动车轮轨磨耗动力学研究实习报告

引言

随着首列国产时速300公里“和谐号”动车组的问世，我国开始在高速铁路行业飞速发展。列车运行速度的提高给人们生活带来便捷的同时，也加强了轮轨间的相互作用力，导致轮轨磨耗加剧。轮轨磨耗对轮对最直接的影响是车轮不圆、轮径产生偏差和踏面外形发生改变。踏面外形改变必将伴随名义滚动圆半径和等效锥度的变化，这些变化都将直接反映到轮轨接触几何关系上，导致车辆动力学性能恶化，从而影响车辆的稳定性、乘坐舒适性和行车安全性。

1 简述机车车辆动力学

机车车辆动力学性能包括运行蛇行失稳、运行平稳性、振动冲击、轮轨相互作用力等。研究机车车辆动力学是一项艰难的任务。在直线轨道以较低速度运行时，会发生滚摆问题，速度较高时，可能出现激烈的蛇行或浮沉振动。当通过曲线时，车轮可能爬行，产生过大横向力，造成钢轨外翻。在编组场，由于车辆碰撞可能造成货物损坏。跨线运行时，货物可能因车辆过激振动而损坏。此外，整个列车可能在水平或垂直方向鼓胀。在不同操纵条件下可能产生很大的牵引杆力而使列车分离。

2 动车组动力模型建立

目前，铁路行业大多采用多体系统动力学软件SIMPACK对动车组车型进行动力学仿真，研究分析踏面磨耗和轮径差变化对车辆动力学性能的影响趋势，特别是对动车组运动稳定性、运行平稳性和曲线通过的影响。

应用SIMPACK的wheeFrail模块，建立列车系统多体动力学模型。列车的模型如图1所示。列车模型中，车体、构架、轮对等的质量和转动惯量等属性通过Body来定义，所有零部件之间的运动连接形式用铰接Joint和约束constraint来定义，同时定义各个零件的自由度。转向架上的弹簧、减振器、横向止挡等以力元件Force的形式来定义，其中横向止挡的非线性特性通过函数来定义，并在力的设置中引用。空气弹簧受力(二系悬挂力)是通过控制模块来定义的。

图1 SIMPACK车辆动力学模型

3 车轮磨耗

3.1车轮踏面

目前各国使用的车轮踏面按外形可以归结为三种:圆柱形踏面、锥形踏面和凹形踏面(圆弧形踏面、磨耗型踏面)。其中，磨耗型踏面被广泛应用，它是在研究、改进锥形踏面的基础上发展起来的。各国车辆运行情况证明，锥形踏面车轮的初始形状，运行中将很快磨耗，但当磨耗成一定形状后(与钢轨匹配)，轮轨表面外形逐渐磨合并且冷压硬化，车轮与钢轨的磨耗都变得很缓慢，其磨耗后的形状将相对稳定。实践证明，把车轮踏面一开始就做成类似磨耗后的稳定形状，即磨耗型踏面，可明显减少轮与轨的磨耗、减少车轮磨耗过限后修复成原形时漩切掉的材料、延长了使用寿命，减少了换论、漩轮的检修工作量。磨耗型踏面可减小轮轨接触应力，既能保证车辆直线运行的稳定，又有利于曲线通过。

3.2 轮径差

理想的标准转向架的4个车轮的直径应该是完全相等的，但是由于各种因素的影响，转向架4个车轮的滚动圆直径往往不相等，存在轮径差。轮径差的表现形式可能有无数种情形，但他们都可以通过图2的转向架的4种最典型的轮径差形式组合得到。

图2 转向架轮径差

由于轮径差的存在会改变轮对的对中平衡位置，进而改变轮轨接触关系，影响车辆系统稳定性。具有轮径差的轮对等效纯滚线偏离轨道中心线的距离与轮径差和踏面等效锥度有关:轮径差越大，等效纯滚线偏离轨道中心线的距离越大;踏面等效锥度越大，等效纯滚线偏离轨道中心线的距离越小。车轮踏面等效锥度越小,车辆的临界速度越高.

车轮踏面等效锥度的计算公式为

(1)

式中:DL和DR分别为左轮和右轮的滚动圆直径;yw和λe分别为轮对的横

向位移和等效踏面锥度。

令轮对径差dD=DL-DR，则可得到具有轮径差的轮对的等效纯滚线偏离轨道中心线的距离为

(2)

3 踏面磨耗对车辆动力学性能的影响

3.1 对车辆稳定性的影响

踏面外形变化和轮径差改变都会导致轮轨接触几何关系的非线性增强及等效锥度的增大,最终影响车辆非线性临界速度。随磨耗工况的加剧,车辆的非线性临界速度一直呈明显下降趋势,非线性临界速度的急剧下降,严重影响着运行车辆的稳定性。一旦车辆的实际运行速度接近非线性临界速度,车辆将处于蛇行失稳的状态,这对于车辆运行而言是绝对不允许发生的。

3.2 对车辆平稳性的影响

车轮磨耗后,车辆的横向平稳性指标明显增大,即平稳性由优良转至合格边界状态。垂向平稳性指标也有所增加,但变化不大。这仅是在假设踏面磨耗后未出现车轮不圆的状况。一旦车轮在磨耗过程中出现了不圆度,动车组的垂向平稳性性能将急剧下降。导致车辆横向平稳性性能下降的原因,主要是轮轨在磨耗后,轮对利用踏面进行横移和摇头位置的调整,轮轨接触位置发生变化。这一方面造成等效锥度增大,同时也造成一侧的轮缘间隙减小。在轨道激励作用下,增强轮轨横向动作用力,则增大了轮对的横向振动。反映到车体上,则导致横向平稳性指标变化,最终影响乘客的乘坐舒适度。当然,随着工况恶劣程度的加剧,平稳性指标还将恶化,这是必须制止的。

3.3 对车辆曲线通过性能的影响

轮轨滚动接触纵向蠕滑率主要由滚动圆半径差决定。半径差越大,轮对偏离轨道中心时纵向蠕滑率越大,纵向蠕滑力也越大。车辆通过曲线时的离心力使轮对贴近外轨,轮对等效锥度的存在使外轨侧车轮的滚动圆半径大于内轨侧车轮,使外轨侧车轮滚动通过曲线的弧长较大,故较大的轮对滚动圆半径差有利于曲线通过。如果曲线外轨超高过小,由于未平衡离心力较大,未平衡离心力可能使轮对靠向曲线外轨,造成轮对滚动圆半径差过大,外侧车轮滚动圆半径过大、内侧过小,外侧车轮滚过的弧长大于内侧,这使轮对沿曲线滚动的过程中逐渐靠近曲线内侧,又导致内轨侧车轮滚动圆半径随之增大,而外侧车轮滚动圆半径随之减小,则轮对在滚动过程中再次靠近曲线外轨。这样的反复过程,可导致曲线蛇行。相反,曲线外轨超高过大时,由于重力作用可能使轮对靠近曲线内轨,外侧车轮滚动圆半径可能太小,而内侧太大,轮对沿曲线滚动过程中逐渐靠近曲线外轨,内侧车轮的滚动半径随之减小而外侧车轮滚动半径随之增大。当外侧车轮滚动半径超出内侧车轮滚动半径一定值时,与重力共同作用下,轮对在滚动过程中再次靠近内轨,这样的反复过程也会导致曲线蛇行。因此，尽管轮对滚动圆半径差越大曲线通过性能越好,但在曲线外轨超高不足情况下,过大的半径差会导致轮对在通过曲线时发生蛇行运动;在设计规范规定的允许超高情况下,通过曲线时未发生轮对蛇行现象。

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