，ZH、HY、QZ、YH、HZ分別為直緩點、緩圓點、曲中點、圓緩點和緩直點;A、B和C點均為線路段的中點。設(shè)定車速為v，曲線半徑為R，曲線超高為h。

2.2 鋼軌軌底坡對輕軌列車車輪磨耗的影響

為研究鋼軌軌底坡對輕軌列車車輪磨耗的影響，選擇軌底坡分別為1/20、1/40和1/60等3種工況進行計算。為探究曲線軌道對車輪磨耗的影響，假設(shè)列車持續(xù)往返通過圖3中的線路，動車輪對為傳統(tǒng)整體輪對，拖車輪對為獨立旋轉(zhuǎn)輪對。輕軌列車通過上述小半徑曲線1 000 km后，不同軌底坡工況對動車輪對和拖車輪對內(nèi)、外側(cè)車輪型面影響的變化曲線見圖4，其中：x為車輪型面橫向坐標，正數(shù)方向為輪緣側(cè);z為車輪型面縱向坐標。

動車輪對內(nèi)、外側(cè)車輪和拖車輪對內(nèi)側(cè)車輪的踏面與輪緣均有磨耗，而拖車外側(cè)車輪磨耗位置僅在踏面處。為進一步分析車輪磨耗的變化，計算3種鋼軌軌底坡工況下列車通過小半徑曲線1 000 km后車輪的磨耗量，見圖5。

在不同鋼軌軌底坡工況下，列車通過小半徑曲線1 000 km后動車輪對與拖車輪對內(nèi)、外側(cè)車輪踏面和輪緣磨耗量最大值分別見表2和3。由此可知，動車輪對磨耗程度比拖車輪對嚴重，

按照總磨耗量=踏面磨耗量+0.5×輪緣磨耗量計算，

動車輪對總磨耗量約為拖車輪對總磨耗量的159%。對于輪對自身而言，內(nèi)側(cè)車輪磨耗程度大于外側(cè)車輪，內(nèi)側(cè)車輪總磨耗量約為外側(cè)車輪總磨耗量的165%。

隨著鋼軌軌底坡變化，動車輪對內(nèi)側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為48.2%，輪緣磨耗量平均變化率為39.0%;動車輪對外側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為16.2%，輪緣磨耗量平均變化率為53.3%。隨著鋼軌軌底坡的變化，拖車輪對內(nèi)側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為22.5%，輪緣磨耗量平均變化率為29.6%;拖車輪對外側(cè)車輪踏面磨耗量平均變化率為15.2%，輪緣磨耗量平均變化率為0。

3 結(jié) 論

建立輕軌車輛車輪磨耗預(yù)測分析模型，計算并分析鋼軌軌底坡對長春輕軌3號線列車通過小半徑曲線軌道時車輪磨耗的影響，得出以下結(jié)論：

（1）輕軌列車通過小半徑曲線時，動車輪對磨耗程度比拖車輪對嚴重，動車輪對總磨耗量約為拖車輪對總磨耗約量的159%。對輪對自身而言，內(nèi)側(cè)車輪磨耗均比外側(cè)車輪嚴重，內(nèi)側(cè)車輪總磨耗量約為外側(cè)車輪總磨耗量的165%。

（2）鋼軌軌底坡顯著影響車輪磨耗，車輪踏面最大磨耗位置隨軌底坡變化而變化，變化規(guī)律較為復(fù)雜，車輪輪緣磨耗在軌底坡為1/20時最小。

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（編輯 武曉英）