豐燦燦 丁亞琦 周 亮 沈 鋼

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司,200031,上海; 3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,200031,上海∥第一作者,碩士研究生)

上海軌道交通8號(hào)線車輛車輪踏面設(shè)計(jì)優(yōu)化及測(cè)試

豐燦燦1丁亞琦2周 亮3沈 鋼1

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司,200031,上海; 3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,200031,上海∥第一作者,碩士研究生)

針對(duì)上海軌道交通8號(hào)線車輪踏面異常磨耗情況,根據(jù)輪軌間的幾何接觸特性關(guān)系,采用了基于輪徑差函數(shù)的方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)了新的車輪踏面外形;運(yùn)用MATLAB/SUMLINK軟件來搭建車輛模型,通過仿真模擬,比較了裝有新、舊設(shè)計(jì)踏面的整車性能差異,得出新踏面外形具有明顯減磨性能優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。通過實(shí)際裝車試驗(yàn),分析了裝有新、舊踏面車輪的磨耗情況,從而驗(yàn)證了新踏面外形具有明顯減少鋼軌和車輪之間的相互磨耗的特性的結(jié)論。

軌道交通車輛; 踏面外形; 動(dòng)力學(xué)性能; 輪緣磨耗

在地鐵運(yùn)營期間,鋼軌曲線磨損和波浪型磨損、車輪頻繁鏇修和車輪的不圓磨損等問題是地鐵安全運(yùn)營的難題,而合理的輪軌型面匹配對(duì)于改善地鐵車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、提高曲線通過能力、降低輪軌接觸應(yīng)力、提高輪軌疲勞壽命和保證行車安全等具有重要意義[1-5]。文獻(xiàn)[6-8]提出優(yōu)化踏面外型的思路,卻未能提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[9-11]給出了一種以接觸角曲線為目標(biāo)函數(shù)的直接方法,但同時(shí)指出影響臨界速度的關(guān)鍵參數(shù)是等效斜度;文獻(xiàn)[12]采用以輪徑差曲線為目標(biāo)函數(shù)的直接方法,對(duì)高速列車的車輪踏面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為應(yīng)對(duì)車輛的車輪異常磨耗情況,上海軌道交通采用了基于輪徑差的方法,設(shè)計(jì)了滿足動(dòng)力學(xué)要求的踏面外形。本文介紹了該方法,對(duì)新、舊踏面外形進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和比對(duì),并在地鐵車輛上進(jìn)行了裝車試驗(yàn)分析,進(jìn)而得出新踏面外形具有明顯減磨性能優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。

1 踏面設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的踏面設(shè)計(jì)方法主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試驗(yàn)進(jìn)行不斷優(yōu)選,但獲得的卻是近似解。這種反復(fù)試驗(yàn)的方法,不僅花費(fèi)時(shí)間多,且由于依賴實(shí)際車輛的參數(shù)和實(shí)際線路條件,因此優(yōu)選出來的外形不具有通用性。如圖1所示,新型的鋼軌外形設(shè)計(jì)方法,是以“左右輪徑差函數(shù)”為目標(biāo),根據(jù)給定的鋼軌外形用數(shù)學(xué)模型逆向反求解踏面外形[12]。

在設(shè)計(jì)階段,首先確定“左右輪徑差函數(shù)”、接觸應(yīng)力和磨耗分布,然后根據(jù)車輛運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)和接觸點(diǎn)位置要求,修正輪徑差曲線,改進(jìn)平穩(wěn)性、曲線通過性能和降低輪軌接觸應(yīng)力。根據(jù)修正后的目標(biāo)輪徑差曲線,利用數(shù)學(xué)模型,通過遞推算法反推出修正后的車輪的新踏面外形。通過這種方法可以為多種鋼軌、軌底坡設(shè)計(jì)出合理的踏面外形,也能夠?yàn)槟ズ姆€(wěn)定的鋼軌外形設(shè)計(jì)出與之相匹配的踏面外形;能根據(jù)所需的車輛的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性和曲線通過性能設(shè)計(jì)出不同需求的踏面外形,避免了與車輛懸掛參數(shù)牽連,具有通用性和較廣的覆蓋性;可以指定通過對(duì)接觸點(diǎn)位置的修正,使設(shè)計(jì)出來的踏面外形具有較小的接觸應(yīng)力。

圖1 基于輪徑差曲線的踏面設(shè)計(jì)方法示意圖

2 踏面外形的整車性能分析

計(jì)算模型采用四軸車輛線性模型,利用MATLAB(SUMLINK)軟件來搭建車輛模型,計(jì)算車輪在不同輪軌接觸條件下的蛇形臨界速度、曲線通過性能和輪軌間的接觸應(yīng)力。車輪載荷均為8 t。

鐵路線路總是由直線軌道和曲線軌道所組成的,在直線軌道上主要分析蛇形運(yùn)動(dòng)的臨界速度問題。采用線性化方法計(jì)算當(dāng)前參數(shù)下不同輪軌接觸條件下的蛇形臨界速度,計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

最低的臨界速度出現(xiàn)在動(dòng)車AW0(空載)工況,其等效斜度為0.4、黏著系數(shù)為0.6時(shí),臨界速度為100.98 km/h。所設(shè)計(jì)踏面在磨耗時(shí)其等效斜度約為0.15左右,最低臨界速度約為169 km/h,出現(xiàn)在動(dòng)車AW0工況、黏著系數(shù)為0.15的時(shí)候,因此所設(shè)計(jì)的踏面能滿足列車快速行駛的要求。

而曲線通過性能一直是軌道交通車輛動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn),是評(píng)價(jià)車輛性能的重要指標(biāo),主要通過輪對(duì)的橫移量、橫向力、沖角和脫軌系數(shù)等方面進(jìn)行分析。計(jì)算曲線參數(shù)如表1所示,其中軌距為1 435 mm,軌底坡為1/40,黏著系數(shù)取0.3。

新踏面的曲線通過性能指標(biāo)可以從以下幾個(gè)方面來分析:

(1) 脫軌系數(shù):采用新踏面的車輛,動(dòng)車和拖車的最大脫軌系數(shù)分別為0.484 2和0.480 7,都出現(xiàn)在AW0工況、車輛通過半徑為150 m的曲線時(shí)。根據(jù)GB 5599—1985標(biāo)準(zhǔn)得:Q/P≤1.0(Q為輪軌橫向力;P為輪軌重向力)；因此脫軌系數(shù)具有較大安全余量。

表1 計(jì)算曲線參數(shù)

(2) 輪重減載率:動(dòng)車的最大外側(cè)輪重減載率為19.25%,出現(xiàn)在AW3(超載)工況下,車輛通過半徑為150 m的曲線;拖車的最大外側(cè)輪重減載率為21.33%,出現(xiàn)在AW0工況下,拖車通過半徑為150 m的曲線。根據(jù)GB 5599—1985標(biāo)準(zhǔn)得:ΔP/P≤0.6(ΔP為輪軌垂向力變化值)。因此輪重減載率也有較大安全余量。

(3) 輪軌橫向作用力:動(dòng)車和拖車輪對(duì)的最大輪軌橫向作用力分別為33.16 kN和31.33 kN,都出現(xiàn)在AW3工況,車輛通過半徑為150 m的曲線。根據(jù)GB 5599—1985的標(biāo)準(zhǔn)得:Q≤19+0.3Pst(Pst為車輪載荷)。在AW0工況下,Q≤31 kN;在AW3工況下,Q≤37 kN。因此符合要求。

(4) 輪軸橫向力:動(dòng)車和拖車輪軸的最大橫向力分別為17.38 kN和17.12 kN,都出現(xiàn)在AW3工況下,車輛通過半徑為150 m的曲線。根據(jù)GB 5599—1985的標(biāo)準(zhǔn)得:H≤0.85(15+(pst1+pst2)/2)(pst1和pst2分別為左右輪載荷)。則H≤63.75 kN,因此是安全的。

(5) 新踏面車輛與舊踏面車輛在主要曲線通過的關(guān)鍵指標(biāo)上是有差異的,主要表現(xiàn)在一位輪對(duì)與外軌的橫移量、橫向力、沖角、脫軌系數(shù)等方面,如表2所示。這些曲線通過的關(guān)鍵指標(biāo)均有不同程度的減小,并且曲線半徑越大,減小幅度也越大。

圖2 新踏面車輛在直線段不同工況下的臨界速度

表2 一位輪對(duì)新舊踏面的曲線通過關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

磨耗型踏面外形的曲率半徑不是恒定的,也并不是橢球體。為了提高計(jì)算精度,采用非赫茲滾動(dòng)接觸理論,編制了在MATLAB環(huán)境下的計(jì)算程序,以表面力學(xué)形式來表達(dá)兩彈性體滾動(dòng)接觸。通過輸入輪軌外形和軸重,計(jì)算了不同輪對(duì)橫移量下的新、舊踏面與60 kg/m鋼軌之間的接觸應(yīng)力。車輪載荷均為8 t。

如圖3所示,虛線為新踏面車輛的最大接觸應(yīng)力,實(shí)線為舊踏面車輪的最大接觸應(yīng)力;當(dāng)橫移量小于3.6 mm時(shí),新踏面車輛的最大接觸應(yīng)力較舊踏面有一定程度的下降,當(dāng)橫移量在4～5 mm時(shí),最大接觸應(yīng)力會(huì)略有上升。當(dāng)橫移量為零時(shí),最大接觸應(yīng)力下降率在20%;當(dāng)橫移量從0變化到3.6 mm時(shí),最大接觸應(yīng)力下降率先逐步升至30%,然后又逐步降低到0;在橫移量為4 mm處,最大接觸應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)小幅的提升;當(dāng)橫移量從0變化到-5 mm時(shí),最大接觸應(yīng)力下降率會(huì)逐步提高至48%,在此范圍內(nèi),最大接觸應(yīng)力值下降率皆大于20%。在所計(jì)算的輪對(duì)橫移量(±5 mm)范圍內(nèi),最大接觸應(yīng)力的平均下降率為22.82%,新踏面車輛的最大接觸應(yīng)力相比于舊踏面而言,有一定程度的下降。

圖3 新、舊兩個(gè)踏面的接觸應(yīng)力最大值比較

3 踏面裝車試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

基于前期的理論研究分析,在線路上進(jìn)行裝車試驗(yàn),以驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的踏面外形在減磨性能上的優(yōu)勢(shì)。在上海軌道交通8號(hào)線某列車上分別選取動(dòng)車(3車和5車)和拖車(1車和7車)輪對(duì),在1車和5車輪對(duì)安裝新踏面外形,在3車和7車輪對(duì)安裝舊踏面外形。同時(shí)制定了為期6個(gè)月的持續(xù)跟蹤測(cè)量方案,平均每隔10天測(cè)量一次,對(duì)比分析兩種車輪踏面外形的磨損趨勢(shì)。

主要觀察了輪緣厚度和踏面區(qū)段的磨耗情況。輪緣厚度的測(cè)量如圖4所示,采用以輪緣頂點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)[13-14],分析距離輪緣頂點(diǎn)L處A點(diǎn)的輪緣厚度Sd,通過對(duì)比,得到輪緣厚度的磨損量。對(duì)于踏面區(qū)段的磨損情況及磨損趨勢(shì),則將磨損后的踏面外形與最初的踏面外形的輪緣頂點(diǎn)和輪緣外側(cè)對(duì)齊,進(jìn)行比較,分析出踏面的垂向最大磨耗量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 車輪輪緣厚度磨耗

經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)車輛踏面外形的跟蹤測(cè)量及統(tǒng)計(jì)分析,通過對(duì)動(dòng)車和拖車的比對(duì),輪緣厚度磨損量如圖5和圖6所示。對(duì)于拖車而言,舊踏面的輪緣厚度磨損量基本都在1 mm以上,最大磨損量可以達(dá)到4.701 mm,平均磨損量為1.963 mm;新踏面的輪緣厚度磨耗量相對(duì)小得多,最大磨損量為1.435 mm,平均磨損量為0.789 mm,降低了20.8%。對(duì)于動(dòng)車而言,舊踏面的輪緣厚度磨損量分布較廣,最大磨損量可以達(dá)到3.417 mm,平均磨損量為1.122 mm;新踏面的輪緣厚度磨損量較為平穩(wěn),在0～1 mm之間,最大磨損量為0.951 mm,平均磨損量為0.629 mm,降低了34.5%,表明新踏面的輪緣抗磨耗性能較好。

圖5 拖車輪緣厚度磨損量

圖6 動(dòng)車輪緣厚度磨損量

3.2.2 踏面區(qū)段磨耗

拖車與動(dòng)車的車輪踏面區(qū)段最大磨耗量如表3所示。拖車的踏面磨損相對(duì)于動(dòng)車而言要嚴(yán)重的多,磨耗量遠(yuǎn)大于動(dòng)車,拖車踏面溝槽現(xiàn)象明顯,最大垂向磨損達(dá)到了4.79 mm,因?yàn)樵撥嚥捎玫氖翘っ嬷苿?dòng)。對(duì)于拖車而言,新踏面的踏面磨耗量比舊踏面有所降低;對(duì)于動(dòng)車而言,新踏面的踏面磨耗也有所降低。這說明新踏面有較好的輪軌接觸特性,能間接地降低輪軌之間的接觸應(yīng)力,具有較好的踏面抗磨耗性能。

表3 踏面區(qū)段的最大磨耗量 mm

4 結(jié)語

針對(duì)上海軌道交通8號(hào)線車輪異常磨耗情況,根據(jù)輪徑差函數(shù)和鋼軌外形的幾何接觸特性關(guān)系,采用了基于輪徑差的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了新的車輪踏面外形;運(yùn)用MATLAB(SUMLINK)軟件來搭建車輛模塊,對(duì)裝有新、舊踏面外形的整車性能進(jìn)行評(píng)估分析。新踏面車輛在直線段的最低臨界速度出現(xiàn)在動(dòng)車AW0工況,等效斜度為0.4、黏著系數(shù)為0.6時(shí),臨界速度為100.98 km/h;新踏面車輛通過一段50 m長(zhǎng)的隨機(jī)軌道橫向不平順線路,在上升段的最低臨界速度為235 km/h,下降段最低收斂速度為164 km/h,都在動(dòng)車AW0工況下;新踏面車輛的曲線通過性能指標(biāo)都滿足要求,與舊踏面相比,關(guān)鍵指標(biāo)均有不同程度的減小,并且曲線半徑越大,減小幅值也越大;新踏面車輛的最大接觸應(yīng)力較舊踏面車輛有一定程度的下降,在所計(jì)算的輪對(duì)橫移量范圍內(nèi),最大接觸應(yīng)力的平均下降率為22.82%。并且在上海軌道交通8號(hào)線車輛上進(jìn)行了為期6個(gè)月的裝車試驗(yàn),通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),新踏面車輪的輪緣厚度和踏面區(qū)段的磨損皆優(yōu)于舊踏面車輪。這說明該設(shè)計(jì)踏面外形具有明顯減少鋼軌和車輪之間的相互磨耗的特性,從而獲得了具有明顯減磨性能的車輪踏面外形,減少因輪軌不匹配引起的各種磨耗問題。

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Optimization and Test for Wheel Tread Design for Shanghai Metro Line 8 Vehicles

FENG Cancan,DING Yaqi,ZHOU Liang,SHEN Gang

In view of the abnormal wear of wheel tread on Shanghai metro Line 8, and according to the geometric contact characteristics of wheels and track,the design of wheel tread shape is optimized based on the wheel diameter difference function. Then, software MATLAB/SUMLINK is used to build a vehicle model. With simulation and comparison of the vehicle dynamic performances between the new tread shape and the old one, it shows that the new tread shape has better antifriction property.Finally, through operation experiment and tracing investigation, the wear condition of the new and old wheels is analyzed, the new tread shape is verified with distinct features of reducing the abrasion between rail and wheel.

railway vehicle; tread shape; dynamic performance; flange wear

Institude of Rail Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

U 270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.019

2016-01-14)