動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面凹形磨耗發(fā)展規(guī)律及其對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響

楊 陳 賈小平 李龍濤 許 旭 蘇文靜

(中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師)

0 引言

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)新建高速鐵路上運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車(chē)組車(chē)輪主要以踏面凹形磨耗為主。車(chē)輪踏面凹形磨耗的產(chǎn)生和發(fā)展會(huì)逐步惡化輪軌接觸關(guān)系，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)向架和車(chē)輛的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[1-3]研究了動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面凹形磨耗對(duì)高速動(dòng)車(chē)組輪軌相互作用的影響，結(jié)果表明：踏面凹形磨耗會(huì)增加輪軌間高頻垂向振動(dòng)，使輪軌橫向力的幅值顯著增加。文獻(xiàn)[4]對(duì)比研究了不同線路、相同平臺(tái)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪磨耗的演變規(guī)律，以及踏面凹形磨耗對(duì)動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)武廣線上運(yùn)行的某高速動(dòng)車(chē)組開(kāi)展跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著車(chē)輪踏面凹形磨耗發(fā)展，會(huì)使轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的橫向振動(dòng)加速度快速增大，車(chē)輛的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性有所降低，并認(rèn)為車(chē)輪凹形磨耗是引發(fā)轉(zhuǎn)向架橫向報(bào)警的直接原因。文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)地總結(jié)了我國(guó)高速鐵路車(chē)輪斷面橫向磨耗情況，并提出了7個(gè)方面的措施來(lái)抑制車(chē)輪踏面的凹形磨耗。隨著車(chē)輪踏面凹形磨耗的發(fā)展往往還會(huì)引發(fā)車(chē)輛的異常振動(dòng)；隨著車(chē)輛運(yùn)營(yíng)里程的增加，發(fā)現(xiàn)部分列車(chē)在經(jīng)過(guò)特定區(qū)段時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖車(chē)現(xiàn)象[7]。在問(wèn)題列車(chē)的車(chē)輪型面測(cè)量中均發(fā)現(xiàn)車(chē)輪踏面出現(xiàn)凹形磨耗的情況，如圖1所示。鏇輪后異常抖車(chē)現(xiàn)象消失。為了研究車(chē)輛異常抖車(chē)與車(chē)輪踏面凹形磨耗的關(guān)系，本文首先對(duì)某高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后對(duì)鏇修周期內(nèi)該型動(dòng)車(chē)組車(chē)輪踏面廓形進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤測(cè)量，以掌握車(chē)輪踏面的磨耗特征和輪軌接觸關(guān)系的演變規(guī)律。通過(guò)建立剛?cè)狁詈宪?chē)輛動(dòng)力學(xué)模型來(lái)研究車(chē)輪踏面凹形磨耗發(fā)展對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響。

圖1 車(chē)輪凹形磨耗

1 抖車(chē)試驗(yàn)分析

該型動(dòng)車(chē)組車(chē)輪的常規(guī)鏇修周期為30萬(wàn)km，但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)，部分列車(chē)在運(yùn)營(yíng)17萬(wàn)km時(shí),經(jīng)過(guò)固定區(qū)段時(shí)會(huì)出現(xiàn)車(chē)輛異常振動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)添乘試驗(yàn)的反饋，判斷該車(chē)輛的異常振動(dòng)為車(chē)體抖動(dòng)(即抖車(chē))，每次持續(xù)約2～3 s。圖2為抖車(chē)段和非抖車(chē)段的車(chē)體地板面橫向振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)。分析可知，發(fā)生抖車(chē)時(shí)，車(chē)體橫向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)會(huì)迅速增加并呈現(xiàn)明顯的諧波特性，振動(dòng)能量主要集中在10 Hz左右，相較于非抖車(chē)段的主頻幅值增大了20倍。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)體和構(gòu)架進(jìn)行工作變形分析(ODS)，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛經(jīng)過(guò)抖振段時(shí)，車(chē)體振動(dòng)幅度加強(qiáng)，抖振主頻可辨，呈現(xiàn)車(chē)體隨構(gòu)架蛇行運(yùn)動(dòng)而抖動(dòng)現(xiàn)象。因此，推測(cè)引起車(chē)體異常抖動(dòng)的原因是車(chē)輪踏面凹形磨耗導(dǎo)致車(chē)輛穩(wěn)定性下降。

a)抖車(chē)段振動(dòng)加速度時(shí)域曲線

2 車(chē)輪踏面特征分析

為驗(yàn)證引起列車(chē)運(yùn)營(yíng)中車(chē)體異常抖動(dòng)的原因，對(duì)發(fā)生抖車(chē)的列車(chē)進(jìn)行長(zhǎng)期車(chē)輪型面跟蹤測(cè)量。使用RIFTEK激光輪廓測(cè)量?jī)x設(shè)備對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行掃描，按照車(chē)輛運(yùn)行5萬(wàn)km為1個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試一次車(chē)輪型面數(shù)據(jù)。跟蹤周期為1個(gè)鏇修周期。對(duì)所測(cè)車(chē)輪的型面進(jìn)行分析，建立輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)庫(kù)，得到每次測(cè)量時(shí)輪對(duì)的踏面等效斜度、踏面凹形磨耗及輪軌匹配關(guān)系圖等。對(duì)上述變量在同一列車(chē)中的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)等效斜度及車(chē)輪磨耗隨車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的發(fā)展規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。

圖3為不同運(yùn)營(yíng)里程下標(biāo)準(zhǔn)LM型(磨耗型)車(chē)輪踏面廓形分布圖。圖4為不同運(yùn)營(yíng)里程下標(biāo)準(zhǔn)LM型車(chē)輪與60 N鋼軌匹配的輪軌接觸關(guān)系。由圖4可知，不同運(yùn)營(yíng)里程下車(chē)輪均出現(xiàn)不同程度的凹形磨耗，車(chē)輪初始外形下輪軌接觸狀態(tài)良好，接觸線連續(xù)均布；運(yùn)行5萬(wàn)km后，接觸線開(kāi)始集中，接觸范圍變窄，且接觸點(diǎn)位置出現(xiàn)跳躍；隨著運(yùn)行里程的增加，輪軌接觸點(diǎn)由軌頭踏面中心逐步偏向軌距角，接觸范圍進(jìn)一步變窄，同時(shí)存在較大跳躍。因此在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行中，較大程度凹形磨耗的車(chē)輪在一定橫移量激勵(lì)下會(huì)使輪軌接觸位置突變，進(jìn)而引發(fā)車(chē)體的異常振動(dòng)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)LM型車(chē)輪踏面廓形演變

a)標(biāo)準(zhǔn)LM型車(chē)輪踏面

圖5為不同運(yùn)營(yíng)里程下車(chē)輪等效斜度的分布圖，圖6為不同運(yùn)營(yíng)里程下踏面凹形磨耗量與等效斜度的關(guān)系散點(diǎn)圖。經(jīng)分析可知，鏇輪后5萬(wàn)km的車(chē)輪等效斜度主要分布在0.4～0.6，且此時(shí)踏面凹形磨耗量對(duì)等效斜度影響不明顯；鏇輪后10萬(wàn)km的車(chē)輪等效斜度主要分布在0.50～0.66，等效斜度開(kāi)始呈現(xiàn)隨著踏面凹形磨耗量的增大而增大的趨勢(shì)；鏇輪后15萬(wàn)km的車(chē)輪等效斜度主要分布在0.60～0.73，等效斜度呈現(xiàn)隨著踏面凹形磨耗量的增大而增大的趨勢(shì)；鏇輪后17萬(wàn)km的車(chē)輪等效斜度主要分布在0.65～0.80，等效斜度呈現(xiàn)隨著踏面凹形磨耗量的增大而增大的趨勢(shì)明顯。

a)鏇輪后5萬(wàn)km

a)鏇輪后5萬(wàn)km

將上述數(shù)據(jù)作均值處理并匯總至圖7，進(jìn)而推導(dǎo)出等效斜度與車(chē)輪踏面凹形磨耗量之間的估算式為：

圖7 踏面凹形磨耗量與車(chē)輪踏面等效斜度的關(guān)系分析

Y=0.319 7X+0.120 1

(1)

式中：

Y——輪對(duì)等效斜度；

X——輪對(duì)踏面凹形磨耗量, mm。

式(1)可為車(chē)輪等效斜度與踏面凹形磨耗量的估計(jì)提供理論參考。

3 凹形磨耗發(fā)展對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響

為了得到車(chē)輪踏面凹形磨耗發(fā)展對(duì)該型動(dòng)車(chē)組車(chē)輛穩(wěn)定性[8]的影響規(guī)律，依據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)建立了考慮車(chē)體和構(gòu)架彈性的剛?cè)狁詈宪?chē)輛動(dòng)力學(xué)模型[9]，如圖8所示。該模型包括1個(gè)車(chē)體，2個(gè)構(gòu)架，4個(gè)輪對(duì)，8個(gè)軸箱以及一系、二系懸掛元件。車(chē)輛系統(tǒng)考慮了車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)的縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭等6個(gè)方向的自由度，以及軸箱的點(diǎn)頭自由度，共計(jì)50個(gè)自由度[10-11]。仿真計(jì)算中采用線路實(shí)測(cè)軌道不平順激勵(lì)。

圖8 動(dòng)車(chē)組單節(jié)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

基于車(chē)輪踏面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展車(chē)輛穩(wěn)定性仿真計(jì)算[12-13]，不同磨耗階段的凹形磨耗踏面對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的仿真影響結(jié)果如表1所示。車(chē)輛的蛇行臨界速度(以下簡(jiǎn)稱為“臨界速度”)與鏇輪后運(yùn)行里程的關(guān)系如圖9所示。構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值與鏇輪后運(yùn)行里程的關(guān)系如圖10所示。由分析結(jié)果可知，該型動(dòng)車(chē)組車(chē)輛的臨界速度隨車(chē)輪踏面凹形磨耗的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，鏇輪后17萬(wàn)km踏面工況下臨界速度最小，其值為194 km/h，相較于初始踏面工況的臨界速度下降了40%；該型動(dòng)車(chē)組車(chē)輛的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值隨車(chē)輪踏面凹形磨耗的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，鏇后17萬(wàn)km踏面工況下構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值為5.26 m/s2，相較于初始踏面工況的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度增大了37%。因此，車(chē)輛穩(wěn)定性會(huì)隨車(chē)輪踏面凹形磨耗的發(fā)展而顯著下降，進(jìn)而使具有較大車(chē)輪凹形磨耗工況的車(chē)輛在一定線路激勵(lì)作用下發(fā)生車(chē)體的異常抖動(dòng)。

表1 不同磨耗階段的凹形磨耗踏面對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性仿真結(jié)果

圖9 車(chē)輛的臨界速度與鏇輪后運(yùn)行里程的關(guān)系

圖10 構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值與鏇輪后運(yùn)行里程的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了某型動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中發(fā)生的異常抖車(chē)現(xiàn)象。跟蹤了鏇修周期內(nèi)車(chē)輪踏面特征的演變。建立剛-柔耦合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型來(lái)研究車(chē)輪踏面凹形磨耗量發(fā)展對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響規(guī)律。其研究結(jié)果表明，隨著列車(chē)車(chē)輪踏面凹形磨耗量的增加，輪軌接觸范圍變窄，易發(fā)生接觸點(diǎn)跳躍現(xiàn)象，且車(chē)輪等效斜度會(huì)增大，車(chē)輛的臨界速度會(huì)顯著下降，從而使列車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性降低。因此，當(dāng)車(chē)輪踏面凹形磨耗發(fā)展到一定程度時(shí)，一旦線路存在較大的激擾，會(huì)使轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)，引發(fā)動(dòng)車(chē)組抖車(chē)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行鏇修，恢復(fù)到初始廓形，可以大幅度降低等效斜度，改善輪軌匹配關(guān)系，以最終解決動(dòng)車(chē)組的車(chē)體異常振動(dòng)問(wèn)題。