基于輪軌損傷的快捷貨車線路適應(yīng)性分析

王超 王開云 凌亮 高賢波

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031

我國電商行業(yè)的興起與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促使具備高時(shí)效、高附加價(jià)值貨物運(yùn)輸量急劇增長，傳統(tǒng)貨運(yùn)列車的運(yùn)行速度難以滿足運(yùn)輸需求。我國鐵路運(yùn)輸模式為客貨共線，在既有線路和提速線路增設(shè)快捷貨車成為貨運(yùn)發(fā)展的主要趨勢(shì)。我國已對(duì)160 km/h速度等級(jí)的快捷貨車開展了大量研究［1-2］?？旖葚涇嚧蠓崴賹?duì)貨車輪軌低動(dòng)力作用設(shè)計(jì)提出較大挑戰(zhàn)。劉林［3］對(duì)我國某型快捷貨車轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)開展優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)貨車輪軌低動(dòng)力作用優(yōu)化設(shè)計(jì)。韓正彥［4］通過剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型開展快捷貨車轉(zhuǎn)向架焊接結(jié)構(gòu)載荷疲勞評(píng)估，為快捷貨車轉(zhuǎn)向架的抗疲勞設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)?？旖葚涇囇兄萍夹g(shù)的日益成熟為快捷貨車的開行提供了技術(shù)支撐，開展快捷貨車在不同線路條件下的曲線適應(yīng)性分析成為了當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

快捷貨車研制過程中應(yīng)充分考慮客貨共線運(yùn)行工況與現(xiàn)有貨運(yùn)線路運(yùn)行環(huán)境。我國幅員遼闊，線路條件復(fù)雜，快捷貨車通過小半徑曲線工況難以避免，而小半徑曲線段是引發(fā)車輪磨耗與裂紋損傷的主要原因。由于快捷貨車車輛定距較傳統(tǒng)貨車大，其車輪服役環(huán)境更惡劣，更易產(chǎn)生輪軌磨耗與疲勞裂紋。

國內(nèi)外諸多學(xué)者已對(duì)輪軌磨耗與疲勞損傷開展了深入研究。金學(xué)松等［5-6］研究了輪軌接觸疲勞的起因與發(fā)展過程，論述了抑制車輪磨耗的若干種對(duì)策。Auciello等［7］提出一種用以預(yù)測(cè)車輪磨損廓形演變的預(yù)測(cè)模型。Hossein等［8］采用遺傳算法對(duì)車輪廓形進(jìn)行優(yōu)化，成功緩解了北歐重載鐵路機(jī)車車輪的滾動(dòng)疲勞問題。李偉等［9］運(yùn)用NUCARS動(dòng)力學(xué)軟件分析重載鐵路小半徑曲線幾何參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響研究。陶功權(quán)等［10］采用安定圖與車輪損傷函數(shù)對(duì)25G型客車車輪踏面損傷原因開展分析，指出車輪頻繁經(jīng)過小半徑曲線是導(dǎo)致車輪踏面外側(cè)裂紋和剝離的主要原因。周坤等［11］運(yùn)用UM動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)40 t軸重重載貨車通過不同半徑曲線的車輪損傷情況開展了研究，為40 t軸重重載鐵路曲線半徑設(shè)計(jì)提供理論支撐。

我國干線鐵路一般鋪設(shè)60 kg/m鋼軌（簡稱60軌），部分重載鐵路鋪設(shè)75 kg/m鋼軌（簡稱75軌）。本文以最新研制的18 t軸重160 km/h快捷貨車為研究對(duì)象，對(duì)LM型車輪踏面分別與60軌、75軌匹配運(yùn)行的磨耗情況開展仿真分析，研究快捷貨車運(yùn)行在不同半徑曲線線路上的適應(yīng)性，以期為快捷貨車運(yùn)行曲線半徑的選取提供理論參考。

1 快捷貨車動(dòng)力學(xué)模型

當(dāng)前研制的18 t軸重快捷貨車未采用現(xiàn)役傳統(tǒng)貨車的三大件式轉(zhuǎn)向架，而采用研制的HZ160C3式轉(zhuǎn)向架（圖1）。該轉(zhuǎn)向架選用U形焊接構(gòu)架，主要包括輪對(duì)、軸箱轉(zhuǎn)臂、一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)單元、牽引拉桿等。一系懸掛系統(tǒng)采用軸箱轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)，安裝鋼彈簧、隔振墊和垂向液壓減振器；為滿足快捷貨運(yùn)的運(yùn)行速度與平穩(wěn)性要求，二系懸掛系統(tǒng)采用橡膠彈簧，并安裝二系橫向液壓減振器與抗蛇行減振器，同時(shí)設(shè)置二系橫向橡膠止檔。

圖1 HZ160C3轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK，建立了160 km/h快捷貨車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，如圖2所示。建模時(shí)，輪對(duì)、構(gòu)架、牽引拉桿以及車體均視為6自由度剛體，軸箱轉(zhuǎn)臂僅有1個(gè)點(diǎn)頭自由度，共計(jì)62個(gè)自由度。車輪廓形選用LM踏面。主要車輛參數(shù)見表1。

圖2 快捷貨車動(dòng)力學(xué)模型

表1 快捷貨車主要參數(shù)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 磨耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

國內(nèi)外學(xué)者提出了多種磨耗指數(shù)計(jì)算方法，在一定程度上反映輪軌間磨耗情況。傳統(tǒng)的Heumann磨耗指數(shù)應(yīng)用最為廣泛，但該計(jì)算方法忽略接觸點(diǎn)具體位置，且輪軌磨耗與輪對(duì)沖角成線性關(guān)系的描述與實(shí)際情況不符。Marcotte磨耗指數(shù)計(jì)算方法體現(xiàn)輪軌兩點(diǎn)接觸位置，但實(shí)際應(yīng)用中須計(jì)算輪軌空間接觸位置，計(jì)算量與誤差均較高。英國鐵路部門提出以輪軌接觸斑處所消耗的摩擦功作為輪軌評(píng)價(jià)指標(biāo)，忽略自旋蠕滑的影響，即Elkins磨耗指數(shù)［12］，表達(dá)式為W=Fxεx+Fyεy。其中：W為磨耗指數(shù)，N；Fx、Fy分別為縱向、橫向蠕滑力，N；εx、εy分別為縱向、橫向蠕滑率。

Elkins磨耗指數(shù)考慮車輪蠕滑率，能較好地反應(yīng)輪軌磨耗程度。北美鐵道協(xié)會(huì)運(yùn)輸試驗(yàn)中心所進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)也證實(shí)輪軌磨耗與接觸斑處消耗的摩擦功有較好的線性關(guān)系。因此，本文選取Elkins磨耗指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 損傷函數(shù)預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)車輪踏面剝離的損傷函數(shù)由鋼軌損傷函數(shù)技術(shù)發(fā)展而來，將動(dòng)力學(xué)模型輸出的輪軌接觸結(jié)果引入損傷函數(shù)，進(jìn)一步預(yù)測(cè)車輪是否萌生滾動(dòng)接觸疲勞。損傷函數(shù)考慮磨耗對(duì)疲勞損傷的影響，損傷函數(shù)曲線見圖3。圖中，損傷函數(shù)正值表示疲勞損傷，負(fù)值表示磨耗損傷，總損傷量為兩者之和，即車輪每滾動(dòng)一圈所產(chǎn)生的相對(duì)疲勞損傷。由圖3可以得出損傷函數(shù)特征參數(shù)：疲勞損傷、磨耗損傷起始值分別為20、100 N，發(fā)展速率分別為3.6×10-6、-5.4×10-6r/N。

圖3 損傷函數(shù)曲線

考慮到輪軌接觸作用時(shí)的裂紋閉合效應(yīng)及液體疲勞裂紋擴(kuò)展的影響，僅有作用在車輪上的縱向蠕滑力方向與列車運(yùn)行方向相反時(shí)才計(jì)算疲勞損傷［11］。

3 快捷貨車曲線適應(yīng)性分析

車輛通過曲線線路時(shí)，導(dǎo)向輪的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)與磨耗情況往往明顯大于其他輪對(duì)，因此主要對(duì)導(dǎo)向輪對(duì)開展分析。LM踏面分別與60軌、75軌匹配，取曲線半徑R=400、600、800、1 000、1 200 m，快捷貨車運(yùn)行速度均取80 km/h，超高統(tǒng)一設(shè)置為均衡超高。磨耗指數(shù)取圓曲線段磨耗指數(shù)的有效值（均方根）。

3.1 LM踏面與60軌匹配

LM踏面與60軌匹配時(shí)，第一對(duì)輪對(duì)的車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線見圖4?？芍涸谛“霃角€工況下，以外軌側(cè)車輪磨耗為主；隨著曲線半徑的增加，輪對(duì)內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均呈明顯下降趨勢(shì)，且內(nèi)外側(cè)車輪逐漸趨于均勻磨耗。R=400 m時(shí)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)為249.59 N，R=600、800 m時(shí)分別為161.23、113.15 N，分別降低了35%和55%，內(nèi)外軌磨耗指數(shù)的差值分別降低了31%和51%；之后隨曲線半徑的逐漸增大，磨耗指數(shù)變化幅度趨于平緩，內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)差值變化趨于平穩(wěn)。

圖4 60軌工況下車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線

60軌工況下導(dǎo)向輪對(duì)內(nèi)外側(cè)車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線見圖5。

圖5 60軌工況下導(dǎo)向輪對(duì)車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線

由圖5可知：①外軌側(cè)車輪損傷主要形式為磨耗損傷，發(fā)生在名義滾動(dòng)圓內(nèi)側(cè)-23～-37 mm處；車輪磨耗損傷隨曲線半徑的增大而急劇減小，與磨耗指數(shù)的變化規(guī)律一致；曲線半徑由400 m增至800 m時(shí)外軌側(cè)車輪損傷值明顯下降，從800 m增至1 200 m時(shí)損傷值逐漸趨于穩(wěn)定。②內(nèi)軌側(cè)車輪損傷主要形式為疲勞損傷，發(fā)生在車輪名義滾動(dòng)圓-6～29 mm處；R=600 m時(shí)車輪疲勞損傷最大，之后隨著曲線半徑的增大，車輪損傷值逐漸降低。這是因?yàn)榍€半徑的增大過程中磨耗指數(shù)呈明顯的降低趨勢(shì)，而損傷函數(shù)存在損傷起始值。R=600 m時(shí)內(nèi)軌側(cè)車輪的磨耗指數(shù)為101.06 N，表明其磨耗指數(shù)位于磨耗損傷起始值附近，而R=400 m時(shí)其磨耗指數(shù)遠(yuǎn)超過磨耗損傷起始值，說明磨耗損傷能夠有效抑制疲勞損傷的發(fā)展（參見圖4）。曲線半徑大于600 m后磨耗指數(shù)逐漸降低，內(nèi)軌側(cè)車輪的疲勞損傷情況有所改善，即曲線半徑越接近600 m，內(nèi)軌側(cè)車輪的疲勞損傷越大。

3.2 LM踏面與75軌匹配

LM踏面與75軌匹配時(shí)，第一對(duì)輪對(duì)的車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線見圖6?？芍狠唽?duì)內(nèi)外側(cè)車輪磨耗指數(shù)差值較大；隨著曲線半徑的逐漸增大，外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)急劇降低；R=1 000、1 200 m時(shí)輪對(duì)內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)降低趨勢(shì)趨于平緩，內(nèi)外軌側(cè)磨耗指數(shù)差值分別為45.08、32.78 N，輪對(duì)內(nèi)外側(cè)車輪趨于均勻磨耗。

圖6 75軌工況下車輪磨耗指數(shù)隨曲線半徑的變化曲線

75軌工況下導(dǎo)向輪對(duì)內(nèi)外側(cè)車輪損傷隨曲線半徑的變化曲線見圖7。

圖7 導(dǎo)向輪對(duì)車輪損傷隨75軌曲線半徑的變化曲線

由圖7可知：①外軌側(cè)車輪在-38 mm處出現(xiàn)明顯磨耗損傷，損傷值比相應(yīng)的60軌增大數(shù)倍；R=400 m時(shí)損傷最大值達(dá)到703.49×10-6；隨著曲線半徑增大，外軌側(cè)車輪損傷值急劇降低，R=600 m時(shí)降至171.01×10-6，降低76%；曲線半徑超過800 m后外軌側(cè)損傷值趨于穩(wěn)定，與磨耗指數(shù)變化規(guī)律一致。②內(nèi)軌側(cè)車輪損傷值變化規(guī)律與60軌工況計(jì)算結(jié)果基本一致。R=600 m時(shí)磨耗指數(shù)處于磨耗損傷起始值附近，導(dǎo)致R=600 m的損傷值最大；曲線半徑增至1 000 m后磨耗指數(shù)趨于穩(wěn)定，與文獻(xiàn)［13］指出的兩種鋼軌匹配的內(nèi)軌磨耗程度接近這一結(jié)論吻合。

LM踏面與75軌匹配時(shí)在輪緣與軌頭側(cè)會(huì)產(chǎn)生接觸點(diǎn)，且接觸區(qū)域較窄，磨耗范圍集中［13］。75軌工況下，第一對(duì)輪對(duì)外軌側(cè)車輪接觸點(diǎn)在曲線段的分布情況見圖8?？芍和廛墏?cè)車輪輪緣接觸點(diǎn)在車輪名義滾動(dòng)圓-38 mm處；R=400 m時(shí)，輪對(duì)外軌側(cè)車輪在圓曲線段內(nèi)基本全程保持輪緣接觸，這是導(dǎo)致外軌側(cè)車輪損傷出現(xiàn)較大損傷值的直接原因；隨著曲線半徑的增大，外軌側(cè)車輪輪緣接觸的持續(xù)時(shí)間與接觸頻率逐漸降低，曲線半徑由800 m增至1 000 m時(shí)外軌側(cè)車輪輪緣接觸頻率明顯下降；R=1 200 m時(shí)，外軌側(cè)接觸點(diǎn)基本不再出現(xiàn)輪緣接觸現(xiàn)象。由此可見，外軌側(cè)車輪產(chǎn)生輪緣接觸是導(dǎo)致磨耗指數(shù)與損傷值大幅增大的根本原因。為減緩車輪損傷與磨耗，快捷貨車運(yùn)行中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)輪緣接觸現(xiàn)象。

圖8 75軌工況下外軌側(cè)車輪接觸點(diǎn)在曲線段分布

4 結(jié)論與建議

1）在小半徑曲線工況下，車輛通過60軌與75軌線路時(shí)均以外軌側(cè)車輪磨耗為主；隨著曲線半徑的增加，輪對(duì)內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均明顯下降，且內(nèi)外側(cè)車輪逐漸趨于均勻磨耗。

2）對(duì)于不同半徑曲線，車輛通過60軌與75軌線路時(shí)外軌側(cè)車輪均以磨耗損傷為主，內(nèi)軌側(cè)車輪均以疲勞損傷為主。

3）60軌與75軌的內(nèi)軌側(cè)疲勞損傷規(guī)律相近。曲線半徑為600 m時(shí)，60軌與75軌內(nèi)軌側(cè)磨耗指數(shù)均處于磨耗損傷起始值附近。

4）對(duì)于60軌，曲線半徑超過800 m后外軌側(cè)輪軌磨耗趨于穩(wěn)定；對(duì)于75軌，半徑曲線為800 m時(shí)外軌側(cè)仍存在頻繁的輪緣接觸，外軌側(cè)磨耗指數(shù)顯著大于60軌，曲線半徑達(dá)到1 000 m時(shí)輪緣接觸情況有所改善，疲勞損傷趨于緩和。在開行快捷貨車時(shí)應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)輪緣接觸現(xiàn)象。

綜合考慮磨耗指數(shù)與車輪滾動(dòng)接觸疲勞情況，快捷貨車在60軌線路上開行時(shí)線路最小曲線半徑不宜低于800 m；在75軌線路上開行時(shí)線路最小曲線半徑建議取1 200 m，困難情況下不宜低于1 000 m。