任文娟 崔大賓 李 立 陳光雄

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川成都 610031；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系 四川成都 610399)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)出行的要求日益提高，高速列車因其安全、快捷、舒適等因素得到越來越多人的青睞。在高速線路快速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著諸多問題，其中輪軌間的磨損是鐵路運(yùn)輸中耗資最大的一個(gè)問題。車輛在運(yùn)行過程中列車的牽引、制動(dòng)和運(yùn)行都是通過輪軌間的滾動(dòng)接觸作用實(shí)現(xiàn)的，車輛、軌道間各種載荷的傳遞依賴于大小約100 mm2的接觸斑，接觸斑反復(fù)承受輪軌間的各種載荷，極易產(chǎn)生輪軌磨損和滾動(dòng)接觸疲勞破壞現(xiàn)象，每年用于輪軌維護(hù)的成本高達(dá)幾十億[1-3]。因而，對(duì)輪軌磨損成因及其解決辦法的研究得到越來越多學(xué)者的關(guān)注[4]。目前，常見的車輪磨損形式主要有踏面的剝離、踏面凹形磨耗、踏面熱裂紋、輪輞外側(cè)裂紋、輪背磨損、輪緣磨損等。

我國(guó)高速線路主要以直線和大半徑曲線為主，但動(dòng)車組出入庫(kù)線、站內(nèi)線等位置以小半徑曲線居多。小半徑曲線工況下容易出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸現(xiàn)象，輪緣與鋼軌的貼靠將造成嚴(yán)重的輪緣磨損與鋼軌側(cè)磨。而輪緣磨耗到限也成為某些動(dòng)車組線路上輪對(duì)服役壽命降低的主要原因。

通過對(duì)我國(guó)某高速線路動(dòng)車組輪對(duì)磨耗狀況的長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該型動(dòng)車組輪緣磨耗較為嚴(yán)重。即使主踏面仍在服役壽命周期內(nèi)，輪對(duì)卻因輪緣磨耗到限而報(bào)廢。輪對(duì)服役壽命的縮短不僅增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量與成本，對(duì)列車的正常運(yùn)行也十分不利。由于輪緣磨耗主要發(fā)生在曲線段，尤其是小半徑曲線工況下，而作為高速列車重要組成部分的轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)，對(duì)車輛的曲線通過性能有較大影響。目前對(duì)轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)的研究[5-11]，主要集中在對(duì)車體蛇形臨界速度的影響、車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性與舒適性等動(dòng)力學(xué)問題，而懸掛參數(shù)對(duì)輪緣磨耗的影響研究相對(duì)較少。因此，本文作者針對(duì)某線路動(dòng)車組輪緣磨耗異常的問題，分析計(jì)算了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，進(jìn)而剖析懸掛參數(shù)與輪緣磨耗之間的關(guān)系。

1 車輪型面分析

通過長(zhǎng)期對(duì)動(dòng)車組線路輪緣磨耗的跟蹤測(cè)試，文中給出了3種常用動(dòng)車組實(shí)測(cè)輪緣磨耗情況，如圖1所示。動(dòng)車組的輪緣磨耗量包括兩部分：一部分是車輛運(yùn)行產(chǎn)生的自然磨耗量；另一部分是因輪緣磨耗降低了輪軌匹配性能，從而對(duì)車輪進(jìn)行鏇修帶來的輪緣損耗量。相鄰2次車輪鏇修的時(shí)間間隔稱為鏇修周期。從圖1中可以看出，A型動(dòng)車組的輪緣磨耗在各鏇修周期基本相同，且輪緣磨耗量最大；B型動(dòng)車組車輪在服役初期輪緣磨耗較小，隨著鏇修周期的增加輪緣磨耗越來越嚴(yán)重；C型動(dòng)車組車輪型面雖然在第一鏇修周期輪緣磨耗較大，但與A、B型動(dòng)車組相比輪緣磨耗明顯較小，而且隨鏇修周期的增加輪緣磨耗量趨近于0。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，車輪出現(xiàn)輪緣磨耗后，為減小車輪鏇修量，通常不恢復(fù)輪緣厚度。因此，部分車輪給出了薄輪緣鏇修型面[12]，而圖2中B型動(dòng)車組車輪鏇修型面采用的是鏇修模板平推的方法，并無標(biāo)準(zhǔn)薄輪緣鏇修型面。該方法導(dǎo)致鏇修過程中車輪外形發(fā)生變化，型面改變必然造成輪軌匹配問題的出現(xiàn)，進(jìn)而影響車輛的運(yùn)行性能。任文娟等[13]分析了采用目前經(jīng)濟(jì)鏇修方法得到的不同輪緣厚度新鏇車輪型面對(duì)輪對(duì)匹配性能的影響，考慮了車輪型面改變對(duì)車輛運(yùn)行性能、輪緣磨耗的影響。而轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)是影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的另一關(guān)鍵因素，為探究懸掛參數(shù)與輪緣磨耗之間的關(guān)系，文中建立了B型動(dòng)車組仿真模型并對(duì)懸掛參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析了懸掛參數(shù)對(duì)B型動(dòng)車組輪緣磨耗的影響。

圖1 實(shí)測(cè)動(dòng)車組輪緣磨耗

2 車輛懸掛參數(shù)影響

2.1 軸箱定位剛度的影響

轉(zhuǎn)向架是保證動(dòng)車組安全、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其懸掛參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行性能有一定影響。文中根據(jù)轉(zhuǎn)向架中各構(gòu)件的作用，對(duì)影響列車直線運(yùn)行性能和曲線通過性能的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

輪對(duì)剪切剛度和彎曲剛度是影響輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的主要因素，如圖2所示。對(duì)轉(zhuǎn)臂式軸箱定位而言，橫向定位剛度相當(dāng)于輪對(duì)剪切剛度，縱向定位剛度相當(dāng)于輪對(duì)彎曲剛度[14-15]。相鄰輪對(duì)須同時(shí)具有一定的彎曲剛度和剪切剛度時(shí)才可以使車輛具有足夠的蛇形穩(wěn)定性。但剛度的選擇應(yīng)兼顧車輛的直線運(yùn)行性能與曲線通過性能。剛度選取的相關(guān)規(guī)定可參考文獻(xiàn)[16]。

圖2 輪對(duì)運(yùn)動(dòng)模式[14]

輪對(duì)彎曲運(yùn)動(dòng)模式與剪切運(yùn)動(dòng)模式共同決定了車輛直線運(yùn)行性能及曲線通過性能。目前動(dòng)車組大多采用了較大的彎曲剛度，從而很好地制約了輪對(duì)的蛇形運(yùn)動(dòng)，提高了列車的臨界速度。文獻(xiàn)[14]給出了不同定位剛度下臨界速度的變化趨勢(shì)，如圖3所示。可以看出，若有效提高車輛臨界速度，須增大軸箱縱向定位剛度(即彎曲剛度)，減小軸箱橫向定位剛度(即剪切剛度)。但彎曲剛度較大輪對(duì)通過曲線時(shí)將不會(huì)趨于徑向位置，主要依靠車輪踏面錐度提供的輪軌蠕滑力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)向架通過曲線，這將限制轉(zhuǎn)向架的曲線通過能力。當(dāng)輪軌蠕滑力矩不能使轉(zhuǎn)向架順利通過曲線時(shí)，將發(fā)生輪緣與鋼軌的貼靠，必將導(dǎo)致較大的輪緣磨耗現(xiàn)象。

曲線通過性能與直線運(yùn)行性能對(duì)輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)磨耗要求相反。曲線通過時(shí)要求盡可能小的彎曲剛度，使輪對(duì)可以沿鋼軌徑向方向通過曲線，避免過大的輪軌沖角及輪軌兩點(diǎn)接觸現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)輪軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸后，主踏面接觸點(diǎn)A主要承受輪軌垂向力，同時(shí)承擔(dān)輪軌蠕滑產(chǎn)生的切向力。輪緣位置接觸點(diǎn)B主要承受橫向力，且該點(diǎn)為滑動(dòng)摩擦，點(diǎn)B的橫向力大小對(duì)輪緣磨耗有很大影響。由于目前輪軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸時(shí)的接觸應(yīng)力無法準(zhǔn)確給出，因此只能對(duì)兩點(diǎn)接觸狀態(tài)下的受力情況作定性分析。此外，輪軌滾動(dòng)接觸瞬間，接觸點(diǎn)B繞點(diǎn)A的旋轉(zhuǎn)同樣造成了輪緣處材料的磨損。輪軌兩點(diǎn)接觸狀態(tài)示意圖如圖4所示，圖中FN2為接觸點(diǎn)B處的法向力;FN1為接觸點(diǎn)A處的法向力；yG為輪軌游隙；b為兩點(diǎn)接觸縱向距離；h為兩接觸點(diǎn)的垂向距離；L為兩接觸點(diǎn)橫向距離；d為滑動(dòng)臂長(zhǎng)度。

圖3 軸箱定位剛度對(duì)臨界速度的影響[14]

圖4 輪軌兩點(diǎn)接觸狀態(tài)示意[17]

其中，當(dāng)車輛以較低速度通過小半徑曲線時(shí)，輪軌橫向力可用如下公式表示:

Flateral=FN2cosτ+FN1sinγ

(1)

式中:Flateral為輪軌橫向力；τ為輪緣角即70°；γ為接觸點(diǎn)處的接觸角。

從公式(1)中可以看出，在輪軌橫向力相同的情況下，由于輪緣角為固定值，若想降低輪緣力FN2，可通過增大主踏面接觸點(diǎn)A處的接觸角γ實(shí)現(xiàn)。由于接觸角與車輪型面等效錐度相關(guān)，提高車輪型面等效錐度可以增大接觸角γ[17]。故而，對(duì)輪緣力的改善可從型面優(yōu)化角度出發(fā)。

另外，在圖4中，在相同條件下輪緣磨耗量的大小取決于輪緣力FN2的大小和滑動(dòng)臂的長(zhǎng)度d。根據(jù)圖4所示的幾何關(guān)系可得到下式[18]：

(2)

式中：φ為輪軌沖角。

從公式(2)中可以看出，影響滑動(dòng)臂長(zhǎng)度的主要參數(shù)為輪軌沖角，且沖角越大，滑動(dòng)臂越長(zhǎng)，輪緣磨耗越嚴(yán)重。

因此，文中分析了軸向定位剛度對(duì)輪軌橫向力與沖角的影響，結(jié)果如圖5、6所示?？梢钥闯?，輪軌沖角及輪軌橫向力的主要影響參數(shù)為縱向定位剛度。隨著縱向定位剛度的增大，輪軌橫向力及沖角呈先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)。這主要是由于輪對(duì)的縱向定位剛度決定了輪對(duì)的搖頭運(yùn)動(dòng)模式，車輛通過小半徑曲線時(shí)，由于較大的縱向定位剛度導(dǎo)致輪對(duì)難以發(fā)生搖頭運(yùn)動(dòng)模式，從而使輪軌沖角增大，輪緣與鋼軌貼靠產(chǎn)生較大的輪軌橫向力。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，要降低輪軌沖角，可以適當(dāng)降低輪對(duì)縱向定位剛度；但要降低輪軌橫向力，需對(duì)定位剛度做較大的調(diào)整。

圖6 軸箱定位剛度對(duì)橫向力的影響

2.2 抗蛇行減振器的影響

抗蛇行減振器是高速轉(zhuǎn)向架上必備的元器件?？股咝袦p振器特性主要體現(xiàn)在3個(gè)參數(shù)上：阻尼系數(shù)，卸荷力與串聯(lián)剛度[18]。一般采用卸荷力與卸荷速度表示減振器的非線性特性。卸荷前的卸荷力與卸荷速度的比為減振器的第一阻尼系數(shù)。第一阻尼系數(shù)越大，減振器抵制構(gòu)架與車體的相對(duì)搖頭運(yùn)動(dòng)越有效。圖7示出了抗蛇行減振器卸荷速度與卸荷力對(duì)臨界速度的影響[14]?？梢钥闯?，有效提高車輛的臨界速度可通過增大卸荷力，減小卸荷速度實(shí)現(xiàn)。

圖7 抗蛇形減振器對(duì)臨界速度的影響[14]

抗蛇行減振器第一阻尼系數(shù)的提高，會(huì)導(dǎo)致車體與構(gòu)架間的搖頭運(yùn)動(dòng)變得困難。當(dāng)車輛通過曲線時(shí)，前后轉(zhuǎn)向架相對(duì)于車體的搖頭運(yùn)動(dòng)減小，從而導(dǎo)致輪軌間沖角的增大，不利于車輛的曲線通過。圖8、9示出了計(jì)算得到的通過曲線時(shí)的沖角最大值和橫向力最大值。圖中的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了上述規(guī)律，但從圖中也可看出沖角及輪軌橫向力在整個(gè)計(jì)算范圍內(nèi)變化幅值較小。這是因?yàn)闇p振器是通過抵制鏈接兩結(jié)構(gòu)體的相對(duì)速度差而起到減振效果，計(jì)算工況中列車通過曲線的速度較低(10 km/h)，即使小半徑曲線上構(gòu)件與車體存在較大的相對(duì)搖頭位移，但其相對(duì)搖頭速度很小。故車輛低速運(yùn)行時(shí)，減振器對(duì)其曲線通過性能影響不大。

圖8 通過曲線時(shí)的沖角最大值

圖9 通過曲線時(shí)的橫向力最大值

2.3 空氣彈簧的影響

空氣彈簧是二系懸掛系統(tǒng)中的主要支撐元件，其水平剛度(橫、縱向剛度相同)對(duì)抗蛇形減振器影響較大[14]。因此，文中計(jì)算了曲線工況下空氣彈簧對(duì)輪軌沖角和橫向力的影響，結(jié)果如圖10、11所示?？梢钥闯觯S著空氣彈簧定位剛度的增加，輪軌沖角與橫向力呈線性增加趨勢(shì)，不利于車輛的曲線通過性能；而且空氣彈簧定位剛度的增加對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有直接的影響[19]。圖12所示為空氣彈簧定位剛度對(duì)臨界速度的影響。可見，與曲線工況不同，增大定位剛度臨界速度有上升的趨勢(shì)，但并不明顯[14]。

圖10 空氣彈簧水平剛度對(duì)沖角與橫向力的影響

圖11 空氣彈簧水平剛度對(duì)臨界速度的影響[14]

圖12 軸距對(duì)沖角與橫向力的影響

2.4 軸距的影響

另外，轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)過程中通常認(rèn)為軸距對(duì)車輛的直線運(yùn)行及曲線通過能力存在較大影響[19-20]。軸距越大車輛越穩(wěn)定，但曲線通過性能越差。為探討軸距對(duì)車輛通過聯(lián)絡(luò)線時(shí)的輪緣磨耗的影響，對(duì)轉(zhuǎn)向架軸距進(jìn)行了調(diào)整，計(jì)算了軸距對(duì)車輛臨界速度及輪軌沖角、輪軌橫向力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖13、14所示?？梢钥闯?，臨界速度隨軸距的增大呈上升趨勢(shì)，輪軌沖角隨軸距的增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但軸距對(duì)輪軌橫向力幾乎無影響。這主要是由于車輛通過小半徑曲線時(shí)已發(fā)生輪緣與鋼軌貼靠，并為絕大多數(shù)輪對(duì)搖頭提供了所需的回轉(zhuǎn)力。而輪對(duì)搖頭運(yùn)動(dòng)主要受縱向定位剛度的限制，故單從軸距上進(jìn)行調(diào)整，難以有效減小輪軌橫向力。

圖13 軸距對(duì)臨界速度的影響

轉(zhuǎn)向架的其他懸掛部件，如一系垂向減振器及一系彈簧，其主要用于緩解輪軌振動(dòng)向上層結(jié)構(gòu)的傳遞；橫向減振器主要抑制構(gòu)架與車體的橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)；空氣彈簧主要是二系垂向減振部件。這些參數(shù)對(duì)提高車輛的乘坐舒適性必不可少，但對(duì)車輛通過小半徑曲線時(shí)的輪緣磨耗關(guān)系不大，這里就不再進(jìn)行討論。此外，線路條件在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中通常是固定不變的，文中并未討論線路條件不同對(duì)輪緣磨耗的影響。根據(jù)以往研究不難得出，在其他工況不變時(shí)，一般車輛運(yùn)行速度越大輪緣磨耗越大，軸重越大車輛動(dòng)力學(xué)性能越差，輪緣磨耗也越嚴(yán)重。故而文中也未詳細(xì)討論這些參數(shù)的影響。

3 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)中軸箱定位剛度對(duì)車輛通過小半徑曲線時(shí)的輪軌沖角及輪軌橫向力有較大影響，進(jìn)而影響小半徑曲線下的輪緣磨耗。

(2)軸距與抗蛇行減振器對(duì)低速下車輛的曲線通過性能存在一定影響，但影響不大。

(3)減小軸箱定位剛度雖然可以降低小半徑曲線下的輪軌力，但必須對(duì)剛度做大的調(diào)整才可實(shí)現(xiàn)。在既有車輛下，與更換車輪相比改變軸箱定位剛度更加困難。后續(xù)作者將從車輪型面優(yōu)化的角度探究車輪型面改變對(duì)輪緣磨耗的影響。