張冰玉

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 天津 300240)

輪對(duì)磨耗對(duì)高速列車服役性能影響探究

張冰玉

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 天津 300240)

受高速列車服役條件的影響，高速輪對(duì)隨列車服役周期會(huì)產(chǎn)生較大狀態(tài)變化，同時(shí)影響高速列車動(dòng)力學(xué)性能。文章對(duì)高速列車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，考慮對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響較大的因素，分析各結(jié)構(gòu)間鉸接關(guān)系和力的傳遞方式及作用位置，基于多體動(dòng)力學(xué)理論建立高速列車模型，分別探究高速輪對(duì)服役中產(chǎn)生的磨耗及輪徑差兩個(gè)因素對(duì)高速列車振動(dòng)性能的影響。通過分別對(duì)比磨耗型面與原始型面及磨耗型面在有、無輪徑差時(shí)的輪軌接觸力和車輛各關(guān)鍵部件的橫、垂向加速度，得出如下結(jié)論：(1)輪對(duì)磨耗對(duì)車輛橫向振動(dòng)影響較大，使輪軌橫向力及各關(guān)鍵部件橫向加速度明顯增大，而車輛垂向振動(dòng)性能對(duì)輪對(duì)磨耗不敏感；(2)當(dāng)左右側(cè)實(shí)際輪徑差較小時(shí)，輪徑差的存在對(duì)振動(dòng)性能的影響比磨耗的影響小，以磨耗對(duì)車輛振動(dòng)的影響為主。

高速列車； 多體動(dòng)力學(xué)； 磨耗； 輪徑差

高速列車在服役過程中會(huì)受到運(yùn)行線路、制動(dòng)、車輪鏇修以及輪軌參數(shù)等各種因素的影響，輪對(duì)作為車輛系統(tǒng)與線路直接作用的部件，其型面及輪徑差會(huì)隨列車服役周期產(chǎn)生較大變化，而作為輪軌接觸的核心，高速列車動(dòng)力學(xué)性能受輪對(duì)影響很大。劉林芽等人通過建立輪軌系統(tǒng)高頻振動(dòng)模型，分析輪軌相互作用關(guān)系，給出了車輪及鋼軌的高頻振動(dòng)功率譜計(jì)算式[1]。李艷等人針對(duì)動(dòng)車組的1節(jié)車輛，利用WP-D車輪外形測量儀定期實(shí)測每個(gè)車輪的外形與輪徑，得到5組車輪型面磨耗工況，并結(jié)合所選車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行線路特點(diǎn)，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行了車輛動(dòng)力學(xué)仿真，分析了車輛在不同磨耗工況下的動(dòng)力學(xué)特性[2-3]。此外，國內(nèi)外其他學(xué)者對(duì)輪對(duì)磨耗的研究也取得了較大成果[4-10]。本文通過對(duì)高速列車機(jī)械結(jié)構(gòu)及多體動(dòng)力學(xué)理論的描述，建立高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分別研究列車服役過程中產(chǎn)生的輪對(duì)磨耗及輪徑差對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)的影響，分別探究磨耗及輪徑差對(duì)列車服役性能的影響。

1 高速列車動(dòng)力學(xué)建模

在動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮影響高速列車服役動(dòng)力學(xué)的各關(guān)鍵零部件及相互間作用關(guān)系，在多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK中以CRH2型車為基礎(chǔ)，建立高速列車模型對(duì)其服役動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在SIMPACK中按照動(dòng)車組單節(jié)車自軌道向上建立模型，體對(duì)象依次為輪對(duì)、軸箱、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體。輪對(duì)為車輛系統(tǒng)與軌道直接接觸的部件，通過輪軌間的接觸最終產(chǎn)生牽引力和制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛在鋼軌上的平移，輪軌關(guān)系是軌道交通工具區(qū)別于其他機(jī)械產(chǎn)品的根本，也是車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的根源。軸箱作為輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的連接裝置和活動(dòng)關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)將車輪的滾動(dòng)轉(zhuǎn)化為車體的平動(dòng)，其懸掛參數(shù)以及定位方式將直接影響車輛曲線通過性能與行車穩(wěn)定性，不同的車型又具有不同的軸箱定位方式。構(gòu)架為整個(gè)轉(zhuǎn)向架的“骨架”，為各部件提供安裝基礎(chǔ)，同時(shí)還是主要承力部件，車輛各個(gè)方向的力都離不開構(gòu)架的傳遞作用，故在高速運(yùn)行下對(duì)其強(qiáng)度和剛度有較高的要求。車體是最終承載旅客的空間，主要包括底架、端墻、側(cè)墻及車頂?shù)炔课?，由于車體是旅客的乘坐空間，直接影響到乘客乘坐體驗(yàn)，因此動(dòng)力學(xué)中各項(xiàng)平穩(wěn)性指標(biāo)和蛇行運(yùn)動(dòng)評(píng)判都需要從車體入手。

建模過程中考慮影響動(dòng)車組服役的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，忽略牽引電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)等對(duì)正常服役狀態(tài)動(dòng)力學(xué)性能影響較小的結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)體之間的鉸接關(guān)系建立個(gè)體之間聯(lián)系，并根據(jù)力的傳遞方式和減振器的減振方式，按照軟件中自帶的力源屬性建立對(duì)應(yīng)的鉸接關(guān)系。模型中參數(shù)參照某動(dòng)車組設(shè)置，如表1所示。

表1 車體動(dòng)力學(xué)模型部分參數(shù)

模型中一系懸掛為一系彈簧和垂向減震器，采用轉(zhuǎn)臂式軸箱定位。二系懸掛包括空氣彈簧、抗蛇行減振器和橫向減振器。模型中考慮垂向減震器和抗蛇行減震器的非線性因素。

將車輛視為多剛體系統(tǒng)，并考慮多剛體之間的鉸接關(guān)系及力元相互作用關(guān)系，通過各剛體間的拓?fù)潢P(guān)系建立車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，其統(tǒng)一形式可以表示為：

式中：M、C、K、P——車輛系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣、外部激擾矩陣。

2 型面磨耗對(duì)高速列車振動(dòng)性能的影響

車輛在服役過程中變化最大的狀態(tài)量即為輪對(duì)的磨耗，尤其對(duì)高速列車而言，列車服役中減速、制動(dòng)及曲線通過均會(huì)對(duì)高速輪對(duì)產(chǎn)生磨耗磨損。而高速列車系統(tǒng)對(duì)車輪的型面敏感度較高，即輪對(duì)型面的改變會(huì)引起車輛動(dòng)力學(xué)性能較大程度的改變。不同型面與線路軌道的匹配性能差異很大，而輪軌接觸關(guān)系是連接車輛單元與軌道的紐帶，車輪產(chǎn)生磨耗后，會(huì)直接影響輪軌接觸幾何關(guān)系的改變，進(jìn)而通過輪軌接觸力的變化引起車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的變化。因此，本文通過計(jì)算輪軌接觸力的變化，進(jìn)而考慮車輛輪對(duì)、構(gòu)架及車體橫、縱向加速度在原始型面和磨耗型面之間的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)差異，研究高速輪對(duì)磨耗對(duì)車輛服役性能的影響。

在本文的計(jì)算中，對(duì)某高速線路服役的動(dòng)車組進(jìn)行型面檢測，在動(dòng)車組入庫時(shí)測量其型面及輪徑，并使用記錄的型面值計(jì)算其振動(dòng)性能。給定相同線路激擾，分別使用磨耗型面及車輛原始型面計(jì)算輪軌接觸力，所得橫向和豎向輪對(duì)作用力對(duì)比結(jié)果，如圖1、圖2所示。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn)，磨耗型面與原始型面的輪軌橫向力差異明顯，原始型面計(jì)算所得的輪軌橫向力幅值在2 kN附近，而磨耗型面計(jì)算所得輪軌橫向力幅值大幅增大，在10 kN左右；磨耗型面的輪軌垂向力與原始型面相比略微有所增大，但差異較小。由此可以判定，車輛磨耗對(duì)車輛橫向運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大影響。

由前述高速列車機(jī)構(gòu)可知，輪軌接觸作用力在傳遞到車體時(shí)，首先經(jīng)由軸箱中一系彈簧的減振作用，再經(jīng)過構(gòu)架與車體之間二系空簧的減振作用，最終傳遞到車體。高速列車在保證安全服役的前提下，另一重要指標(biāo)應(yīng)為乘客的乘坐舒適度，而乘客所感知的部位最終反應(yīng)到高速列車車體上。本文按照輪軌力的傳遞路徑，依次分析輪對(duì)、構(gòu)架及車體上的橫、垂向加速度，分析磨耗對(duì)高速列車振動(dòng)性能的影響。

以磨耗型面及車輛原始型面計(jì)算所得的輪軌力傳遞過程中各關(guān)鍵部位(包括輪對(duì)，構(gòu)架，車體)的橫、垂向加速度，如圖3、圖4所示。

圖1 磨耗型面與原始型面的橫向輪軌作用力對(duì)比

圖2 磨耗型面與原始型面的垂向輪軌作用力對(duì)比

圖3 磨耗型面與原始型面關(guān)鍵部位的橫向加速度響應(yīng)對(duì)比

圖4 磨耗型面與原始型面關(guān)鍵部位的垂向加速度響應(yīng)對(duì)比

當(dāng)車輛輪對(duì)發(fā)生磨耗后，輪對(duì)橫向加速度振動(dòng)幅值從±2 m/s2增加到±10 m/s2，由于輪軌橫向力直接作用于高速輪對(duì)，因此輪對(duì)橫向加速度的變化幅度與橫向力相似。構(gòu)架橫向加速度振動(dòng)幅值從±1 m/s2增加到±5 m/s2，即經(jīng)過一系彈簧的減振作用，構(gòu)架加速度幅值出現(xiàn)下降，但當(dāng)型面產(chǎn)生磨耗后，橫向加速度增大幅值仍較大。車體橫向加速度振動(dòng)幅值從±0.2 m/s2增大到±0.5 m/s2，雖仍出現(xiàn)增大，但幅值變化的比例較之輪對(duì)和構(gòu)架減小。從各部位垂向加速度振動(dòng)幅值對(duì)比可以看出，型面出現(xiàn)磨耗后，垂向加速度變化幅值不大，輪對(duì)垂向加速度振動(dòng)幅值為±10 m/s2，構(gòu)架垂向加速度振動(dòng)幅度約為±2 m/s2，車體垂向振動(dòng)加速度振動(dòng)幅值約為±0.1 m/s2，一、二系減振機(jī)構(gòu)對(duì)垂向加速度傳遞的減振作用大致以10 m/s2為數(shù)量級(jí)在減小。

通過對(duì)磨耗型面及原始型面的車輛輪軌力及車輛關(guān)鍵部件橫、垂向加速度進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，輪對(duì)磨耗對(duì)車輛橫向振動(dòng)影響較大，輪對(duì)產(chǎn)生磨耗后，輪軌橫向力及各關(guān)鍵部件橫向加速度增大幅值明顯，而車輛垂向振動(dòng)性能對(duì)輪對(duì)磨耗不敏感。

3 輪徑差對(duì)高速列車振動(dòng)性能的影響

在高速列車入庫輪徑差檢測時(shí)，會(huì)偶爾發(fā)現(xiàn)左右側(cè)輪徑差過大的情況，對(duì)出現(xiàn)過大輪徑差的數(shù)值進(jìn)行記錄，并應(yīng)用該輪徑差進(jìn)行分析計(jì)算。高速列車服役過程在引起輪對(duì)型面曲線變化的同時(shí)，對(duì)輪對(duì)的另一個(gè)附加作用即同時(shí)改變了車輪的輪徑，左右側(cè)車輪服役狀態(tài)的差異不僅使輪對(duì)型面磨耗不同，還使得左右側(cè)車輪輪徑差產(chǎn)生變化。因此，在研究磨耗對(duì)高速列車振動(dòng)性能的影響時(shí)，左右側(cè)輪徑差的作用不可忽視。本節(jié)通過對(duì)磨耗型面在無輪徑差及輪徑差為1 mm時(shí)的輪軌接觸力及車輛振動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比，探究輪徑差對(duì)高速列車振動(dòng)的影響。

無輪徑差和輪徑為1 mm時(shí)輪軌橫向和垂向作用力對(duì)比如圖5和圖6所示，從圖中可以看出，當(dāng)左右輪存在1 mm的輪徑差時(shí)，車輛兩個(gè)方向的作用力均出現(xiàn)不同程度的增加，但增加幅度并不顯著。圖7為有、無輪徑差時(shí)車輛關(guān)鍵部件(包括輪對(duì)，構(gòu)架，車體)橫向加速度的對(duì)比，從圖中可以看出，輪對(duì)橫向加速度對(duì)輪徑差變化較為敏感，但車體橫向加速度經(jīng)過兩級(jí)減振機(jī)構(gòu)的減振作用，其所受影響較小。圖8為有、無輪徑差時(shí)車輛關(guān)鍵部件(包括輪對(duì)，構(gòu)架，車體)垂向加速度的對(duì)比，從圖中可以看出，車輛各關(guān)鍵部件的垂向加速度受輪徑差影響不大。

圖5 有無輪徑差時(shí)輪軌橫向力作用力對(duì)比

圖6 有無輪徑差時(shí)輪軌垂向力作用力對(duì)比

圖7 有無輪徑差時(shí)關(guān)鍵部位橫向加速度響應(yīng)對(duì)比

圖8 有無輪徑差時(shí)關(guān)鍵部位垂向加速度響應(yīng)對(duì)比

因此，當(dāng)研究高速輪對(duì)對(duì)車輛振動(dòng)性能的影響時(shí)，若左右側(cè)實(shí)際輪徑差變化較小，輪徑差對(duì)振動(dòng)性能的影響比磨耗的影響小，以磨耗對(duì)車輛振動(dòng)的影響為主。

4 結(jié)論

本文對(duì)高速列車各關(guān)鍵零部件的作用進(jìn)行了描述，并通過多體動(dòng)力學(xué)理論建立了高速列車動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)高速列車在線路上的實(shí)際服役狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，分別研究輪對(duì)磨耗及輪徑差的作用對(duì)高速列車振動(dòng)性能的影響，得出主要結(jié)論如下：

(1)通過對(duì)磨耗型面及原始型面的車輛輪軌力及車輛關(guān)鍵部件橫、垂向加速度的對(duì)比分析看出，輪對(duì)磨耗對(duì)車輛橫向振動(dòng)影響較大，輪對(duì)產(chǎn)生磨耗后，輪軌橫向力及各關(guān)鍵部件橫向加速度增大幅值明顯，而車輛垂向振動(dòng)性能對(duì)輪對(duì)磨耗不敏感。

(2)在研究高速輪對(duì)對(duì)車輛振動(dòng)性能的影響時(shí)，若左右側(cè)實(shí)際輪徑差變化較小，輪徑差的存在對(duì)振動(dòng)性能的影響比磨耗的影響小，以磨耗對(duì)車輛振動(dòng)的影響為主。

(3)考慮到高速動(dòng)車組型面磨耗與輪徑差對(duì)車輛振動(dòng)特性及動(dòng)力學(xué)特征的影響，應(yīng)加強(qiáng)在動(dòng)車入庫時(shí)對(duì)輪對(duì)型面的檢測，并通過在線振動(dòng)加速度監(jiān)測等手段對(duì)型面磨耗進(jìn)行判斷。在入庫檢修時(shí)對(duì)已產(chǎn)生磨耗或輪徑差的型面進(jìn)行修型，盡量降低其對(duì)列車服役特性的影響。

[1] 劉林芽,雷曉燕.輪軌系統(tǒng)高頻振動(dòng)研究[J].中國鐵道科學(xué),2004,25(2)：52-55. LIU Linya, LEI Xiaoyan. Study on High Frequency Vibration of Wheel Rail System[J].China Railway Science,2004,25(2)：52-55.

[2] 李艷,張衛(wèi)華,周文祥.車輪型面磨耗對(duì)車輛服役性能的影響[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,45(4)：549-554. LI Yan，ZHANG Weihua，ZHOU Wenxiang. Influence of Wear of Wheel Profile on Dynamic Performance of EMU[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2010,45(4)：549-554.

[3] 李艷,張衛(wèi)華,池茂儒，等.車輪踏面外形及輪徑差對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].鐵道學(xué)報(bào),2010,32(1)：104-108. LI Yan，ZHANG Weihua，CHI Maoru, et.al. Influence of Wheel Tread Profile and Rolling Diameter Difference on Dynamic Performance of Vehicles[J]. Journal of the China Railway Society, 2010, 32(1)：104-108.

[4] POLACH O. Influence of Wheel/Rail Contact Geometry on the Behaviuor of A Railway Vehicle at Stability Limit[C]. ENOC-2005, Eindhoven, Netherlands, 2005.

[5] Mace S, Pena R, Wilson N,et al. Effects of wheel-rail contact geometry on wheel set steering forces[J]. Wear, 1996, 191(1-2): 204-209.

[6] 張衛(wèi)華,張曙光.高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及服役模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008，43(2)：35-40. ZHANG Weihua, ZHANG Shuguang. Dynamics and Service Simulation for General Coupling System of High-Speed Trains[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2008,43(2)：35-40.

[7] 王開云,劉建新,翟婉明,等.鐵路行車安全性及舒適性仿真[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006，6(3)：9-12. WANG Kaiyun, LIU Jianxin, ZHAI Wanming, et.al. Running safety and comfortability simulation of railway[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering,2006，6(3)：9-12.

[8] KARL POPP, HOLGER KRUSE, INGO KAISER. Vehicle-Track Dynamics in the Mid-Frequency Range[J]. Vehicle System Dynamics, 2010,31(5)： 423-464

[9] F.Braghin,R.Lewis,R.S.Dwyer-Joyce,S.Bruni.A Mathematical Model to Predict Railway Wheel Profile Evolution due to Wear[J].Wear,2006,261(11-12): 1253-1264.

[10]Juraj Gerlici, Tomáˇs Lack. Railway Wheel and Rail Head Profiles Development Based on the Geometric Characteristics Shapes[J]. Wear,2011,271(1): 246-258.

Study on the Effect on Service Performance of High-speed Trains by Wheel Wear

ZHANG Bingyu

(Tianjin Railway Technical and Vocational College, Tianjin 300240， China)

Affected by the on-service conditions of the high-speed trains, the status of wheelset is changing greatly. At the same time, vehicle system dynamics performances are also influenced. The structure of high-speed train is analyzed in this paper. The articulated relationships and force transfer modes between each key component are analyzed with considerations of the factors which affect the performances of high-speed trains greatly. Vehicle system model is established based on the theory of multi-body dynamics theory. The differences of wheel wear and wheel diameter that changed as service conditions are studied respectively. The wheel/rail contact forces and lateral/vertical accelerations of the key components of the high-speed train are calculated and compared on the conditions of worn profile and normal profile. The conclusions are:1. wheel wear has greater effect on the lateral vibration of the train and the wheel/rail lateral force is increased greatly, while the vertical vibration is not so sensitive. 2. while the wheel diameter difference is small, the influence on vehicle system dynamics performances is mainly caused by wheel wear.

high-speed train; multi-body dynamics; wheel wear; wheel diameter difference

2016-01-11

張冰玉(1989-)，女，助教。

1674—8247(2016)03—0011—05

U270.1+1

A