提速貨物列車(chē)車(chē)輪凹磨限值研究

彭敬康，崔大賓，付耀東，雷鵬程，李立

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著城際間商品貿(mào)易往來(lái)日益發(fā)展，鐵路運(yùn)輸已成為貨物運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸方式之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要地位[1]，可以說(shuō)鐵路運(yùn)輸效率直接影響著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率。目前我國(guó)貨物列車(chē)平均運(yùn)營(yíng)速度僅50 km/h[2]，低速運(yùn)營(yíng)的貨車(chē)線路亟待提高運(yùn)行速度以提升運(yùn)輸效率，但列車(chē)提速的前提是解決提速帶來(lái)的諸多動(dòng)力學(xué)及輪軌磨耗問(wèn)題。區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)，軌道列車(chē)系統(tǒng)具有一種高度非線性的輪軌接觸關(guān)系，當(dāng)列車(chē)提速后，較大的輪軌間作用力極易產(chǎn)生輪軌磨耗[3]。輪軌磨耗會(huì)改變初始的輪軌接觸特性，直接影響列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。車(chē)輪凹磨作為列車(chē)車(chē)輪磨耗的一種主要形式，是影響列車(chē)提速性能的關(guān)鍵原因之一。嚴(yán)重的車(chē)輪凹磨將對(duì)列車(chē)的運(yùn)行性能造成不利影響，甚至威脅行車(chē)安全[4]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車(chē)輪踏面凹磨及列車(chē)(車(chē)輛)動(dòng)力學(xué)性能問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。SAWLEY 等[5]通過(guò)對(duì)某型貨車(chē)車(chē)輪運(yùn)行狀況進(jìn)行跟蹤測(cè)試，分析了車(chē)輪凹磨現(xiàn)象的形成過(guò)程，并基于凹磨車(chē)輪與鋼軌的不良接觸狀態(tài)探討了車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)行為，車(chē)輪凹磨將引起車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能下降。FR?HLING 等[6]從力學(xué)角度入手，通過(guò)研究車(chē)輪凹磨與輪軌接觸狀態(tài)的關(guān)系證明了凹磨將增大輪軌作用力，對(duì)輪軌接觸力學(xué)特性不利。MACE 等[7]對(duì)車(chē)輪凹磨狀態(tài)下的車(chē)輛曲線通過(guò)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，車(chē)輪踏面凹磨會(huì)降低車(chē)輛曲線通過(guò)性能。CUI 等[8]研究了踏面凹磨對(duì)動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的綜合影響，并提出了高速動(dòng)車(chē)組的車(chē)輪鏇修閾值。孫宇等[9]探討了車(chē)輪踏面凹磨對(duì)輪軌相互作用的影響。車(chē)輪磨耗一直都是影響列車(chē)運(yùn)行性能的主要問(wèn)題[10?11]，凹磨作為車(chē)輪磨耗的主要形式，應(yīng)引起鐵路部門(mén)的高度重視，及時(shí)進(jìn)行鏇修可保證列車(chē)正常運(yùn)行。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，由于對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的考慮，車(chē)輪踏面允許存在一定程度的凹磨，而我國(guó)至今并未制定貨物列車(chē)車(chē)輪凹磨維修標(biāo)準(zhǔn)。為保證貨物列車(chē)提速運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性，對(duì)提速貨物列車(chē)車(chē)輪凹磨鏇修限值研究顯得尤為重要。本文以車(chē)輪凹陷值為研究對(duì)象，基于實(shí)測(cè)車(chē)輪磨耗數(shù)據(jù)及車(chē)輛參數(shù)，建立了貨物列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同凹陷值下的車(chē)輪踏面對(duì)提速貨物列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能影響，最后根據(jù)分析結(jié)果給出了提速貨物列車(chē)的車(chē)輪凹磨鏇修限值。

1 輪軌接觸狀態(tài)分析

圖1為車(chē)輪凹磨示意圖，將車(chē)輪凹磨程度以凹陷值[5]進(jìn)行定義。圖2 中A點(diǎn)為車(chē)輪踏面外側(cè)最高點(diǎn)，B點(diǎn)為整個(gè)踏面的最低點(diǎn)，A和B2 點(diǎn)間的垂向距離H即為車(chē)輪凹陷值。

圖1 車(chē)輪凹磨Fig.1 Hollow-worn of wheel

圖2 車(chē)輪凹陷值Fig.2 Depression value of wheel

對(duì)阜淮線某型提速貨物列車(chē)車(chē)輪磨耗進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，基于不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期的磨耗車(chē)輪數(shù)據(jù)獲得了7 種不同凹陷值下的車(chē)輪踏面廓形，如圖3 所示。由圖3可見(jiàn)，踏面凹磨區(qū)域主要分布在名義圓左右30 mm 范圍內(nèi)，凹磨中心位于在名義滾動(dòng)圓附近。

圖3 車(chē)輪踏面廓形Fig.3 Profiles of wheel tread

將不同凹陷程度踏面與CN60(60 kg/m)鋼軌進(jìn)行匹配，探討凹磨對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的影響，圖4給出了凹磨車(chē)輪與CN60 鋼軌匹配時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布?？梢?jiàn)當(dāng)車(chē)輪未發(fā)生磨耗時(shí)，車(chē)輪與鋼軌在名義圓附近匹配良好，輪軌接觸點(diǎn)分布均勻。當(dāng)車(chē)輪產(chǎn)生凹磨現(xiàn)象后，車(chē)輪與鋼軌的接觸點(diǎn)開(kāi)始向凹磨區(qū)域兩側(cè)移動(dòng)，并隨著凹陷值逐漸增大，輪軌接觸點(diǎn)向凹磨區(qū)域兩側(cè)集中的現(xiàn)象越明顯，接觸點(diǎn)左右橫向間隔也逐漸加寬。當(dāng)車(chē)輪凹陷值達(dá)到3.0 mm 時(shí)，車(chē)輪與鋼軌在名義圓附近幾乎無(wú)法形成有效接觸，此時(shí)輪軌接觸點(diǎn)將隨著列車(chē)運(yùn)行在凹磨區(qū)域兩側(cè)發(fā)生跳躍，使輪軌產(chǎn)生沖擊、碰撞，降低列車(chē)的運(yùn)行性能。此現(xiàn)象也被稱(chēng)為假輪緣效應(yīng)[4]。

圖4 輪軌接觸幾何Fig.4 Contact geometry of wheel-rail

等效錐度用于評(píng)價(jià)輪軌接觸特性，在工程中常作為列車(chē)間接動(dòng)力學(xué)性能衡量指標(biāo)[12]，其計(jì)算公式為：

式中：rl，rr分別為左右車(chē)輪名義滾動(dòng)圓半徑；Δr為輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差；yG為輪對(duì)橫移量。

UIC 519 將輪對(duì)橫移幅值為3 mm 處的等效錐度規(guī)定為名義等效錐度，圖5給出了不同凹陷值下的車(chē)輪等效錐度隨輪對(duì)橫移量的變化曲線?？梢?jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪的名義等效錐度約為0.1，當(dāng)凹陷值逐漸增大，車(chē)輪名義等效錐度也隨之增大，當(dāng)凹陷值達(dá)到3 mm 時(shí)，車(chē)輪名義等效錐度已增至0.24，是標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪踏面的2.4 倍。車(chē)輪等效錐度的增大勢(shì)必引起較大的輪軌作用力，使輪對(duì)橫向晃動(dòng)進(jìn)一步惡化。

圖5 等效錐度Fig.5 Equivalent conicity

2 列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能分析

2.1 列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

基于阜淮線某型貨物列車(chē)實(shí)測(cè)車(chē)輛參數(shù)，設(shè)置軌距1 435 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1 353 mm，軌底坡1/40，運(yùn)用Simpack 多剛體動(dòng)力學(xué)軟件[13]建立列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。圖6所示為列車(chē)單節(jié)車(chē)輛結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。

圖6 列車(chē)車(chē)輛結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.6 Topological diagram of train structure

圖3已給出不同凹陷值下的凹磨踏面廓形，為探究踏面凹陷值對(duì)列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響，利用凹磨踏面數(shù)據(jù)建立Simpack輪對(duì)模型作為系統(tǒng)的輸入變量。同時(shí)，考慮到Simpack動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)系統(tǒng)自由度的計(jì)算限制，列車(chē)模型以3節(jié)車(chē)輛編組來(lái)反映頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性。由于阜淮線屬于我國(guó)繁忙鐵路干線，為保證線路日常運(yùn)營(yíng)，并未對(duì)阜淮線進(jìn)行軌道不平順激勵(lì)測(cè)量。但調(diào)查得知，我國(guó)干線鐵路軌道不平順性處于美國(guó)五級(jí)、六級(jí)鐵路之間[14]，考慮阜淮線較差的線路狀態(tài)，因此設(shè)置美國(guó)五級(jí)譜作為線路不平順激勵(lì)。直線線路設(shè)置長(zhǎng)度800 m，采樣頻率200 Hz。曲線線路采用相同的采樣頻率，設(shè)置半徑R700 m，圓曲線700 m，超高100 mm，兩端緩和曲線100 m，前直線600 m，后直線200 m。

2.2 直線運(yùn)行性能分析

蛇行失穩(wěn)臨界速度是用于評(píng)價(jià)列車(chē)直線運(yùn)行穩(wěn)定性的一種關(guān)鍵指標(biāo)，目前對(duì)貨物列車(chē)的一種非線性臨界速度計(jì)算方法——單次積分法[15]可以描述為：首先讓列車(chē)以某一速度通過(guò)一段施加了隨機(jī)不平順激勵(lì)的線路，使列車(chē)系統(tǒng)受到足夠的振動(dòng)激勵(lì)，之后列車(chē)進(jìn)入一段無(wú)激勵(lì)的平直軌道，觀察列車(chē)導(dǎo)向輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般認(rèn)為當(dāng)導(dǎo)向輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由發(fā)散變?yōu)榉€(wěn)定，且在下一通過(guò)速度下導(dǎo)向輪對(duì)不再穩(wěn)定，此速度即為列車(chē)的非線性臨界速度。圖7 以裝載LM 標(biāo)準(zhǔn)型面車(chē)輪為例，當(dāng)列車(chē)以142 km/h 速度通過(guò)一段激勵(lì)線路后進(jìn)入理想平直線路，其導(dǎo)向輪對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由不穩(wěn)定逐漸趨于穩(wěn)定，而列車(chē)以143 km/h 的速度通過(guò)相同線路時(shí)，其輪對(duì)運(yùn)行狀態(tài)呈發(fā)散狀態(tài)，因此列車(chē)的非線性臨界速度為142 km/h。

圖7 LM踏面臨界速度Fig.7 Critical speed of LM tread

按上述計(jì)算方法將不同凹陷程度的磨耗車(chē)輪臨界速度計(jì)算如圖8所示，可見(jiàn)隨著踏面凹陷值增大，列車(chē)的非線性臨界速度將由142 km/h 逐漸減小至107 km/h。經(jīng)調(diào)查，該型貨物列車(chē)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)造速度為120 km/h，當(dāng)凹陷值達(dá)到3.0 mm 后，列車(chē)的臨界速度已低于轉(zhuǎn)向架構(gòu)造速度，這將造成列車(chē)在提速通過(guò)直線區(qū)段時(shí)極易發(fā)生蛇形失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8 凹磨踏面臨界速度Fig.8 Critical speed of hollow-worn tread

列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度受到如線路構(gòu)造速度、車(chē)輛構(gòu)造速度和機(jī)車(chē)最高運(yùn)營(yíng)速度等諸多因素影響。盡管列車(chē)在直線區(qū)段可以較高速度通過(guò)，但由于曲線、道岔、車(chē)站和坡度的制約，列車(chē)的運(yùn)營(yíng)速度仍處于較低等級(jí)，提升列車(chē)的運(yùn)營(yíng)速度是提速的主要目標(biāo)。經(jīng)調(diào)查，我國(guó)多數(shù)普速貨物列車(chē)運(yùn)營(yíng)線路與阜淮線具有相似特征，受線路構(gòu)造速度和復(fù)雜路段限速影響，列車(chē)很難以較高的運(yùn)營(yíng)速度通過(guò)線路。目前對(duì)阜淮線提出的運(yùn)營(yíng)速度提速目標(biāo)為80 km/h，在80 km/h 速度下對(duì)車(chē)輪凹磨限值進(jìn)行研究對(duì)保證列車(chē)正常運(yùn)行具有實(shí)際意義。

輪對(duì)橫向振動(dòng)加速度是列車(chē)穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，我國(guó)GB/T 5599—2019 尚未給出輪對(duì)橫向加速度的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，采用UIC518 規(guī)定的輪對(duì)橫向加速度均方根值判定準(zhǔn)則：sy?|lim=5 m/s2。其中加速度均方根計(jì)算公式為：

式中：y?1,y?2,…,y?n為采樣區(qū)段內(nèi)各采樣點(diǎn)的輪對(duì)橫向振動(dòng)加速度值；y?為該采樣段輪對(duì)橫向振動(dòng)加速度均方根值。

圖9 按式(2)分別計(jì)算了80 km/h 工況下各凹磨踏面輪對(duì)橫向加速度均方根值。由圖9可見(jiàn)，踏面凹陷值在0～1.5 mm 范圍內(nèi)對(duì)輪對(duì)橫向加速度影響不大，當(dāng)凹陷值增大至2.0 mm 后，輪對(duì)橫向加速度明顯增大，當(dāng)凹陷值增大至3.0 mm 時(shí)，部分加速度均方根值接近容許限值。

圖9 輪對(duì)橫向加速度均方根值Fig.9 RMS of lateral acceleration of wheelset

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，工務(wù)部門(mén)對(duì)7種不同凹陷值的凹磨車(chē)輪各選用3 輛試驗(yàn)列車(chē)在80 km/h 運(yùn)營(yíng)速度下進(jìn)行輪對(duì)橫向加速度測(cè)試，記錄每輛試驗(yàn)列車(chē)在試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)的輪對(duì)橫向加速度最大值，最后計(jì)算3輛試驗(yàn)列車(chē)的輪對(duì)最大加速度平均值。為對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將理論計(jì)算結(jié)果按上述方法進(jìn)行相同處理，取理論輪對(duì)橫向加速度最大值均值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10 所示?？梢?jiàn)，理論結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有相同的變化趨勢(shì)，輪對(duì)橫向加速度隨踏面凹陷值增大而增大，且數(shù)值較為吻合。

圖10 理論/試驗(yàn)輪對(duì)橫向加速度對(duì)比Fig.10 Comparison of the oretical/experimental lateral acceleration of wheelset

采用GB/T 5599—2019 規(guī)定的貨車(chē)轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)：對(duì)側(cè)架橫向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行0.5～10 Hz帶通濾波處理，對(duì)濾波后的時(shí)域振動(dòng)波形進(jìn)行評(píng)估，若波形中存在連續(xù)6次超過(guò)8 m/s2的現(xiàn)象，判定轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)。將裝有不同凹陷值的踏面的側(cè)架橫向加速度濾波處理如圖11所示。凹陷值在0～1.5 mm范圍內(nèi)側(cè)架橫向加速度增長(zhǎng)不顯著，凹陷值超過(guò)2.0 mm 后側(cè)架加速度出現(xiàn)大幅增加，當(dāng)凹陷值達(dá)到3.0 mm 時(shí)，部分側(cè)架橫向加速度值已超過(guò)8 m/s2，但并未連續(xù)6 次超過(guò)。

圖11 側(cè)架橫向加速度Fig.11 Lateral acceleration of side frame

為研究車(chē)輪凹磨對(duì)列車(chē)系統(tǒng)振動(dòng)頻率的影響，將輪對(duì)及側(cè)架橫向振動(dòng)加速度頻譜分析結(jié)果對(duì)比如圖12和圖13所示。由圖12可見(jiàn)，當(dāng)踏面凹陷值處于0～2.5 mm 范圍內(nèi)時(shí)，輪對(duì)橫向振動(dòng)主頻集中在0～10 Hz 范圍內(nèi)，振動(dòng)幅值隨凹陷值的增大呈上升趨勢(shì)。當(dāng)踏面凹陷值達(dá)到3.0 mm 時(shí)，凹磨激發(fā)了80～90 Hz 范圍內(nèi)的強(qiáng)烈振動(dòng)，且輪對(duì)橫向振動(dòng)幅值顯著增加。圖13 所示的構(gòu)架橫向振動(dòng)頻譜規(guī)律與圖12 類(lèi)似。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是車(chē)輪凹磨引起的劇烈輪軌沖擊振動(dòng)由軸箱傳遞至側(cè)架[16]，激發(fā)了側(cè)架橫向剛體模態(tài)振動(dòng)所致。

圖12 輪對(duì)橫向振動(dòng)加速度頻譜分析Fig.12 Spectrum of lateral vibration acceleration of wheelset

圖13 側(cè)架橫向振動(dòng)加速度頻譜分析Fig.13 Spectrum of lateral vibration acceleration of frame

圖14 給出了列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中踏面凹陷值分別為0，2.5 和3.0 mm 的輪軌運(yùn)行接觸軌跡。由圖14可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)踏面在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，與鋼軌匹配特性良好，輪對(duì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生較小橫移，輪軌接觸點(diǎn)未出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象；當(dāng)踏面凹陷值達(dá)到2.5 mm 時(shí)，輪軌在凹磨區(qū)域內(nèi)不能有效接觸，輪軌接觸點(diǎn)在凹磨區(qū)域兩側(cè)發(fā)生跳動(dòng)，引起一定程度的輪軌沖擊，加劇了輪對(duì)、側(cè)架的橫向振動(dòng)；當(dāng)凹陷值達(dá)到3.0 mm 時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)在凹磨區(qū)域兩側(cè)橫向跳動(dòng)距離明顯增大，造成嚴(yán)重的輪軌沖擊現(xiàn)象，這是引發(fā)側(cè)架劇烈橫向晃動(dòng)的原因。

圖14 輪軌運(yùn)行接觸軌跡Fig.14 Trace of wheel-rail contact point

我國(guó)采用GB/T 5599—2019 規(guī)定的平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，平穩(wěn)性指標(biāo)的公式為：

式中：W為列車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)；A為車(chē)體橫向加速度，m/s2；f為車(chē)體振動(dòng)頻率；F(f)為與f相關(guān)的加權(quán)系數(shù)。

對(duì)列車(chē)系統(tǒng)加速度時(shí)域響應(yīng)特性作FFT 變換可獲得加速度頻率響應(yīng)函數(shù)，此時(shí)對(duì)各頻段進(jìn)行橫向平穩(wěn)性指數(shù)計(jì)算，采用下式算得全頻段橫向總平穩(wěn)性指數(shù)：

理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)皆采用上述方法對(duì)不同凹陷程度的踏面對(duì)應(yīng)的列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，其中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)給出了列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性的最大值、最小值和平均值。將計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖15 所示，可見(jiàn)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果都表明列車(chē)的橫向平穩(wěn)性指數(shù)將隨踏面凹陷值增長(zhǎng)而增大，當(dāng)凹陷值由2.0 mm 增長(zhǎng)至3.0 mm 時(shí)，列車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)增長(zhǎng)較明顯。盡管因理論模型的簡(jiǎn)化使平穩(wěn)性理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在一定偏差，但從結(jié)果來(lái)看，理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有相同的變化趨勢(shì)，理論計(jì)算結(jié)果處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的平穩(wěn)性指標(biāo)范圍內(nèi)，并與試驗(yàn)平均值具有較高的一致性。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。GB/T 5599—2019 規(guī)定貨物列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性指數(shù)不高于3.5 時(shí)，認(rèn)為列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)為優(yōu)。盡管踏面凹陷值的增長(zhǎng)使列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性有所降低，但計(jì)算范圍內(nèi)的踏面凹陷值均能滿(mǎn)足列車(chē)平穩(wěn)性要求。

圖15 理論/試驗(yàn)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比Fig.15 Comparison of theoretical/experimental lateral ride index

2.3 曲線通過(guò)性能分析

圖16 給出了曲線通過(guò)時(shí)的列車(chē)輪對(duì)橫向加速度均方根值，當(dāng)車(chē)輪凹陷值由0 mm 增大至1.5 mm時(shí)，輪對(duì)橫向加速度均方根值以較小幅度發(fā)生增長(zhǎng)，當(dāng)凹陷值由2.0 mm 增大至3.0 mm 時(shí)，輪對(duì)橫向加速度增長(zhǎng)明顯，且在3.0 mm 凹陷值下部分加速度值已超出限值。

對(duì)列車(chē)曲線通過(guò)時(shí)的側(cè)架橫向振動(dòng)加速度進(jìn)行0.5～10 Hz 帶通濾波處理，結(jié)果如圖17 所示，當(dāng)踏面凹陷值在2.0 mm 以下時(shí)，側(cè)架橫向加速度以較低幅度增長(zhǎng)，當(dāng)凹陷值由2.0 mm 增長(zhǎng)至3.0 mm 時(shí)，側(cè)架橫向加速度增長(zhǎng)幅度較明顯。同時(shí)觀察到，當(dāng)凹陷值達(dá)到3.0 mm 時(shí)，側(cè)架橫向加速度已存在連續(xù)6 次峰值超過(guò)8 m/s2的現(xiàn)象，此時(shí)判定側(cè)架發(fā)生失穩(wěn)。

圖17 曲線通過(guò)側(cè)架橫向加速度Fig.17 Lateral acceleration of side frame in curve

脫軌系數(shù)用于鑒定列車(chē)是否會(huì)因輪軌橫向力的作用而逐漸爬上軌頭脫軌，GB/T 5599—2019 對(duì)貨物列車(chē)脫軌系數(shù)作出如下規(guī)定：當(dāng)輪軌橫向作用力Q的作用時(shí)間大于0.05 s 時(shí)，其脫軌系數(shù)(Q/P) ≤1.0。將列車(chē)通過(guò)曲線的脫軌系數(shù)計(jì)算如圖18 所示，盡管踏面凹陷值的增加會(huì)引起脫軌系數(shù)產(chǎn)生一定程度變化，但數(shù)值間的差距并不大，因此踏面凹陷值的增長(zhǎng)對(duì)脫軌系數(shù)的影響較小。

圖18 脫軌系數(shù)Fig.18 Derailment coefficient

輪重減載率用于評(píng)定車(chē)輛是否會(huì)因一側(cè)車(chē)輪減載過(guò)大而導(dǎo)致列車(chē)傾覆，我國(guó)對(duì)貨物列車(chē)輪重減載率的容許限值為：(ΔP/P) ≤0.65，其中ΔP為輪重減載量，P為平均輪重。將不同凹陷值下的車(chē)輪曲線通過(guò)輪重減載率對(duì)比如圖19 所示，可見(jiàn)隨凹陷值的增大，輪重減載率呈增大趨勢(shì)，踏面凹陷3.0 mm 下的輪重減載率因輪軌沖擊出現(xiàn)瞬時(shí)增大并接近容許限值。

圖19 輪重減載率Fig.19 Rate of wheel load reduction

3 結(jié)論

1) 對(duì)阜淮線上某型提速貨物列車(chē)車(chē)輪磨耗進(jìn)行跟蹤測(cè)試，基于不同運(yùn)營(yíng)里程的磨耗車(chē)輪獲得了7種凹陷值下的車(chē)輪踏面廓形。通過(guò)對(duì)比輪軌接觸幾何特性，發(fā)現(xiàn)凹磨踏面在名義圓附近不易與鋼軌形成有效接觸，導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)在此范圍內(nèi)發(fā)生橫向跳動(dòng)，且跳動(dòng)距離隨著車(chē)輪凹陷值增大而增加。同時(shí)，踏面凹陷值的增加會(huì)增大踏面等效錐度，對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

2)根據(jù)貨物列車(chē)實(shí)際參數(shù)，運(yùn)用Simpack多剛體動(dòng)力學(xué)軟件搭建了列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析了踏面凹陷值對(duì)提速貨物列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響，并將理論結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果表明踏面凹陷值的增大會(huì)降低列車(chē)的臨界速度，引起輪軌間沖擊振動(dòng)，加劇輪對(duì)與側(cè)架的橫向振動(dòng)，降低列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性。車(chē)輪凹磨對(duì)脫軌系數(shù)影響不大，但會(huì)增加曲線運(yùn)行時(shí)的輪重減載率并造成列車(chē)運(yùn)行失穩(wěn)。

3) 通過(guò)對(duì)比車(chē)輪凹陷值與列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)容許限值可知，當(dāng)踏面凹陷值在2.0 mm 以?xún)?nèi)時(shí)，凹磨對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能影響不大，當(dāng)凹陷值達(dá)到2.5 mm 時(shí)，列車(chē)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)出現(xiàn)顯著惡化，當(dāng)凹陷值達(dá)到3.0 mm 時(shí)，列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能已出現(xiàn)較大程度降低，部分指標(biāo)已超出容許值。因此，建議運(yùn)營(yíng)速度提升至80 km/h 的貨物列車(chē)車(chē)輪凹陷值應(yīng)控制在2.5 mm 內(nèi)，以保證列車(chē)提速后的安全運(yùn)營(yíng)。