郭 濤， 王 寧， 劉永強

(1.中車唐山軌道車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.中國鐵路北京局集團公司 石家莊車輛段，河北 石家莊 050000；3.石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著我國高速列車運營里程的不斷增加和運行速度的逐漸提高，車輛系統(tǒng)所受軌道激擾頻率增大,輪軌間作用日漸劇烈,結(jié)構(gòu)振動強度不斷提高，車輪與鋼軌不斷磨損，輪軌之間的匹配關(guān)系發(fā)生變化。車輪磨耗存在于列車運行的各個階段。即使是車輪踏面的正常磨耗也會改變輪軌接觸關(guān)系，導(dǎo)致車輛的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和安全性受到極大的挑戰(zhàn)，會使列車在實際運行中產(chǎn)生大量的動力學(xué)問題，如蛇行失穩(wěn)、車體異?；蝿印⑥D(zhuǎn)向架異常振動等[1-2]。目前解決此類問題的有效辦法是鏇修車輪，但是這樣會帶來維修成本的提高，制約其發(fā)展。

針對踏面磨耗，國外學(xué)者開展了系列研究。Ignesti et al[3]提出了一種鐵道車輛車輪輪廓優(yōu)化磨損模型，用于改善標(biāo)準(zhǔn)S1002車輪輪廓的磨損和穩(wěn)定性;Kevin et al[4]研究了踏面下凹磨損的影響；Markov[5]采用試驗方法研究了鋼軌和輪鋼的磨損與硬度之間的關(guān)系;Shebani et al[6]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來預(yù)測不同接觸條件下輪軌的磨損；Yoshioka et al[7]通過將磨損計算程序結(jié)合到SIMPACK中來構(gòu)建初始磨損輪廓預(yù)測模型；Telliskivi et al[8]分析了低半徑曲線中輪軌接觸的變化，模擬輪軌接觸的變化形狀。國外很多學(xué)者將研究重心放在了磨耗機理及磨耗預(yù)測上，研究踏面磨耗對動力學(xué)性能影響的較少，另外研究主要針對重載貨車，研究結(jié)果并不適用于高速列車。

國內(nèi)學(xué)者針對踏面磨耗的影響因素進行了研究。劉新元[9]分析了行車速度、曲線半徑等因素對輪軌磨耗的影響規(guī)律;黃彩虹等[10]研究了鋼軌型面、車輪型面、運行速度、軌道不平順、線路條件、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)對高速列車車輪踏面磨耗規(guī)律的影響；孫效杰等[11]從統(tǒng)計學(xué)角度研究了踏面磨耗規(guī)律，分析了踏面磨耗對輪軌接觸幾何關(guān)系和等效錐度的影響。還有一些學(xué)者針對踏面磨耗對動力學(xué)性能的影響進行了分析。黃照偉[12]通過對高速列車長期跟蹤實驗，分析了車輪踏面偏磨、凹磨及車輪非圓化的原因及影響；王朝濤[13]分析了踏面磨耗對某型高速列車動力學(xué)性能的影響。我國學(xué)者對輪軌關(guān)系及踏面磨耗的機理做了大量的研究，但是關(guān)于車輪磨耗對車輪動力學(xué)性能影響的研究較少。

本文在線路實測踏面磨耗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過車輛動力學(xué)模型的建立、仿真和分析，研究踏面磨耗量對車輛運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線通過性的影響，以期對車輪踏面磨耗狀態(tài)下的車輛動力學(xué)性能進行綜合評價。

1 列車跟蹤試驗數(shù)據(jù)分析

在武廣線上對國內(nèi)某型高速列車的車輪磨耗情況開展跟蹤試驗，實際測量了該車的某一固定位置輪對的磨耗量變化情況。測得該列車在鏇修后的4個不同運行里程下車輪LMA踏面外形數(shù)據(jù)：(1)鏇后運行0 km；(2)鏇后運行79 039 km；(3)鏇后運行114 606 km；(4)鏇后運行157 690 km。

從圖1(a)和圖1(b)中2個踏面的外形變化中可以看出，踏面磨耗主要集中在滾動圓中心左右兩側(cè)，并且隨著運營里程增加，踏面磨耗量增大，導(dǎo)致磨耗不斷向兩側(cè)延伸，磨耗越來越深，磨耗面積由小變大。最終會導(dǎo)致磨耗后的踏面外形與原型踏面輪廓產(chǎn)生較大的變化，勢必會影響輪軌接觸幾何關(guān)系。

圖1 輪對車輪踏面磨耗外形對比圖

2 高速列車模型的建立

2.1 模型簡化假設(shè)與動力學(xué)參數(shù)

圖2 高速列車動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)

以國內(nèi)某型300 km/h高速列車為研究對象，建立高速列車動力學(xué)模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了方便后續(xù)建模和仿真， 對模型進行必要的簡化，包括將二系空氣彈簧簡化為3個笛卡爾坐標(biāo)方向上的線性剛度系數(shù)，忽略車下設(shè)備的分布位置對車體慣性的影響，將一系懸掛和二系懸掛部分元件的力學(xué)特性進行線性化處理等。

模型主要慣性參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 模型主要慣性參數(shù)

表2 模型懸掛系統(tǒng)主要參數(shù)

2.2 車輛模型的建立

采用車輛動力學(xué)仿真軟件VI-rail建立該高速列車模型，選擇拖車車輛空載狀態(tài)進行建模，該模型包括車體、構(gòu)架、輪對、軸箱等部件，共包括50個自由度。建立的模型如圖3所示。初始的車輪踏面采用LMA型，鋼軌型面采用CHN60型。抗蛇行減振器非線性阻尼特性如圖4所示。

圖3 高速列車動力學(xué)模型

圖4 抗蛇行減振器阻尼特性

2.3 軌道激勵

采用德國低干擾和高干擾軌道譜作為軌道激勵，這2種軌道譜分別適用于時速高于300 km和250～300 km的高速列車仿真，其軌道不平順數(shù)值模擬時域曲線如圖5所示。

圖5 高速軌道不平順曲線

2.4 模型有效性檢驗

在一條光滑的直線軌道上設(shè)置一個振幅為15 mm的沖擊激勵，讓列車以不同的速度行駛，測量輪對質(zhì)心的橫向移動量隨時間的變化曲線，可以測得該模型的線性臨界速度。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 車輛模型蛇行運動曲線

從圖6所示的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所建車輛模型的線性失穩(wěn)臨界速度為684 km/h，對于運營速度為300 km/h的高速列車而言，該結(jié)果比較符合實際情況。

3 車輪磨耗對動力學(xué)性能的影響

3.1 車輪磨耗對車輛運動穩(wěn)定性的影響

依據(jù)臨界速度的計算方法，計算出2個車輪踏面不同運營里程下踏面車輛的臨界速度，如表3所示。繪制了臨界速度隨踏面磨耗量的變化趨勢，如圖7所示。

圖7 臨界速度趨勢圖

表3 臨界速度測量表

由表3和圖7可以看出，在踏面磨耗初期，車輛臨界速度下降比較緩慢；在踏面磨耗中期，臨界速度下降也相對緩慢；而隨著運行里程的增加，踏面磨耗達到一定程度后，車輛的臨界速度繼續(xù)下降?？傮w來看，隨著踏面磨耗量的增加，車輛的臨界速度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。因此，踏面磨耗對車輛臨界速度影響較大。

3.2 車輪磨耗對車輛運行平穩(wěn)性的影響

平穩(wěn)性評價指標(biāo)選擇Sperling指標(biāo)。仿真過程選取4種磨耗工況，分別以200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h 4種不同速度通過直線線路，線路長度10 km，仿真計算時間10 s，仿真步數(shù)5 120，軌道激擾選擇德國低干擾譜。分別繪制橫向和垂向Sperling指標(biāo)隨踏面磨耗量的變化趨勢，如圖8所示。

圖8 車輪磨耗對車輪平穩(wěn)性能的影響

由圖8(a)可以看出，踏面磨耗量對橫向平穩(wěn)性影響較大。同一速度下，隨著踏面磨耗量的增加，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸增大。以200 km/h為例，當(dāng)踏面磨耗量為0 mm增加到0.462 9 mm時，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增加了15%，會導(dǎo)致車體橫向平穩(wěn)性降低。同時也可以看出，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著車輛運行速度的增大而增大，以踏面磨耗量0.199 1mm為例，當(dāng)車輛速度從200 km/h增加到350 km/h時，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增加了43%。

由圖8(b)可以看出，車輛在同一速度不同磨耗量的狀況下，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本保持不變，但同一磨耗量下，隨著運行速度增大，垂向平穩(wěn)性也在增大。例如，踏面磨耗量為0.199 1 mm時，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)由200 km/h時的1.611 2增長到350 km/h的2.324 7，增長了44%。因此，踏面磨耗量對垂向平穩(wěn)性影響不大，但車輛運行速度的增加會導(dǎo)致垂向平穩(wěn)性能劣化。

3.3 車輪磨耗對車輛曲線通過性能的影響

選擇曲線半徑為12 km的曲線線路，仿真計算時間為20 s，軌道不平順選用德國高干擾軌道譜。通過仿真分析不同磨耗工況下的4種踏面外形車輛分別以260 km/h、270 km/h、280 km/h、290 km/h、300 km/h 5種不同速度通過上述曲線線路，得到脫軌系數(shù)的數(shù)值大小。

從圖9(a)中可以看出，相同速度級下，脫軌系數(shù)隨著踏面磨耗量的增加而逐漸增大，踏面磨耗量由0增加到0.462 9 mm時，脫軌系數(shù)平均增長了20%左右；而在同一踏面磨耗量下，隨著運行速度的增加，脫軌系數(shù)也呈現(xiàn)一個增長的趨勢，相同磨耗量下車輛速度由260 km/h增加到300 km/h時，脫軌系數(shù)平均增長了30%左右。在運行速度不變的情況下，脫軌系數(shù)大小與踏面磨耗量的大小成正相關(guān)，在相同踏面磨耗量下，脫軌系數(shù)隨著運行速度的增加而增大。

從圖9(b)中可以發(fā)現(xiàn)，在同一運行速度下，隨著踏面磨耗量的增加，輪重減載率變化不大，上下平均浮動在4.3%；而在同一踏面磨耗量下，隨著運行速度的增加，輪重減載率呈現(xiàn)出一種增長的趨勢，相同磨耗量下車輛速度由260 km/h增長到300 km/h時，輪重減載率平均增長了25%左右。由此可見，踏面磨耗對輪重減載率影響不大，但是速度對輪重減載率影響較大，隨著速度的提高，輪重減載率在增大。

圖9 車輪磨耗對車輛曲線通過性能的影響

4 結(jié)論

通過利用列車的線路跟蹤試驗獲得的實際車輪磨耗結(jié)果，開展高速列車的動力學(xué)仿真分析，研究車輪磨耗量對車輛動力學(xué)性能的影響。主要結(jié)論如下：

(1)踏面磨耗量對車輪運動穩(wěn)定性的影響較大，且隨著踏面磨耗量的增加，車輛的臨界速度不斷降低。

(2)車輪踏面磨耗量對車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響明顯，對車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響不大。隨著車輪踏面磨耗量的增大，車輛橫向平穩(wěn)性不斷惡化。

(3)車輪踏面磨耗量對脫軌系數(shù)有一定的影響，但對輪重減載率的影響較小。

(4)研究結(jié)果對高速列車車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)的修訂有一定的指導(dǎo)意義。