李文全　趙永翔

摘? 要：扁疤是輪軌接觸滑移在踏面產(chǎn)生的車(chē)輪不圓損傷，對(duì)軌道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能具有相對(duì)較強(qiáng)影響?？紤]輪軸材料的動(dòng)載彈塑性，運(yùn)用商業(yè)動(dòng)力學(xué)軟件建立了車(chē)輛-軌道-車(chē)輪扁疤長(zhǎng)度的耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究獲得了扁疤長(zhǎng)度-CRH2型動(dòng)車(chē)組的輪軌沖擊載荷關(guān)系。結(jié)果表明，扁疤長(zhǎng)度對(duì)輪軌接觸沖擊力具有顯著影響，主要隨著扁疤長(zhǎng)度的增加沖擊力變大，在商業(yè)應(yīng)用速度范圍，扁疤長(zhǎng)度小于20mm才能保證輪軌載荷不超過(guò)管理范圍。文章研究有助于指導(dǎo)軌道車(chē)輛的運(yùn)用安全管理。

關(guān)鍵詞：CRH2型動(dòng)車(chē)組;車(chē)輪扁疤;動(dòng)力學(xué)仿真;輪軌力

中圖分類(lèi)號(hào)：U211 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0006-05

Abstract： Wheel flat is the wheel out-of-round damage caused by wheel-rail contact slip on the tread， which has a relatively strong influence on the dynamic performance of rail vehicles. Considering the dynamic elastoplasticity of axle material， the coupling dynamic model of vehicle-rail-wheel flat length is established by using commercial dynamics software， and the wheel-rail impact load relationship between flat length and CRH2 EMU is obtained. The results show that the flat length has a significant effect on the wheel-rail contact impact force， which mainly increases with the increase of the flat length. In the speed range of commercial application， the flat length is less than 20mm to ensure that the wheel-rail load does not exceed the management range. The research in this paper is helpful to guide the safety management of rail vehicles.

Keywords： CRH2 EMU; wheel flat; dynamic simulation; wheel-rail contact force

引言

由于現(xiàn)有軌道交通采用車(chē)輪金屬硬度弱于軌道的接觸方案，在車(chē)輛運(yùn)行期間，輪軌接觸因動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力大于材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的屈服點(diǎn)而產(chǎn)生塑性變形累積，加上隨機(jī)出現(xiàn)的輪軌接觸相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦磨損，以及硬質(zhì)外物造成的踏面硌傷等是軌道交通固有的損傷形態(tài)，車(chē)輪踏面損傷可統(tǒng)稱(chēng)為扁疤損傷。鑒于車(chē)輪出現(xiàn)扁疤，將影響列車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能和相關(guān)零部件所承受的動(dòng)載荷條件，分析扁疤長(zhǎng)度與列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能及動(dòng)載荷條件的關(guān)系，科學(xué)地管控扁疤長(zhǎng)度，確保列車(chē)運(yùn)行具有良好的動(dòng)力學(xué)性能和可接受的動(dòng)載，是軌道交通的主要科技問(wèn)題之一。

Newton-Clark[1]在進(jìn)行扁疤沖擊研究中，將扁疤沖擊等效為軌道低接頭沖擊，提出了如下扁疤深度與扁疤長(zhǎng)度的描述方程：

f（x）=d/2[1-cos（2πx/L）] d=L2/16R （1）

其中x為扁疤上某一點(diǎn)位置，0

翟婉明等[2-3]將扁疤等效為軌道低接頭沖擊，建立了扁疤沖擊速度、扁疤長(zhǎng)度、車(chē)輛運(yùn)行速度等關(guān)系，借助VICT程序?qū)Ρ獍虥_擊進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示嚴(yán)重時(shí)車(chē)輪扁疤所引起的高頻沖擊力可為正常輪載的3～4倍。

王建斌-鄔平波-唐兆[4]也將扁疤沖擊等效為軌道低接頭沖擊，采用Koettgen虛應(yīng)力方法結(jié)合Neuber缺口應(yīng)力修正算法求解車(chē)軸危險(xiǎn)截面的應(yīng)力-應(yīng)變歷程，結(jié)果顯示危險(xiǎn)截面等效應(yīng)力可達(dá)到無(wú)扁疤激擾時(shí)的2倍。

Dukkipati-Dong[5]采用與Newton-Clark[1]相同的數(shù)學(xué)模型描述扁疤深度-長(zhǎng)度關(guān)系，探究了車(chē)軸載荷、速度、軌道定位剛度等因素對(duì)輪軌垂向沖擊載荷的影響，說(shuō)明了輪軌沖擊力不僅與扁疤尺寸相關(guān)，同時(shí)也受車(chē)輛懸掛參數(shù)、車(chē)軸載荷、車(chē)速及軌道參數(shù)等影響。

王憶佳-曾京-高浩等[6]研究了扁疤長(zhǎng)度與垂向輪軌力的關(guān)系，新扁疤及舊扁疤輪廓采用與Newton-Clark相同的數(shù)學(xué)模型[1]，分析結(jié)果顯示：在較高的速度下，舊扁疤引起的輪軌垂向力大于新扁疤;當(dāng)車(chē)速在200～250km/h時(shí)，車(chē)輪扁疤長(zhǎng)度應(yīng)?35mm，當(dāng)車(chē)速?250km/h，扁疤長(zhǎng)度應(yīng)?30mm。

王晨、秦玉東、張大偉等[7-9]也對(duì)扁疤沖擊進(jìn)行了一定的分析研究，得出的基本規(guī)律較為一致：扁疤損傷越長(zhǎng)，引起的輪軌沖擊力越大，扁疤沖擊與速度、一系懸掛剛度、軸重等相關(guān)。同時(shí)扁疤損傷還會(huì)引起轉(zhuǎn)臂、構(gòu)架等結(jié)構(gòu)不同程度的振動(dòng)。

以上文獻(xiàn)在計(jì)算扁疤引起的輪軌沖擊力時(shí)，大多未考慮輪對(duì)柔性，這可能導(dǎo)致輪軌力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有較大差異。楊光、陳新華、李笑等學(xué)者[10-12]建立了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，并對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真中結(jié)構(gòu)柔性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，研究表明：在低速工況，剛性輪對(duì)與柔性輪對(duì)動(dòng)力學(xué)性能相近，但在高速時(shí)，輪對(duì)柔性影響較大，考慮輪對(duì)的柔性非常有必要。

3 結(jié)論

通過(guò)建立彈塑性輪對(duì)模型及CRH2車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型、扁疤模型，模擬分析了扁疤對(duì)車(chē)輛舒適性、脫軌系數(shù)、輪軌沖擊力的影響。得出以下結(jié)論：

（1）車(chē)輪踏面扁疤損傷引起的沖擊，對(duì)輪軌橫向力、垂向力均有影響，在100～375km/h速度范圍內(nèi)，隨著速度及扁疤長(zhǎng)度增加，扁疤引起的輪軌橫向、垂向沖擊力均有增加。

（2）在車(chē)輪踏面存在扁疤損傷時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行速度范圍內(nèi)，推薦扁疤長(zhǎng)度限定在20mm以?xún)?nèi)。對(duì)大于20mm長(zhǎng)的扁疤損傷，不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同速度限值：當(dāng)扁疤長(zhǎng)度達(dá)到25mm時(shí)，車(chē)運(yùn)行速度建議降至250km/h;當(dāng)扁疤長(zhǎng)度達(dá)到30mm時(shí)，建議車(chē)速降至100km/h左右;當(dāng)扁疤長(zhǎng)度達(dá)到35mm時(shí)，建議車(chē)速降至80～100km/h;當(dāng)扁疤長(zhǎng)度達(dá)到40mm，建議車(chē)速降至60～80km/h;當(dāng)扁疤長(zhǎng)度大于等于45mm時(shí)，降速至50～60km/h回站旋修。

參考文獻(xiàn)：

[1]Newton S G， Clark R A. An investigation into the dynamic effects on the track of wheelflats on railway vehicles[J]. ARCHIVE Journal of Mechanical Engineering Science 1959-1982 （vols 1-23）， 1919，21（21）：287-297.

[2]翟婉明.鐵路車(chē)輪扁疤的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[J].鐵道車(chē)輛，1994，32（7）：1-5.

[3]翟婉明.車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)（第3版）[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]王建斌，鄔平波，唐兆.車(chē)輪扁疤引發(fā)附加沖擊力對(duì)車(chē)軸應(yīng)力譜影響的研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，28（1）：39-43.

[5]Rao VDukkipati， RenguangDong. Impact Loads due to Wheel Flats and Shells[J]. Vehicle System Dynamics， 1999，31（1）：1-22.

[6]王憶佳，曾京，高浩，等.車(chē)輪扁疤引起的輪軌沖擊分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（4）：700-705.

[7]王晨，王旭，羅世輝，等.輪對(duì)扁疤對(duì)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架振動(dòng)特性的影響[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（2）：246-251.

[8]秦玉冬，胡明，楊柳青，等.基于SIMPACK的扁疤車(chē)輪輪軌沖擊力學(xué)特性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（17）：2029-2035.

[9]張大偉，王開(kāi)云，翟婉明.30t軸重貨車(chē)-重載鐵路車(chē)輪扁疤動(dòng)力效應(yīng)分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（4）：15-19.

[10]楊光，任尊松，袁雨青.車(chē)輪扁疤傷損對(duì)高速列車(chē)輪對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，42（03）：103-111.

[11]陳新華，黃志輝，卜繼玲.基于ANSYS與SIMPACK聯(lián)合仿真的柔性輪對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2014（02）：41-45.

[12]李笑，卜繼玲，黃運(yùn)華，等.SIMPACK中的柔性體動(dòng)力學(xué)仿真分析研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010，39（01）：91-94.

[13]王福天，周勁松，任利惠.用于高速車(chē)輛動(dòng)態(tài)仿真的軌道譜分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2002，24（5）：21-27.

[14]任尊松.輪軌多點(diǎn)接觸及車(chē)輛-道岔系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[15]TB 10621-2014.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].