CR200J 型動(dòng)車組車輪踏面磨耗及其對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響的分析研究

史新偉

（中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054）

1 引言

為充分發(fā)揮既有線鐵路的運(yùn)輸效能，提高線路的運(yùn)行服務(wù)品質(zhì)，我國(guó)在既有25T 型客車技術(shù)基礎(chǔ)上研制了CR200J 型動(dòng)車組，該車型具有運(yùn)用范圍廣、運(yùn)行速度高、建造成本低、運(yùn)輸組織效率高等優(yōu)勢(shì)[1]。作為新一代既有線的主力車型，良好的動(dòng)力學(xué)性能對(duì)保障運(yùn)行安全性、舒適性及檢修維護(hù)等方面具有重要意義[2-4]。但不論何種車型，由于車輛在實(shí)際運(yùn)用過程中，車輪踏面磨耗處于持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，極易導(dǎo)致輪軌接觸關(guān)系逐漸惡化，并成為影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。車輪磨損問題一直廣受研究者們的關(guān)注[5-6]。隨著車輪磨耗的發(fā)展，輪軌接觸關(guān)系會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，楊震寰等[7]基于實(shí)測(cè)鋼軌和車輪踏面廓形開展輪軌接觸關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)橫移量在0～3 mm 范圍內(nèi)的等效錐度水平較高是造成車輛異常振動(dòng)的原因，由此提出精確控制鋼軌廓形等控制措施，以提高動(dòng)車組的線路適應(yīng)性。茍立波[8]等開展CRH3 型動(dòng)車組車輪踏面跟蹤測(cè)試，研究了車輪踏面磨耗的發(fā)展規(guī)律，分析了車輪磨耗對(duì)車輛運(yùn)行性能的影響，并在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了車輪鏇修的建議周期。為保證動(dòng)車組安全、舒適的運(yùn)行，本文根據(jù)某線路CR200J 型動(dòng)車組車輪磨耗踏面的跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)，基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件（SIMPACK）建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，通過仿真手段研究隨鏇后里程發(fā)展下的車輪磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，為車輪鏇修里程的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2 車輪踏面測(cè)量及分析

CR200J 型動(dòng)車組采用LM 踏面，普遍應(yīng)用于我國(guó)準(zhǔn)軌客車。為研究CR200J 型動(dòng)車組車輪踏面磨耗發(fā)展規(guī)律，在某線路選取一列CR200J 型動(dòng)車組為研究對(duì)象，當(dāng)其鏇后里程達(dá)到15 萬(wàn)km 以后，對(duì)其開展車輪踏面廓形測(cè)試，實(shí)測(cè)得到鏇后里程為15.5 萬(wàn)km、19.3萬(wàn)km、25.2 萬(wàn)km、30.1 萬(wàn)km 時(shí)的全列車輪磨耗踏面。測(cè)試結(jié)果表明，在一個(gè)鏇修周期內(nèi)，整列車輪具有相同的磨耗發(fā)展規(guī)律，因此選取典型車輪作為代表，其廓形發(fā)展演變?nèi)鐖D1 所示。由圖可見，車輪踏面在名義滾動(dòng)圓±30 mm 范圍內(nèi)發(fā)生磨耗，未形成明顯的凹槽磨耗，總體磨耗范圍較寬，鏇后里程達(dá)到30.1 萬(wàn)km 時(shí)，名義滾動(dòng)圓處踏面最大磨耗量達(dá)到1.70 mm；同時(shí)，輪緣位置也產(chǎn)生了一定程度的磨耗，但該情況主要發(fā)生在鏇修初期，后期輪緣磨耗速率逐漸放緩，輪緣厚度趨于穩(wěn)定。

圖1 車輪磨耗發(fā)展規(guī)律

車輪踏面磨耗直接影響輪軌接觸關(guān)系，將車輪磨耗踏面與標(biāo)準(zhǔn)TB 60 鋼軌匹配，軌底坡為1/40，軌距為1 435 mm，接觸點(diǎn)計(jì)算時(shí)采用準(zhǔn)彈性接觸參數(shù)修正[9]，計(jì)算得到輪軌接觸關(guān)系如圖2 所示。結(jié)果顯示，鏇后里程為15.5 萬(wàn)km 時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)隨輪軸橫移量的變化分布均勻且連續(xù)，輪軌接觸關(guān)系良好。隨著鏇后里程的增長(zhǎng)，輪軌接觸關(guān)系逐漸惡化，當(dāng)鏇后里程達(dá)到30.1 萬(wàn)km時(shí)，輪對(duì)橫移量在±3 mm 內(nèi)的接觸點(diǎn)分布十分稀疏，甚至出現(xiàn)跳變，這將影響車輛構(gòu)架的橫向穩(wěn)定性，下文將對(duì)其進(jìn)行具體分析。

為進(jìn)一步分析車輪等效錐度及接觸帶寬演變規(guī)律，采用UIC 519 方法進(jìn)行等效錐度計(jì)算，結(jié)果如圖3 所示。鏇后里程為15.5 萬(wàn)km 時(shí)，車輪等效錐度為0.442，接觸帶寬為25.1 mm；鏇后里程為30.1 萬(wàn)km 時(shí)，等效錐度發(fā)展到0.704，接觸帶寬為42.8 mm。分析可得，車輪踏面等效錐度呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率為0.201/10 萬(wàn)km，接觸帶寬增長(zhǎng)則有放緩的趨勢(shì)。

圖3 3 mm 等效錐度及接觸帶寬演變規(guī)律

3 動(dòng)力學(xué)模型建立

為分析車輪踏面磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，基于上述4 組車輪磨耗踏面，通過SIMPACK 建立CR200J 型動(dòng)車組普通硬座車的動(dòng)力學(xué)模型。該模型包括1 個(gè)車體、2 個(gè)構(gòu)架、4 條輪對(duì)和8 個(gè)軸箱，車體、構(gòu)架、輪對(duì)具有橫向、垂向、縱向、點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾6個(gè)方向的自由度，其中輪對(duì)的垂向和側(cè)滾為非獨(dú)立自由度，而軸箱只有點(diǎn)頭方向自由度，車輛系統(tǒng)共有46 個(gè)獨(dú)立自由度，主要參數(shù)如表1 所示。為盡可能真實(shí)反映車輛的運(yùn)行環(huán)境，采用實(shí)測(cè)京山線軌道不平順激勵(lì)，測(cè)量步長(zhǎng)為0.25 m，數(shù)據(jù)基于線性擬合，如圖4所示?？v觀全程，左右高低不平順沿縱向距離具有相近的變化趨勢(shì)，主要在±14 mm 之間分布；左右軌向不平順沿縱向距離同樣具有相近的變化趨勢(shì)，主要在±5 mm 之間分布[10-13]，峰值可達(dá)10 mm。仿真分析采用典型的運(yùn)行工況，線路設(shè)置如表2 所示。

圖4 實(shí)測(cè)京山線軌道不平順激勵(lì)

4 車輪磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

4.1 構(gòu)架橫向穩(wěn)定性

計(jì)算車輛在不同運(yùn)行速度時(shí)軌道激勵(lì)作用下構(gòu)架橫向加速度最大值（采用0.5～10 Hz 帶通濾波），結(jié)果顯示（圖5），構(gòu)架橫向加速度最大值隨速度的增加整體呈上升趨勢(shì)，等效錐度越高其值越大；等效錐度為0.704時(shí)，構(gòu)架橫向加速度最大值有明顯增長(zhǎng)，160 km/h 速度級(jí)下最大值為7.16 m/s2。顯然，隨著車輪磨耗的發(fā)展，等效錐度逐漸增大將不利于構(gòu)架橫向穩(wěn)定性。若進(jìn)一步發(fā)展，過高的等效錐度將導(dǎo)致構(gòu)架面臨失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 構(gòu)架橫向加速度最大值仿真結(jié)果

4.2 運(yùn)行平穩(wěn)性

車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)是衡量旅客乘坐舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)，反映人體對(duì)車輛振動(dòng)的感受。分析直線工況下不同等效錐度時(shí)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度的變化趨勢(shì)，如圖6 所示。結(jié)果顯示，等效錐度的增長(zhǎng)對(duì)橫向平穩(wěn)性有一定改善，對(duì)垂向平穩(wěn)性幾乎沒有影響。

圖6 運(yùn)行平穩(wěn)性仿真結(jié)果

4.3 曲線通過性

依據(jù)表2 在SIMPACK 中建立曲線線路，按等效錐度分類設(shè)置仿真工況，如表3 所示。圖7 給出了車輛通過R300 m、R600 m、R800 m、R1 600 m 半徑曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)。從脫軌系數(shù)來看，等效錐度增長(zhǎng)有利于車輛通過小半徑曲線，一定程度上提高安全裕度，但對(duì)于大半徑曲線，反而會(huì)導(dǎo)致脫軌系數(shù)指標(biāo)的惡化；輪重減載率幾乎不受等效錐度增長(zhǎng)的影響；從輪軌力方面看，隨著等效錐度的增長(zhǎng)，輪軌相互作用力逐漸加劇，車輛通過曲線時(shí)的輪軸橫向力、輪軌垂向力逐漸增大，該情況將導(dǎo)致輪軌磨耗速率加快，同時(shí)將加劇軌道不平順問題，給線路維護(hù)帶來困難[14-15]。

表3 曲線仿真工況

圖7 運(yùn)行安全性仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文對(duì)CR200J 型動(dòng)車組車輪踏面進(jìn)行跟蹤測(cè)試，分析車輪踏面磨耗特征隨鏇后里程的發(fā)展規(guī)律，并通過動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK 建立基于不同鏇后里程車輪磨耗踏面下的車輛動(dòng)力學(xué)模型，分析車輪磨耗的發(fā)展對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）隨著鏇后里程的增長(zhǎng)，車輪在輪緣及名義滾動(dòng)圓附近均產(chǎn)生磨耗，但未形成明顯凹槽磨耗，總體磨耗較為均勻。車輪等效錐度總體呈線性增長(zhǎng)，約為0.201/10 萬(wàn)km。隨著鏇后里程的增長(zhǎng)，輪軌接觸關(guān)系逐漸劣化。

（2）等效錐度逐漸增大將不利于構(gòu)架橫向穩(wěn)定性，等效錐度為0.704 時(shí)，構(gòu)架橫向加速度最大值有明顯增長(zhǎng)，若進(jìn)一步發(fā)展，將導(dǎo)致構(gòu)架面臨失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，等效錐度的增長(zhǎng)對(duì)改善車輛橫向運(yùn)行平穩(wěn)性有輕微作用，但對(duì)垂向平穩(wěn)性影響較弱。此外，車輪磨耗的發(fā)展對(duì)降低車輛通過小半徑曲線的脫軌系數(shù)有利，但對(duì)大半徑曲線不利，并且會(huì)加劇輪軌相互作用力。

（3）通過對(duì)車輪踏面磨耗規(guī)律的總結(jié)及其對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響分析，車輪踏面按照30 萬(wàn)km 運(yùn)行里程進(jìn)行鏇修管控是合理可行的。建議加強(qiáng)車輛運(yùn)用期間車輪廓形的監(jiān)測(cè)，對(duì)于磨耗發(fā)展過快、等效錐度過高的車輪加強(qiáng)鏇修管理。

（4）保持輪軌良好的接觸關(guān)系，是車輛安全舒適運(yùn)行的重要保障。車輪等效錐度處于合理范圍內(nèi)時(shí)，局部線路區(qū)段出現(xiàn)車輛異常振動(dòng)情況時(shí)，需與實(shí)測(cè)鋼軌廓形進(jìn)行匹配分析，找到車輛異常振動(dòng)的原因。